基于海洋生態文明及綠色發展的海洋環境實時監測

趙聰蛟，趙斌，周燕

(1.浙江省海洋監測預報中心 杭州 310007； 2.復旦大學生物多樣性與生態工程教育部重點實驗室 上海 200438；3.浙江省水產技術推廣總站 杭州 310012； 4.浙江省海洋科學院 杭州 310012)

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基于海洋生態文明及綠色發展的海洋環境實時監測

趙聰蛟1,2，趙斌2，周燕3,4

(1.浙江省海洋監測預報中心 杭州 310007； 2.復旦大學生物多樣性與生態工程教育部重點實驗室 上海 200438；3.浙江省水產技術推廣總站 杭州 310012； 4.浙江省海洋科學院 杭州 310012)

隨著海洋強國戰略的全面實施，海洋生態文明建設作為生態文明建設的重要組成部分已經上升為國家戰略，綠色發展強調轉變傳統海洋經濟發展方式，注重海洋資源保護和生態環境修復治理，是實現經濟、社會、資源、環境協調發展的新型發展模式。海洋環境監測是認知海洋環境現狀、保障海洋生態文明建設和海洋經濟綠色發展的重要技術手段。文章論述了海洋生態文明和綠色發展的內涵，給出了海洋生態文明示范區(試驗區)和海洋生態紅線區兩大海洋生態文明建設載體，重點論述了當前以海洋水質浮標、海洋水文氣象浮標、波浪浮標、潮位站(驗潮井)、高頻地波雷達、Argo浮標等為主的海洋環境在線監測和海洋遙感監測技術手段。從構建“岸-海-島”“天空-海面-海底”“點-線-面-層”立體化、全方位、實時監測系統，推進在線監測關鍵技術攻關及配套服務建設等方面進行了展望。

海洋生態文明；綠色發展；在線監測；海洋浮標；海洋遙感

1 引言

我國沿海海域面積只占全國陸域總面積的13%，但卻貢獻了60%的GDP[1]。海洋通過海水養殖、漁業捕撈、港口航運、濱海旅游、石油礦藏、潮汐風電、海洋藥物等多種方式為我國的經濟社會發展做出了巨大貢獻。然而隨著經濟的快速發展，沿海自然岸線、濱海灘涂濕地不斷減少[1]，紅樹林、珊瑚礁面積大幅減少[2]，海洋生態環境污染狀況日趨嚴重，海水富營養化不斷加劇，褐潮、綠潮、赤潮等海洋生態災害頻發，遷徙水鳥及海洋生物多樣性面臨嚴重威脅。十八大把“生態文明建設”納入中國特色社會主義事業“五位一體”的總布局，指出要“保護海洋生態環境”“建設海洋強國”。海洋生態文明是生態文明的重要組成部分，也是建設海洋強國的重要意識保障。海洋經濟又被稱為“藍色經濟”，是以健康的海洋向人類提供可持續的物資和服務。要保持海洋的健康，就要走低能耗、低排放、少污染、可持續的綠色發展之路。綠色發展是十八屆五中全會提出的指導我國“十三五”時期發展甚至是更為長遠發展的新型發展模式。海洋經濟的綠色發展是建立在關心海洋、認知海洋的基礎之上的，海洋環境監測是認知海洋的重要技術手段。隨著海洋強國戰略的全面實施，海洋生態文明建設和綠色發展模式的深入推進，“水清、岸綠、灘凈、灣美、島麗”的健康美麗海洋建設目標，需要進一步細化落實到海洋生態環境監測網絡布局[3]，需要不斷拓展包括在線監測在內的海洋生態環境監測業務體系。

2 海洋生態文明

2.1 海洋生態文明的內涵

2.2 海洋生態文明建設的載體

海洋生態文明建設主要包括海洋生態意識、行為、道德、制度和海洋生態產業文明等方面[10]。可以通過海洋自然保護區、海洋特別保護區、海洋公園、海洋風景名勝區、海洋生態文明示范區、海洋生態紅線區、海洋牧場示范區七大載體來開展海洋生態文明建設研究。本研究只對海洋生態文明示范區和海洋生態紅線區兩大載體進行介紹。

2.2.1 海洋生態文明示范區(試驗區)

