水質浮標在赤潮快速監測預警中的應用研究＊

李忠強，王傳旭，卜志國，姜希波，曲 亮

（1.青島科技大學 青島 266061；2.國家海洋局北海環境監測中心 青島 266033；3.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室 青島 266033）

水質浮標在赤潮快速監測預警中的應用研究＊

李忠強1，2，3，王傳旭1，卜志國2，3，姜希波2，3，曲 亮2，3

（1.青島科技大學 青島 266061；2.國家海洋局北海環境監測中心 青島 266033；3.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室 青島 266033）

水質浮標監測作為一種在線監測技術，在海洋環境監測中具有重要作用。文章研究和探討了浮標在線監測系統的組成和建設，介紹了水質浮標在“863”項目“赤潮重點監控區監控預警系統”和青島奧帆賽場的實際應用情況，水質浮標在赤潮快速監測預警方面發揮了較好的作用，可進一步推廣應用。

水質浮標；在線監測；快速監測預警

1 概況

1.1 赤潮監測預警技術概況

目前我國赤潮的監測主要依靠常規船舶監測，同時輔助航空和衛星遙感監測。常規船舶監測主要是現場人工取樣、實驗室分析，常規船舶既可以獲取理化（水溫、pH值、鹽度、溶解氧、磷酸鹽、硝酸鹽、葉綠素、微量金屬鐵和錳等）、氣象（風速、風向、氣溫和氣壓）和海況（風浪和潮汐等）等各種環境因子監測數據，亦可以獲得赤潮生物監測，還可以進行赤潮毒素分析。赤潮預警預報可利用常規船舶監測數據，分析赤潮影響因子的變化和異常狀況，以進行赤潮的預警預報。

遙感監測主要是利用衛星遙感、航空遙感監測獲取遙感影像數據，然后進行遙感影像解譯，提取赤潮的相關信息。通過對衛星數據的處理提取監測海域的衛星圖像，同時提取海上試驗同步參數，包括：海表溫度SST、海表溫度梯度、NDVI、浮游植物細胞密度和葉綠素a等。航空遙感數據主要是獲得赤潮高光譜數據、微波輻射計數據、可見攝錄像照相數據及赤潮的分布范圍等。

海洋資料浮標是世界各國海洋環境監測與海洋災害預報的主要手段之一，它具有全天候、長期連續、定點進行監測的特點，是其他海洋監測手段無法替代的［1］。我國經過不斷的研究與提高，海洋監測浮標技術不斷發展，浮標在線監測技術逐漸應用于海洋環境監測中，為海洋災害預警預報提供在線連續監測數據。

1.2 浮標在線監測技術發展概況

20世紀90年代以來，國外海洋水質自動監測系統發展迅速，逐漸從試驗、試用階段進入準業務運行階段。這些水質自動監測系統多數以水質監測浮標的形式出現，少數以岸基水質監測站的形式出現［2］。水質浮標監測系統實現了海洋水質的在線、連續自動監測，為赤潮的快速監測預警提供了基礎和技術支持。

我國也積極加強浮標在線監測技術的研究，把生態水質浮標的研制列入“十五”“863”計劃，并開展了生態水質浮標監測在赤潮快速監測預警方面的應用研究。生態水質浮標在赤潮監測預警中可提供實時、連續監測數據，進行浮標數據的分析，獲取赤潮影響因子的變化和異常狀況，以此進行赤潮的預警預測。浮標在線監測系統可以實現赤潮的快速、自動、連續在線監測，是赤潮監測預警中較好的有效監測手段［3］。

