海水懸浮物多通道原位自動采集與過濾系統(tǒng)設(shè)計

陳永華，姜 斌，劉慶奎，李曉龍，姜靜波，倪佐濤

(中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071)

1 引 言

海洋中懸浮顆粒物(suspended particles concentration，SPC)(包括浮游微生物和懸浮泥沙等)是沉積物的主要來源，而沉積物是許多痕量元素由表層水向底層水輸送的主要載體，在元素輸送、循環(huán)和去除中充當著重要角色，是元素的一種賦存形態(tài)[1]。水體表層懸浮顆粒物的量影響著水的透明度和真光層的厚度，從而影響浮游生物的光合作用和初級生產(chǎn)力[2]；懸浮顆粒物本身可作為微小生物的食物，而這些無機顆粒物和有機碎屑到達海底后成為底棲生物的主要食物來源[3]；地震或濁流能引起大量沉積物的懸浮，使底層水密度大大增加，并常常改變底層水的溫度和鹽度[4]。因而，懸浮顆粒物的精確觀測對研究海洋物質(zhì)輸運和水體要素特征具有重要意義。在近岸海域，懸浮顆粒物的沉積影響著海水水質(zhì)、生物群落和地球化學(xué)形態(tài)。

目前，懸浮顆粒物濃度的測量最根本的方式是通過現(xiàn)場獲取水樣，回實驗室后過濾分析；或基于光學(xué)、聲學(xué)、密度、介電常數(shù)等測量進行估計。因此，其測量方法主要分為兩類，即傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代方法。傳統(tǒng)方法是現(xiàn)場取水(三點或六點法)，然后對水樣進行過濾、稱重、計算懸浮顆粒物質(zhì)量濃度，這被認為是最準確的方法，但僅能得到某幾層深度、較大時間間隔的懸浮顆粒物數(shù)據(jù)，耗時長且耗費較大?，F(xiàn)代方法是利用光學(xué)、聲學(xué)、密度、介電常數(shù)等傳感器間接觀測懸浮顆粒物濃度，其特點是效率高，連續(xù)采集，可獲得具有較高時空分辨率的懸浮顆粒物信息，但其測量精度較低，而且這些間接觀測懸浮顆粒物濃度的方法，需要對所用設(shè)備定期進行校準，并受到適用測量深度的限制。因此，如何省時省力地實現(xiàn)多測點、全水深、多水層、長時次懸浮顆粒物濃度的測量，是目前迫切需要解決的問題。

海水原位過濾成為傳統(tǒng)的海水提升后到實驗室過濾方法的有益補充，但由于全是單通道測量，其優(yōu)勢在于大體積過濾(單次抽濾水量100L以上)，要實現(xiàn)大體積過濾而濾膜不被堵塞，要求水質(zhì)非常好，因此其主要用在深水海域[5]。國外海水原位過濾技術(shù)的研發(fā)較早，起始于20世紀80年代。美國伍茲霍爾海洋研究所較早開始海水直流泵和海水原位過濾技術(shù)研發(fā)，20世紀90年代德國基爾大學(xué)海洋學(xué)院也研制了工作深度達到4000m的懸浮顆粒物原位過濾裝置[6]，如圖1(a)所示；伍茲霍爾海洋研究所和Mclane公司合作開發(fā)了大體積水樣抽濾采樣系統(tǒng)(Large Volume Water Transfer System(WTS-LV))[7]，并形成了產(chǎn)品，如圖1(b)所示。

(a)德國基爾大學(xué)研制的懸浮顆粒物原位過濾裝置

(b)美國McLane公司研制的懸浮顆粒物原位過濾裝置圖1 懸浮顆粒物原位過濾裝置

WTS-LV是一款大容量水體原位微孔過濾采樣器，連續(xù)抽取水體，可讓水體通過過濾器支架內(nèi)的薄膜濾紙或吸附濾筒，收集水體中的懸浮和溶解性顆粒物質(zhì)，國內(nèi)外利用它開展了一系列取樣研究[8-11]。WTS-LV采樣器主要功能部件采用的是柱塞泵，其主體采用不銹鋼及鈦合金制成，最大可承受5500m水深壓力，可應(yīng)用于海洋、湖泊、河流、水庫等多種水體，進行浮游生物樣品、痕量金屬樣品、沉積物顆粒等采樣工作[12]。另外，基于開展研究的需要，有些用戶還在深海微生物取樣裝置上集成安裝了獲取采樣區(qū)域環(huán)境參數(shù)(CTD、熒光計、濁度計等)的傳感器[13]。

