一種新型海洋環(huán)境長期連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)及其防生物附著裝置的設(shè)計

董大圣，劉海豐，張國華，張曙偉，范秀濤，李 民

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島266001)

一種新型海洋環(huán)境長期連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)及其防生物附著裝置的設(shè)計

董大圣，劉海豐，張國華，張曙偉，范秀濤，李 民

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島266001)

主要介紹了一種海洋環(huán)境連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)?，F(xiàn)有的水下監(jiān)測儀器一般長時間放置在水下，不可避免地會遭受海洋生物附著和損壞，通常3個月到6個月左右需要清理或者更新一次。設(shè)計采用新型監(jiān)測結(jié)構(gòu)，將被測海水抽樣到艙內(nèi)進行相關(guān)參數(shù)的檢測，檢測完成后，將海水排回海中，艙內(nèi)儀器采用消毒液和清水自動沖洗。通過這種方式，避免了海洋生物的附著和污染，檢測儀器可以長期可靠地運行，減少了設(shè)備的維護次數(shù)，在海洋監(jiān)測領(lǐng)域具有重要的意義。

海洋環(huán)境；監(jiān)測；海洋生物附著

隨著國家對海洋資源開發(fā)與利用重視程度的不斷增強，以及海洋生物養(yǎng)殖和海洋工程活動的不斷增多，近岸海洋污染和典型生態(tài)系統(tǒng)功能退化已成為我國海洋環(huán)境存在的主要問題，海洋環(huán)境監(jiān)測工作在海洋環(huán)境保護政策制定、海洋災(zāi)害防治和海洋生態(tài)修復(fù)工程評估等方面所起到的作用愈來愈為重要，海洋環(huán)境參數(shù)的長期連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)成為這些生產(chǎn)和科研任務(wù)重要技術(shù)保障手段。長期以來，海洋監(jiān)測設(shè)備，特別是水下監(jiān)測設(shè)備容易受到海洋生物的附著，造成設(shè)備性能下降、測量結(jié)果精確度降低以及設(shè)備使用壽命的下降。本文主要闡述了一種新型的海洋環(huán)境連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，該設(shè)計采用海水抽樣測量法，將海水抽取到容器中測量，測量完成后排入大海，而后使用消毒液和清水對容器和傳感器進行消毒和清洗，達到設(shè)備長期連續(xù)使用的目的。這將大幅度提升目前渤海生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測能力和業(yè)務(wù)化運行水平以及信息處理、產(chǎn)品深加工方面的綜合實力，為渤海海洋生態(tài)環(huán)境的保護決策提供信息服務(wù)。

1 課題背景

環(huán)渤海經(jīng)濟圈在我國經(jīng)濟發(fā)展中舉足輕重，是全國城市區(qū)、工業(yè)區(qū)、港口區(qū)最密集的地區(qū)之一，也是繼珠江三角洲、長江三角洲之后的我國經(jīng)濟發(fā)展新的熱點區(qū)。“十一五”期間，隨著國際間生產(chǎn)要素優(yōu)化重組、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移加快和國家實施振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略的實施，為環(huán)渤海經(jīng)濟圈注入了強大的發(fā)展動力，同時也不可避免地對海洋生態(tài)環(huán)境帶來了前所未有的壓力。