2 水質浮標在線監測系統構成

2.1 浮標組成結構

水質浮標的主體主要由浮標體、水質參數傳感器、供電系統、數據采集系統、GPS定位系統和數據傳輸系統等組成，水質浮標集成了傳感器技術、計算機技術、數據采集處理技術、通信技術以及定位技術等高新技術。浮標體主要提供各子系統的搭載平臺，保障系統的正常運行；水質參數傳感器是浮標監測系統的核心，主要是利用傳感器技術進行水質參數指標的測定，獲取水質參數數據；供電系統主要為浮標監測系統的電子儀器進行供電，保障儀器的正常運行，目前浮標電源系統主要是用太陽能板給蓄電池補充能源；數據采集系統主要集中采集和存儲各水質參數傳感器測定的數據；GPS定位系統實現浮標位置信息的獲取和浮標的遠程監控；數據傳輸系統主要實現數據的定時自動發送［4］。

2.2 浮標工作模式

水質浮標工作模式一般是采用間歇式工作方式，用戶根據需要設定工作時間或者間隔時間。休眠工作時段傳感器、數據采集和數據發射系統等部分斷電休眠，只有值班電路工作；休眠結束時，系統給傳感器進行供電初始化，進入工作時段，水質傳感器進行水質參數監測，數據采集系統進行數據采集和存儲，數據傳輸系統定時把數據發送出去后，系統斷電進入休眠時段。

2.3 浮標數據傳輸系統

浮標數據傳輸的實時性要求較高，一般延時小于1min；浮標監測系統一般布設于遠離陸地的近岸海域，因此浮標的數據傳輸系統主要采用無線通信方式，目前應用較多的通信方式有：GSM、CDMA和GPRS通信方式、Inmarsat C通信方式［5］。

GSM、CDMA和GPRS通信方式，主要是利用移動通信公司的移動通信網絡，數據以SMS短信息的方式進行發送。此方式靈活，性能可靠，成本較低，實時性較好，不受時間限制可連續工作。但該方式受移動通信網絡覆蓋范圍的限制，只適合移動通信網絡覆蓋范圍之內的近岸海域，使用范圍受限［5］。

Inmarsat C通信方式主要是利用國家海事衛星組織管理的Inmarsat系統提供的全球海事衛星通信系統，采用信息存儲轉發的方式進行通信。此方式覆蓋范圍廣（覆蓋了世界大部分海洋），實用性強，穩定性和可靠性高，實時性好，設備較小，但通信成本較高。

3 浮標監測在赤潮監測預警的應用

赤潮暴發前往往會出現一些前兆，如水質參數指標（pH值、溶解氧、葉綠素a等）異常變化，因此可以分析相應的水質參數指標，判斷是否出現異常現象，據此進行赤潮的發生情況的判斷，進行預警預報［6］。

國內外專家研究表明，赤潮在暴發和形成中溶解氧、pH值、葉綠素和濁度等會出現異常變化。在赤潮暴發前，隨著浮游藻類的增多，溶解氧往往會突變為高于正常平均值，赤潮形成后浮游生物會大量消耗溶解氧致使溶解氧迅速下降；正常海水的pH值一般在7～8之間，但在赤潮暴發伊始，水中增多的游離氧和溶解氧與氫離子結合成水分子，碳酸氫根作為碳源和其他營養鹽一起被藻類生物所消耗，成為快速繁殖藻類的含碳化合物及其他化合物，水中的酸度就會下降［2］，致使pH值上升；赤潮發生和形成之后，其結果表現為有害藻類暴發性繁殖（亦稱水華現象），它們具有多種色素，葉綠素是最重要的色素，因此赤潮發生時由于藻類的聚集和漂移致使葉綠素出現較大波動現象；這些異常變化現象都可作為赤潮暴發的重要依據［7］。

目前水質浮標監測的主要項目有：水溫、pH值、溶解氧、葉綠素a、濁度、鹽度、深度以及電源電壓和電導率等。水質監測浮標可實時獲取監測海域的水質參數指標，因此水質浮標監測數據的實時分析結果可作為赤潮預警預報的重要依據。浮標監測數據的分析可利用專門數據分析軟件進行分析，也可以開發浮標監測數據處理分析應用系統，集浮標監測數據接收、處理、分析于一體，同時可監控浮標運行狀況。

4 應用實例

4.1 國家“863計劃”課題“赤潮重點監控區監控預警系統”