示范區即先行先試、引領示范。2012年2月國家海洋局下發了《關于開展“海洋生態文明示范區”建設工作的意見》，推動海洋生態文明建設進入一個新階段。2013年2月和2015年12月，國家海洋局公布了兩批24個國家級海洋生態文明建設示范區名單[11]。

2016年8月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《關于設立統一規范的國家生態文明試驗區的意見》和《國家生態文明試驗區(福建)實施方案》指出目前僅在福建、江西、貴州3省開展試驗區試點，并且下發了福建方案。通過實驗探索，到2020年，試驗區率先建成較為完善的生態文明制度體系，形成一批可在全國復制推廣的重大制度成果，資源利用水平大幅提高，生態環境質量持續改善，發展質量和效益明顯提升，實現經濟社會發展和生態環境保護雙贏，形成人與自然和諧發展的現代化建設新格局。

2.2.2 海洋生態紅線區

熔化燃燒系統設備包括豎爐、保溫爐、上下溜槽、撇渣槽及中間包(如圖1)。SCR4500連鑄連軋生產線熔化燃燒系統是以天然氣為燃料，采用預混型燃燒系統，由鼓風機向此系統輸送助燃空氣，混合成適當比例的空氣與燃料，通過系統各設備上燃燒噴槍噴入，實現銅原料的熔化處理及保溫作用，使銅液達到澆鑄要求。其系統由燃料及助燃空氣系統、混合燃燒系統、CO 分析儀系統、PLC可編程控制器系統組成。

海洋生態紅線是生態紅線的重要組成部分，目前其研究尚處于起步階段，國內相關報道僅見于海洋生態紅線的概念及其組成體系研究[12]。例如，黃偉等[2]以海南省為例，研究了海洋生態紅線區劃，并給出了海洋生態紅線區的概念：是指依據海洋自然屬性以及資源、環境特點，劃定對維護國家和區域生態安全及經濟社會可持續發展具有關鍵作用的重要海洋生態功能區、海洋生態敏感區和脆弱區并實施嚴格保護，旨在為區域海洋生態保護與生態建設、優化區域開發與產業布局提供合理邊界，實現人口、經濟、資源、環境協調發展的海洋管理制度。許妍等[13]從“生態功能重要性、生態環境敏感性、環境災害危險性”3個方面建立了渤海生態紅線劃定指標體系。曾江寧等[12]對中國海洋保護區進行了系統研究，指出了從海洋保護區走向海洋生態紅線區的必然性，同時認為海洋生態紅線區劃指標體系可以參照海洋保護區績效評估、保護區選劃與評估指標。

3 海洋經濟綠色發展

海洋經濟是開發利用海洋的各類海洋產業及相關經濟活動的總和，它的發展是一個不斷向前的過程，這個過程以獲取經濟利益、滿足人類各項需求為目的，其必然伴隨著對海洋資源的開發利用、對海洋生態環境的污染破壞。綠色發展是建立在環境容量和資源承載力約束條件的基礎上，將生態環境保護作為實現可持續發展重要支柱的一種新型發展模式[14]，強調發展要低能耗、低排放、少污染、可持續。海洋經濟綠色發展就是在獲取經濟利益的同時，兼顧海洋資源的開發利用與海洋生態環境的保護，在開發中保護，在保護中開發，保護是為了更好的開發，最終實現資源、環境、經濟、社會協調發展。2012 年6 月，聯合國可持續發展大會提出以發展綠色經濟為主題，明確了全球經濟向綠色轉型的發展方向，由此綠色經濟和綠色發展成為全球廣泛共識[15]。近年來，江蘇、浙江、福建、廣東等省在海洋經濟綠色發展方面進行了一定的探索，相關報道見諸于綠色發展的內涵、發展模式、政策制度、指標體系、存在問題及對策建議等方面[14,16-18]。長期以來，為了實現經濟利益的最大化，海洋經濟的發展很大程度上屬于高消耗、高污染的粗放型發展模式，由此造成了漁業資源的大幅減少和海洋生態環境的嚴重破壞。實施綠色發展必須強調海洋漁業經濟轉型升級和海洋生態修復治理。