渤海是目前我國海洋環(huán)境污染最為嚴(yán)重的區(qū)域之一。近年來的連續(xù)監(jiān)測結(jié)果顯示，進入21世紀(jì)以后，渤海環(huán)境污染仍未得到有效控制，污染海域面積仍然較大，輕度、中度和嚴(yán)重污染海域的總面積呈上升趨勢。5 a以來，渤海污染海域總面積在1.9～3.2萬km2之間波動，占渤海總面積的24%～41%，表明渤海水質(zhì)所受到的污染程度一直比較嚴(yán)重。其中，污染程度較重的海域面積逐年顯著增加，由2001年的3 380 km2增至2005年的10 900 km2，增幅達7 520 km2。陸源污染物排海仍然是造成渤海海域污染嚴(yán)重的主要原因。同時，渤海海域河口和海灣生態(tài)環(huán)境功能明顯退化，生態(tài)系統(tǒng)脆弱性增加。2004—2005年對渤海海域的雙臺子河口、灤河口-北戴河、渤海灣、萊州灣和黃河口等5個典型生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)查監(jiān)測結(jié)果表明，以上生態(tài)系統(tǒng)均處于亞健康和不健康狀態(tài)。另外，生態(tài)結(jié)構(gòu)退化的問題在整個渤海普遍存在，主要表現(xiàn)為淺海底棲動物小型化、潮間帶生物的棲息密度及生物量下降，魚類種類減少、經(jīng)濟種類優(yōu)勢度下降、魚類個體小型化、低齡化等生態(tài)結(jié)構(gòu)退化主要是由惡性采捕、濕地生境大量喪失、水環(huán)境基礎(chǔ)條件改變及污染等多種原因共同作用的結(jié)果，其主要原因是過度捕撈、濕地生境大量喪失、水環(huán)境基礎(chǔ)條件改變。2004年河北省海洋資源全面調(diào)查的結(jié)果顯示，渤海20 a來海洋生物群落結(jié)構(gòu)，尤其是潮間帶生物、底棲動物、游泳動物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，呈現(xiàn)出嚴(yán)重退化的趨勢[1-3]。因此，如何能夠及時有效地監(jiān)測到海洋環(huán)境的變化，并進行長期的數(shù)據(jù)積累和分析，對于海洋生產(chǎn)和海洋工程開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計原理

原有的水下監(jiān)測儀器一般長時間放置在水下，不可避免地會遭受海洋生物的附著和損壞，導(dǎo)致使用性能下降和壽命縮短。敏感元件表面發(fā)生的少量腐蝕和生物附著能夠使器件工作性能受到破壞，使整個儀器系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度和可靠性下降。在海洋附著生物生長旺盛時期和地區(qū)，不到半個月的時間，附著生物即能導(dǎo)致儀器失靈甚至完全失效。針對以上問題，設(shè)計了一種新的監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 海上連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

為了延長各種水下傳感器在海上的使用周期，減少海上設(shè)備的維護費用，不采用常規(guī)傳感器直接放在水中的探測方法，而是將水下傳感器安裝在水線以上適當(dāng)位置的一個專用測量容器內(nèi)。如圖1所示，在采集控制器的控制下，經(jīng)過蠕動泵將海水通過蠕動泵抽到測量容器內(nèi)部；在海水充滿容器后，啟動傳感器采集水質(zhì)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集完后，通過采集控制器將傳感器容器的排水閥打開，將容器內(nèi)的海水放出；在海水放光后，關(guān)閉容器電磁閥。然后打開消毒液容器的電磁閥，將消毒液注入測量容器中，對傳感器進行沖洗及浸泡；在下一個采樣周期啟動之前，通過采集控制器將廢液閥打開，將使用過的消毒液排到廢液箱內(nèi)，這就避免了將消毒液直接排放到大海，而對海洋環(huán)境造成污染。在排凈消毒液之后，打開裝有純凈水的容器的電磁閥，將純凈水注入測量容器中，對整個容器及傳感器沖洗浸泡之后，再打開排水閥，將其排空。到此一個沖洗循環(huán)結(jié)束。需要注意的是，因為PH傳感器不能暴露在空氣中，必須浸泡在氯化鉀溶液，那么再沖洗完畢后，需要打開裝有氯化鉀溶液的容器的電磁閥，將氯化鉀溶液注滿PH傳感器容器。在下一次采樣開始之前，要先將裝有PH傳感器容器內(nèi)的氯化鉀溶液排空，然后再注入海水進行測量。

通過這種方法，僅在測量之前才開始將傳感器浸泡在海水中，而采樣結(jié)束后傳感器進入清洗浸泡環(huán)境，可大大減少水質(zhì)傳感器在海水中的時間，從而也減少了海生物在傳感器上的生長時間；通過淡水和抑制海生物生長的溶液浸泡傳感器，還可將附著在傳感器上的海生物殺死，從而也清潔了傳感器的探頭，在一定程度上可有效地延長各類水下傳感器的使用周期。

3 設(shè)計實現(xiàn)