盡管WTS-LV已成為產(chǎn)品，但仍存在不足之處：過濾裝置密封方式不好，試驗完畢過濾裝置內(nèi)殘留水液，取拿濾膜時會沖刷濾膜上的殘留物，造成試驗誤差；過濾裝置的濾膜面積稍小，容易造成濾膜堵塞；流量計對水流的阻礙較大。因此，國外對使用該裝置的檢測結(jié)果準確性及誤差因素等進行了研究探討，如：關(guān)于深海表層原位過濾結(jié)果和實驗室過濾的比較[14]；針對特殊的應(yīng)用(海水中210Po和210Pb的檢測)，對檢測結(jié)果和誤差校正因子等進行了研究[15]；以及對此類裝置進行了比測，探究其結(jié)果的準確性[16]；還有比對方法與試驗誤差因素的研究[17，18]等。

國內(nèi)海水原位過濾技術(shù)研發(fā)始于近5年，由中國科學(xué)院海洋研究所發(fā)起，于2015年底完成深海微生物原位獲取原理樣機的研制，并成功完成深海試驗[19，20]。其主要功能部件-總成海水泵采用的是充油電機帶動的隔膜泵，主體采用鈦合金制成，如圖2所示。該系統(tǒng)工作水深可達4000m，進行3層分級過濾，測試深海海水過濾量為5L/min，可短時間內(nèi)完成高通量海水的原位取樣[21]。

圖2 中科院海洋所研制的深海微生物原位取樣裝置

綜上所述，目前懸浮顆粒物的獲取手段中，傳統(tǒng)的現(xiàn)場采水、實驗室過濾稱重的方法，費時費力且對于易分解物質(zhì)分析存在誤差；現(xiàn)代間接測量方法由于反演計算原理的問題，一直存在測量精度和適用范圍的缺陷。海水原位過濾技術(shù)已得到一定程度的發(fā)展，但目前主要應(yīng)用在深水海域，并且只有一套濾膜放置裝置，沒有分時選通的功能，通道單一，尚未實現(xiàn)連續(xù)多個時次的海水原位過濾，在近海原位過濾應(yīng)用中受限。因此，結(jié)合國內(nèi)外已有的研究經(jīng)驗，對海水原位過濾進行了更加深入系統(tǒng)的研究?；诤Ｋ畱腋☆w粒物分析研究需求，設(shè)計制作海水懸浮物多通道原位自動采樣及過濾系統(tǒng)。

2 海水原位分時次多通道過濾裝置設(shè)計

基于原理驗證，設(shè)計了具有11通道的海水原位取樣及過濾裝置。海水經(jīng)粗過濾后，由水下泵經(jīng)流量計后泵入組合閥體，中控裝置打開組合閥體的相應(yīng)通道，海水就會經(jīng)過其對應(yīng)的過濾器，實現(xiàn)海水原位采集與過濾。定時選通不同的閥體通道，就可以實現(xiàn)海水原位分時次多通道過濾，設(shè)計裝置的原理框圖如圖3所示。

圖3 海水原位分時次多通道過濾裝置設(shè)計框圖

2.1 水下泵設(shè)計

海洋水下泵是用來抽吸海水樣品、輸送過濾后的液體的動力部件。從能量觀點來說，它是一種轉(zhuǎn)換能量的機器，把原動機的機械能轉(zhuǎn)化為被輸送深海海水的能量，使海水的流速和壓力增加。這里需要解決深海電機的動密封問題，以及其在高壓下(1MPa以上)的動力性能和工作穩(wěn)定性等問題。