3.1 海洋漁業經濟轉型升級

傳統的海洋漁業以海水養殖和捕撈為主。海水養殖主要集中在近岸和海島周邊海域，有圍塘養殖、筏式養殖、網箱(魚排)養殖等方式。圈灘圍塘養殖對沿海灘涂的自然岸線造成了很大破壞，筏式和網箱養殖中的不合理投餌和用藥對海洋環境造成污染，是水體富營養化的主要因素之一[19]。漁業捕撈以近海捕撈為主，存在違規捕撈、過度捕撈、采用資源破壞型漁具進行違法捕撈以及對“三無”漁船治理難度大等問題。走海洋經濟綠色發展之路，必須實施海洋漁業經濟轉型升級，由近岸養殖向深海遠海養殖轉變，由近海捕撈向遠海遠洋捕撈轉變，提高科技含量在養殖、捕撈中的比重，發展環境友好型海水養殖模式，發展遠洋捕撈裝備、冷凍、海產品加工、物流、漁船補給等關鍵技術[20]；實施增殖放流、用海養海、耕海牧漁，積極發展海洋牧場；倡導漁民轉產轉業，開發濱海、海島生態旅游，開辦漁家樂。

3.2 海洋生態修復治理

健康的海洋生態環境是實施海洋經濟綠色發展的基礎和保障。2015年6月國家海洋局印發的《國家海洋局海洋生態文明建設實施方案》(2015-2020年)中指出要“加強海洋生態保護與修復，體現生態保護與修復整治并重，既注重加強海洋生物多樣性保護，又注重實施生態修復重大工程”，以“藍色海灣”“銀色海灘”“南紅北柳”“生態海島”為載體開展海洋生態環境治理修復。“藍色海灣”綜合治理工程著重利用污染防治、生態修復等多種手段改善污染嚴重的重點海灣和沿海城市毗鄰重點小海灣的生態環境質量。“銀色海灘”岸灘修復工程主要通過人工補砂、植被固沙、退養還灘(濕)等手段，修復受損岸灘，打造公眾親水岸線。“南紅北柳”濕地修復工程計劃通過在南方種植紅樹林，在北方種植檉柳、蘆葦、堿蓬，有效恢復濱海濕地生態系統。“生態海島”保護修復工程將采取制定海島保護名錄、實施物種登記、開展整治修復等手段保護修復海島。

4 海洋環境實時監測

海洋生態文明建設作為海洋經濟發展的一種新的認知理念和意識提升已經上升為國家戰略，綠色發展強調轉變傳統海洋經濟發展方式，注重海洋資源保護和生態環境修復治理，是實現經濟、社會、資源、環境協調發展、可持續發展的新型發展模式。海洋環境監測是認知海洋環境現狀、保障海洋生態文明建設和海洋經濟綠色發展的重要技術手段。

4.1 在線監測

海洋環境監測是海洋經濟發展、海洋資源開發利用和海洋生態環境保護的重要技術保障。傳統的海洋監測以網格化布點、船舶走航式監測為主，已經難以滿足現代海洋發展的需要。區別于依靠船舶外出定點采樣、帶回陸上實驗室進行分析測定的離線監測，在線監測是指監測載體(如，浮標)在遠程指令控制下自動開展現場采樣、現場分析測定，測定結果直接傳輸至岸站接收平臺的一種自動化監測方式；在線監測具有自動、長期、連續、實時收集海洋環境資料的能力，且不受惡劣海況的影響。我國的海洋浮標在線監測研究起步于20世紀60年代，但直到1996年完成了FZF2-2型海洋資料浮標的技術改造，成功應用了Inmarsat-C衛星通信，才實現了浮標監測數據的實時在線傳輸[21]。2002 年初我國正式加入國際Argo 計劃，并成立中國Argo 實時資料中心，承擔中國Argo浮標的布放、實時資料的接收和處理、資料質量控制技術/方法的研究與開發等[22]。自2004年起，廈門市海洋與漁業環境監測站在廈門附近海域陸續投放了5 臺海洋水質在線監測浮標，成為國內首批由海洋部門建設的在線監測系統。2006年，羅續業等[23]提出了區域性海洋環境立體監測系統的設計原則和設計方法。近年來，山東、廣西、海南、浙江、廣東、河北等地先后開展了近岸海域水質浮標在線監測系統建設。海洋水質浮標、海洋水文氣象浮標、波浪浮標、潮位站(驗潮井)、高頻地波雷達和Argo浮標等構成了當前海洋環境在線監測的主體，此外，還有潛標、無人船、波浪滑翔器等輔助及新興在線監測手段。