“赤潮重點監控區監控預警系統”是在渤海灣赤潮監控區建立了一個由浮標定點監測、船載快速監測、航空遙感監測、衛星遙感監測構成的赤潮監控預警系統，研究了赤潮預警技術，對赤潮監控區進行預警，開展了赤潮監測預警試運行。項目建立了赤潮監測預警系統，可實現浮標數據實時接收、數據查詢和數據分析。

分析人員利用赤潮監測預警系統分析2006年8月初的浮標在線監測數據時發現，溶解氧出現增加的趨勢，出現了pH值增加、葉綠素有較大波動的異常現象，分析人員再分析船載快速監測數據，發現浮游生物量出現突增的異常現象，尤其是夜光藻。分析人員判斷赤潮暴發的可能性極大，發布了赤潮預警。果然在8月7日出現赤潮，8—9日到達高潮，10—11日赤潮開始消亡。

4.2 青島奧帆賽場“赤潮監測預警系統”

2008年奧帆賽在青島舉行，為了避免赤潮的發生造成影響，國家海洋局開展了赤潮監測預警技術研究，在青島奧帆賽場建立了以船載監測、浮標監測、遙感監測組成的赤潮監測預警系統，開展赤潮監測、數據在線分析，進行赤潮預警預報，防治赤潮的暴發。

2008年8月上旬，赤潮分析人員在利用赤潮預警系統分析浮標在線監測數據時，發現溶解氧、葉綠素、pH值出現異常波動。溶解氧先是突增，然后有突然降低；葉綠素也出現突增現象，波動加大；pH值則由7～8變至8以上，水的酸度下降。

赤潮分析人員同時對常規現場監測數據進行分析，營養鹽也出現增加的趨勢，浮游植物密度也出現突增的異常波動。赤潮分析人員分析海水富營養化程度，發現2008年7月底至8月初比賽海區海水水質富營養化程度較高，超過富營養化閾值指標。分析人員結合赤潮預警模型進行計算預測，發現赤潮發生的可能性較大，于是發布了赤潮預警預報，啟動了赤潮應急系統，緊急進行赤潮消除和防治。

5 結論

赤潮是全球性的海洋災害之一，赤潮的預報預警一直是研究的熱點，赤潮的預報預警的關鍵是能夠及時獲取監測數據，分析監測數據，開展赤潮的預警預報。浮標監測可獲取實時、連續的監測數據，利于監測海域的環境質量狀況趨勢性分析，可實現監測海域的遠程在線實時監控，為赤潮的預警預報提供可靠在線連續監測數據。浮標監測在赤潮快速監測預警中將發揮重要作用，發展前景較好，可進一步開展赤潮的浮標在線監測技術研究工作，發揮浮標監測的作用。

［1］ 王軍成 .國內外海洋資料浮標技術現狀與發展［J］.海洋技術，1998，17（1）：11－13.

［2］ 葉麗娜 .赤潮監測預警體系的建設［J］.廈門科技，2007（3）：44－46.

［3］ 山東儀器儀表研究所 .十一五國家高技術研究發展計劃（863計劃）課題《定點連續監測系統實施方案》［R］.2008.

［4］ 陳芙蓉 .生態水質監測浮標在赤潮監測中應用［C］∥高振會，趙冬至，崔文林 .赤潮重點監控區監控預警系統論文集 .北京：海洋出版社，2008：159－162.

［5］ 李忠強 .赤潮監測數據的傳輸網絡設計［C］∥高振會，趙冬至，崔文林 .赤潮重點監控區監控預警系統論文集 .北京：海洋出版社，2008：78－80.

［6］ 黃小平，黃良民，譚燁輝，等 .近海赤潮發生與環境條件之間的關系［J］.海洋環境科學，2002，21（4）：64－66.

［7］ 曾江寧，曾淦寧，黃韋艮，等 .赤潮影響因素研究進展［J］.東海海洋，2004，22（2）：41－43.

赤潮重點監控區監控預警系統（2005AA635200）.