1.水密接插件；2.貫通桿；3.左端蓋；4.固定螺栓；5.O型圈；6.壓力緩沖管；7.壓盤；8.電機固定桿；9.密封筒；10.直流電機；11.填充油；12.右端蓋；13.油封；14.連接軸；15.泵頭圖4 海洋水下集成泵裝置設(shè)計圖

所設(shè)計的集成海洋水下泵(如圖4所示)包括密封裝置、直流電機、壓力緩沖裝置、連接軸、泵頭及海洋水下泵水密接插件等。該密封裝置包括海洋水下泵圓筒及密封連接于該海洋水下泵圓筒左右兩端的端蓋，兩端蓋分別通過海洋水下泵固定螺栓固接于海洋水下泵圓筒的左右兩端，并分別通過O型圈與海洋水下泵圓筒的左右兩端實現(xiàn)密封。在密封裝置內(nèi)灌裝有填充油，直流電機通過電機固定桿和定位銷容置于該密封裝置內(nèi)，軸端與海洋水下泵右端蓋的內(nèi)側(cè)抵接，尾端與深海左端蓋之間依次壓上壓墊及壓盤。壓力緩沖裝置包括兩個貫通桿和緩沖管等，貫通桿的一端通密封艙外側(cè)，另一端位于海洋水下泵左端蓋內(nèi)側(cè)，緩沖管浸于填充油中，兩端分別安裝于兩個貫通桿的艙內(nèi)端上。該緩沖管的內(nèi)部通過貫通桿與密封裝置的外部相連通，水下工作可保持密封裝置內(nèi)外具有相同的壓強。連接軸密封安裝在海洋水下泵右端蓋上，將直流電機的轉(zhuǎn)軸密封延伸到泵頭，從而實現(xiàn)水下泵水。

2.2 水下流量計設(shè)計

由于水下泵的流量不大，流量計選用每小時20～60L的小型精準流量計。由于應(yīng)用在水下，需要對其進行密封處理，設(shè)計耐水壓力為2MPa。流量計的輸出信號為脈沖，通過儀表系數(shù)K計算成流量值，再通過單片機對脈沖信號進行采集處理，并最終由中控裝置采集控制。

2.3 多通道選通裝置設(shè)計

此裝置設(shè)計為11通道，通道選通采用多電磁閥并聯(lián)裝置，共用進水口，出水由電磁閥選通，其電磁閥組設(shè)計如圖5所示。

圖5 多通道選通裝置設(shè)計圖

電磁閥設(shè)計耐壓2MPa，即在電磁閥進水端和出水端壓力不超過2MPa的情況下，電磁閥可以正常啟閉，比系統(tǒng)設(shè)計預(yù)留了1倍的壓力。同時，整個閥體需要密封放置在水下，需要對其進行密封處理。

2.4 過濾器設(shè)計

過濾器的設(shè)計，根據(jù)具體取樣量的多少、粒徑截取需求和濾樣豐度等，來決定濾層的結(jié)構(gòu)尺寸，并考慮濾膜孔徑和材質(zhì)的選取、濾膜防堵塞、濾液的轉(zhuǎn)移提取以及濾膜與深海泵的匹配等問題。所設(shè)計的過濾器如圖6所示。

1.進水口；2.上蓋；3.導(dǎo)流機構(gòu)；4.I級濾膜及支撐網(wǎng)；5.II級濾膜及支撐網(wǎng)；6.III級濾膜及支撐網(wǎng)；7.O型圈；8.拉緊機構(gòu)；9.流式擴散機構(gòu)；10.底托；11.出水口圖6 過濾器裝置設(shè)計圖