4.1.1 海洋水質浮標

由浮標體及傳感器、供電及防護系統、通信系統、錨系和接收站等部分組成，監測要素包括水溫、水深、鹽度、電導率、pH值、溶解氧及其飽和度、葉綠素、濁度、磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、碳氫化合物等，可自動完成數據實時采集、處理、存儲及傳輸。浮標上還可以加載風向、風速、氣溫、氣壓、濕度、降水、光照度、紫外線等常規氣象參數。浙江省自于2011年正式啟動“浙江省近岸海域浮標實時監測系統建設”項目，計劃在5年內基本建成能覆蓋浙江省近岸海域海水增養殖區、海洋保護區、赤潮高發區、濱海旅游區以及海洋生態敏感區等區域的海洋水質浮標在線監測系統，以獲取常規水文、氣象、水質(含營養鹽)、海洋生物(葉綠素a)以及油類等參數數據，為海洋生態環境保護和防災減災提供決策支撐，為社會公眾提供海洋生態環境狀況實時信息服務，為節能減排提供環境基礎資料[24]。截至2015年12月全省(含寧波市)已完成17套海洋水質浮標系統建設，并實現了所有浮標監測參數的在線監測、實時傳輸、接收、存儲和顯示[24]；預計至2016年12月將完成全部計劃中的18套海洋水質浮標系統建設。

4.1.2 海洋水文氣象浮標、波浪浮標、潮位站(驗潮井)和高頻地波雷達

海洋水文氣象浮標通常是指直徑大于或等于10 m，能夠全天候、連續、自動采集和傳輸海上水文氣象資料的圓盤形浮標，由浮體、各類傳感器、通信、錨系和岸站接收裝置組成。主要觀測海洋水文氣象和水動力參數，包括:風速、風向、氣溫、氣壓、降水、濕度、能見度、水溫、鹽度、葉綠素、濁度、波浪和海流等。

波浪浮標是專用于對海面波浪的高度、波浪周期及波浪傳播方向等要素進行自動觀測的小型浮標，直徑通常在1 m以下。

潮位站(驗潮井)由驗潮儀、井外水尺、井內水尺系統、基本水準點、校核水準點和測站潮高基準面(水尺零點)等組成[25]，主要用于海水潮位觀測，潮位觀測數據是警戒潮位劃定和防災減災的重要技術支撐數據。

高頻地波雷達(HFGWR)，即高頻表面波雷達(HF surface wave radar)，是一類利用短波(3～30 MHz)電磁波沿海面繞射傳播特性而工作的雷達。主要由天線和饋線、發射分機、信號分機和終端分機4個部分組成，利用垂直極化的高頻電磁波沿導電海水表面的繞射傳播時能量衰減較小的特性，實現對海洋環境狀態和海上移動目標超視距的監測與探測定位[26-27]，能夠探測到300 km外的目標。高頻地波雷達常成對使用(如，浙江舟山的朱家尖、嵊山兩站和福建的龍海、東山兩站)，可以全天候超視距監測海洋環境(風、浪、流)和海上移動目標(艦、船)。

以上兩類浮標、潮位站(驗潮井)和高頻地波雷達主要由國家海洋局負責建設和管理，分布于北海、東海和南海三大海區。據調查，水文氣象浮標、波浪浮標、潮位站(驗潮井)、地波雷達等在浙江管轄海域均有投放和建設，可實現間隔1 h的數據采集傳輸，監測數據可用于海洋環境預報、防災減災(如臺風、海嘯預警報)、海上交通、海洋工程、海洋調查及海洋環境污染監測等。沿海風暴潮監測主要靠沿岸的驗潮井進行，連續長期和準確的潮位資料對提高風暴潮預報起到了極其重要的作用。高頻地波雷達對海流的探測已達到常規業務化觀測水平，但對海浪、風參數的探測還有待突破[26-27]。