根據(jù)設(shè)計原理，本課題完成了了該系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中3個容器采用不銹鋼設(shè)計，分別盛放氯化鉀（KCL）溶液、消毒液、純凈水。氯化鉀溶液由于容器體積所限，且使用頻率很高，因此采用循環(huán)使用的方式進行利用。消毒液和清水的使用頻率低，可滿足長達1 a的使用需求。所有3個容器的液體需要每年更新一次。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計實物照片

在本項目中，傳感器分別采用漢米爾頓公司的溶解氧（DO）電極、電導(dǎo)率電極、PH電極。漢米爾頓電極工作穩(wěn)定可靠，其外觀如圖3所示，采用485接口和MODBUS通信協(xié)議與主控進行通信。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同的需要靈活搭配傳感器電極進行各種測量。

圖3 漢米爾頓電極

數(shù)據(jù)采集控制器采用美國CYGNAL公司的C8051系列單片機作為數(shù)據(jù)采集控制器的CPU。C8051單片機是工業(yè)級低功耗、高可靠性的單片機，它具有片內(nèi)flash，可以大大減少設(shè)計復(fù)雜度；具有兩路異步串行接口（UART），可以配置為232或者485接口模式，分別與傳感器和主控進行通信；具有豐富的接口和片內(nèi)資源，方便控制編程和邏輯控制。數(shù)據(jù)采集控制器同時具有電機、電泵的控制，由于電機和電泵的功率較大，因此采用光耦隔離的方式控制電機、電泵的上下電。數(shù)據(jù)采集控制器原理框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集控制器原理框圖

圖5 測量控制流程圖

4 控制流程和實驗結(jié)果

數(shù)據(jù)采集控制流程如圖5所示，它和主控采用串口通信方式，采集器啟動后等待主控的啟動命令，而后執(zhí)行測量流程。測量流程完成后等待數(shù)據(jù)上傳命令，而后根據(jù)相關(guān)通信協(xié)議上傳采集的數(shù)據(jù)，之后主控斷電，整個測試流程結(jié)束。在測量流程中，由于浮標(biāo)的晃動造成不同抽水時刻水管空出的長度的不同，而容器的容量比較小。為了能夠在合理誤差下抽取適量的采樣量，設(shè)計了海平面濾波算法來消除浮標(biāo)晃動造成的差異。通過近半年的運行，根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集的結(jié)果如圖6所示，為連續(xù)10 d同一時刻的數(shù)據(jù)。

圖6 數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計圖

5 結(jié)論

本文介紹了一種海洋環(huán)境連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，該系統(tǒng)采用海水抽樣的方法解決了水下設(shè)備長期工作的生物附著和污染問題，大大提高了系統(tǒng)的使用壽命。實驗結(jié)果表明，監(jiān)測儀器可以長期可靠地運行工作，維護次數(shù)大大減少，有效地減少系統(tǒng)維護所需的人力和物力，這對于海洋監(jiān)測領(lǐng)域具有重要的實踐意義。

[1]劉學(xué)海．渤海近岸水域環(huán)境污染狀況分析[J]．環(huán)境保護科學(xué)，2010，36(1)：14-18.

[2]王書明，周艷，李巖．渤海污染及其治理研究回顧[J]．中國海洋大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2009(4)：27-31.

[3]崔毅，陳碧娟，陳聚法．黃渤海海水養(yǎng)殖自身污染的評估[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2005，16(1)：180-185.

A New Type of Long-term Ocean Environment Monitoring System and Its Antifouling Device

DONG Da-sheng,LIU Hai-feng,ZHANG Guo-hua,ZHANG Shu-wei,FAN Xiu-tao,LI Min
(Shandong Academy of Sciences Institute of Oceanographic Instrumentation,Qingdao Shandong 266001,China)

A new design of long-term ocean environment monitoring system was introduced.The existing sensors are usually put in the sea directly.The biofouling would be serious within few months.The new design puts the sensor within the buoy and pumps the sea-water into the container to be sensed.After that,fresh water and disinfector are used to clean the sensor and container.Using the device,the biofouling is avoided and the sensor can be robust.This system can reduce maintenance and is very significant for ocean monitoring field.

ocean environment;monitoring;biofouling

P71

B

1003-2029（2012）01-0027-04

2011-08-15

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2007AA092103）

董大圣（1978-），副研究員，主要從事海洋傳感器研究。