過濾裝置包括上蓋、導(dǎo)流機構(gòu)、拉緊機構(gòu)、流式擴散機構(gòu)、底托和多級濾膜及支撐網(wǎng)，該導(dǎo)流機構(gòu)和多級濾膜及支撐網(wǎng)位于上蓋與底托之間，通過拉緊機構(gòu)連接成一密閉的腔體，底托固定在安裝架上；設(shè)置了上下疊放的三級濾膜及支撐網(wǎng)，可以放置不同種類的濾膜(如5μm、1μm和0.22μm)。導(dǎo)流機構(gòu)的外圍為導(dǎo)流殼體，中間均勻開設(shè)有多個導(dǎo)流孔；三級濾膜及支撐網(wǎng)中的支撐網(wǎng)位于外圍，濾膜位于中間。導(dǎo)流殼體與上蓋之間、導(dǎo)流殼體與I級濾膜及支撐網(wǎng)之間、三級濾膜及支撐網(wǎng)中的支撐網(wǎng)之間、Ⅲ級濾膜及支撐網(wǎng)與底托之間均通過O型圈實現(xiàn)密封。在最下面一級的濾膜及支撐網(wǎng)(即Ⅲ級濾膜及支撐網(wǎng))的下方設(shè)有安裝在底托上的流式擴散機構(gòu)，該流式擴散機構(gòu)可為孔徑為50μm的過濾網(wǎng)。

2.5 中控裝置設(shè)計

中控裝置控制水下泵、流量計和組合閥等裝置的啟停，并讀取記錄流量和深度等參數(shù)。水下泵、流量計和組合閥等裝置的啟動依靠整個裝置下水前的時鐘設(shè)置，停止依靠下水前流量的設(shè)置。具體流程如圖7所示。

圖7 裝置控制流程圖

中控裝置通過實時時鐘定時啟動，啟動后設(shè)置開啟初始閥門號n為1，即第一次打開閥門1號，依次打開深度計、流量計、n號閥門和水下泵，然后實時監(jiān)控流量計是否達到預(yù)設(shè)流量。當流量達到預(yù)設(shè)流量后，依次關(guān)閉水下泵、閥門n、流量計和深度計，進行等待，到達預(yù)先設(shè)定的時間后，閥門號n增加1，再重新依次打開深度計、流量計、n號閥門和水下泵，然后實時監(jiān)控流量計是否達到預(yù)設(shè)流量。當流量達到預(yù)設(shè)流量后，依次關(guān)閉泵、閥門n、流量計和深度計，等待預(yù)先設(shè)定的時間，依此類推，直到閥門號n大于11，系統(tǒng)進入節(jié)電模式，等待下一次通過實時時鐘定時啟動。定時啟動的時間是每個小時中固定的分鐘數(shù)，系統(tǒng)布放前需要預(yù)先設(shè)置預(yù)設(shè)流量和等待時間。中控裝置硬件采用基于ARM11的1GHz的低功耗片上系統(tǒng)，外加一個可以提供定時啟動和實時時鐘的RTC芯片，通過片上系統(tǒng)的27個GPIO口控制繼電器來控制11個閥門和流量計、深度計的開關(guān)，通過片上系統(tǒng)的2個串口來與流量計和深度計進行通信。中控裝置工作狀態(tài)下功耗在1.5W左右，并可以提供低功耗模式，低功耗模式下功率為10-6W。

2.6 裝置集成

各部分完成后，配備電池和部件連接，制作密封艙體，對其進行封裝，并由支撐架體來搭載各功能部件的載體，要滿足如下基本條件：

(1)具有良好的搭載和擴充功能：根據(jù)不同的海水采樣要求，可能需要搭載不同的分級過濾裝置，這就要求支撐架體有一定的負載能力，同時擁有合適的功能部件安裝位置，通信供電接口具有通用性，且有足夠的數(shù)量等。

(2)保證傳感器的測量精度：由于支撐架體是在運動中實時測量海洋環(huán)境要素，要保證測量的準確度。除了傳感器自身具有較高的精度外，還要讓其和被測要素充分接觸，以便測量傳感器能夠快速實時準確地實現(xiàn)觀測要素的測量。

(3)具有耐腐蝕的特性：由于支撐架體要長時間(3個月以上)持續(xù)在海上工作，腐蝕防護措施是必不可少的，這需要從材料的選擇和防護方法上予以考慮。

(4)迎流阻力?。河捎谙到y(tǒng)可能會在大海流作用下工作，為了保證其具有良好的抗流能力和水中迎流阻力小等特性，要求其具有流線型結(jié)構(gòu)設(shè)計，最大限度地減小迎流面積。

3 海水綜合原位自動過濾系統(tǒng)設(shè)計

擬構(gòu)建一種多測點、多水層、多通道海水原位自動過濾方法，實現(xiàn)海水懸浮顆粒物的立體原位多時次獲取，避除傳統(tǒng)取樣過濾方法費時費力和現(xiàn)代測量方法反演誤差大與適用范圍小的缺陷，以簡約的方法實現(xiàn)海水懸浮顆粒物濃度的立體準確測量。

3.1 浮標式懸浮顆粒物多層原位過濾立體測量系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)分層立體觀測的需要，設(shè)計在浮標錨系上自海面到海底分層敷設(shè)多個(3個以上)原位過濾取樣裝置，結(jié)合潮位對懸浮顆粒物的影響，每個原位過濾取樣裝置具有多通道(比如11通道)，控制系統(tǒng)按時次分別選通一個通道進行懸浮顆粒物過濾，這樣可滿足多時次(如11時次)分別取樣需求。據(jù)此搭建浮標式懸浮顆粒物多層原位過濾立體測量系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8 懸浮顆粒物原位垂直立體過濾方案圖

浮標錨泊系統(tǒng)設(shè)計由海面浮球、錨泊纜、釋放器、鋼絲繩、錨定重塊和連接機構(gòu)等構(gòu)成，根據(jù)研究需要，在錨泊纜上分層敷設(shè)3個或3個以上懸浮顆粒物原位過濾裝置，而后回收試驗裝置，取出濾膜進行稱重等處理，獲取該站點多個時次的懸浮顆粒物濃度數(shù)值，從而實現(xiàn)在某觀測站點海水懸浮顆粒物的多層原位同步多時次測量。

3.2 綜合原位過濾立體測量設(shè)計

若合理布設(shè)多個觀測站點，則可實現(xiàn)某海域海水懸浮顆粒物的多站位、多層次、多時次的立體自動觀測，如圖9所示。

圖9 特定海域海水懸浮顆粒物濃度立體測量方案圖

如圖所示，在海陽市核電廠址周邊海域布設(shè)12個站位進行懸沙環(huán)境檢測，通過對核電廠工程海區(qū)多斷面的大、中、小潮全潮同步海水懸浮物測驗，可以初步分析山東海陽核電廠工程海域懸浮顆粒物時空分布特征和泥沙運動規(guī)律，為水文、水工和環(huán)保等有關(guān)專業(yè)及其冷卻水排放、泥沙沖淤等數(shù)學(xué)物理模型計算與試驗提供基本資料。

4 總 結(jié)

作為全新的海水懸浮顆粒物濃度多時次取樣方法，其準確性需要測定。后續(xù)在裝置研制完成的基礎(chǔ)上，將此原位過濾方法與最為準確的傳統(tǒng)方法進行比測，即在同一觀測站點進行海水懸浮顆粒物多層多時次原位過濾取樣的同時，進行相同水層同步多個時次現(xiàn)場取水，然后回實驗室后對水樣進行過濾、稱重、計算懸浮顆粒物質(zhì)量濃度；將原位過濾、稱重后計算的懸浮顆粒物濃度與傳統(tǒng)方法進行比對，檢測原位自動過濾水樣獲得懸浮顆粒物濃度的準確性。原位過濾方式作為傳統(tǒng)測量方法的有益補充，通過水中懸浮顆粒物特性測試試驗，分析原位過濾方式與實驗室測量結(jié)果之間差異的原由，以確定原位過濾方式的實用性。

同時，進行多種懸浮顆粒物觀測手段的比測試驗。在原位過濾裝置上安裝光學(xué)濁度儀，在觀測站點上布放聲學(xué)多普勒剖面流速儀(ADCP)潛標，每個取樣點次同步下放激光粒度儀(LISST)。除了較為準確的過濾方法外，同步實現(xiàn)光學(xué)、聲學(xué)等多方式懸浮顆粒物濃度測量，綜合比較多方式懸浮顆粒物濃度測量性能。針對光、聲間接測量手段的缺陷，分析間接測量方式的校正方法，以實現(xiàn)海水懸浮顆粒物的多方案測量與比較，評價各種懸浮顆粒物測量方法的優(yōu)劣。