4.1.3 Argo浮標

Argo 剖面浮標又稱自持式剖面自動循環探測儀，是一種對海洋次表層溫度、鹽度進行剖面測量的循環探測浮標。布放后會自動潛入2 000 m 深處，隨海流保持中性漂浮，到達預定時間后自動上浮，在攀升過程進行溫度、鹽度剖面測量；到達水面后會再次下潛，進行下一個攀升循環測量。Argo 浮標主要應用于ARGO(array for real-time geostrophic oceanography)全球海洋觀測試驗項目，計劃在全球海洋中每隔3 個經緯度投放一個浮標，總共約為3 000 個，每年可提供10 萬個溫度/鹽度(T/S)剖面和參考層速度[28]，主要采用Argos 衛星系統進行浮標定位和數據傳輸。目的在于快速、準確、大范圍收集全球海洋上層的海水溫度、鹽度剖面資料，以提高氣候預報的精度和有效防御全球日益嚴重的氣候災害。2002 年初我國正式加入國際Argo 計劃，截至2015年年底，我國Argo 計劃已在太平洋、印度洋和地中海等海域布放了353 個剖面浮標，已獲取累計38 000 余條溫度、鹽度剖面資料[29]。Argo 浮標資料已經在臺風、風暴潮、海洋環流、中尺度渦、湍流、海水熱鹽儲量與輸送、大洋水團以及海洋天氣/氣候業務化預測預報等方面發揮了巨大作用。

4.2 海洋遙感監測

遙感即遙遠感知，是在不直接接觸的情況下，對目標或自然現象遠距離探測和感知的一種技術，通常利用電磁波獲取物體的信息[30]。常用的遙感監測有航空遙感和航天遙感。航空遙感主要利用飛機(載人機/無人機)、熱氣球、飛艇等搭載特定傳感器開展有目的的監測。航天遙感主要是利用航空飛機、衛星等搭載一定數量的傳感器開展短期或長期監測。目前用于海洋遙感的國產衛星主要有“風云”系列氣象衛星(FY-1、FY-2、FY-3)和海洋系列衛星(HY-1、HY-2、HY-3)。FY系列衛星在海洋領域主要應用于海洋天氣預報和臺風、海嘯、風暴潮等海洋災害的監測、預報預警。HY系列衛星目前在軌運行的有HY-1B、HY-2A和HY-3高分衛星。HY-1B為海洋水色衛星，于2007年4月11日發射，目前已經在軌運行超過7年，以可見光、紅外探測水色水溫為主，重點滿足赤潮、漁場、海冰和海溫的監測和預測預報需求。HY-2A為海洋動力環境衛星，于2011年8月16日發射，目前在軌運行，以主動微波探測全天候獲取海面風場、海面高度和海溫為主，滿足海洋資源探測、海洋動力環境預報、海洋災害預警報和國家安全保障系統的需求。HY-3為海洋監視監測衛星，于2016年8月10日發射成功，是我國首顆C頻段全極化合成孔徑雷達(SAR)衛星，具有全天時、全天候對地觀測能力，分辨力可達1 m，以探測海面目標為主，滿足海洋環境監測、海洋目標監視、海域使用管理、海洋權益維護和防災減災等多方面全天時、全天候、近實時監視監測需求。

5 展望

立足“十三五”海洋環保和海洋生態文明建設需要，推進海洋環境監測由走航監測為主向走航監測與實時立體監測相結合的轉變，提升在線、遙感等技術在業務化監測中的運用[3]。

(1)以物聯網技術整合現有在線監測和遙感監測系統，推進岸(島)海天(空)全方位立體化實時監測觀測網絡建設。為切實落實海洋生態文明建設，推動綠色發展，未來可以：以岸(島)基、海基、天(空)基組網監測為基礎，構建國家海洋環境實時在線監控系統。岸(島)基在線監測系統，在沿岸、海島建設高頻地波雷達站，開展海面風、浪、流等海洋動力監測觀測；在陸源入海排污口、江河入海口、海島入海排污口、重點港灣、碼頭附近區域建設岸基站(房)、潮位站(驗潮井)，開展海洋環境污染狀況在線監測和潮位監測。海基在線監測系統，在近岸/近海濱海旅游區、海水增養殖區、海洋保護區、赤潮高發區、重大海洋工程區等海洋生態敏感區建設樁基站、魚排站、水質浮標、波浪浮標、水文氣象浮標，在遠海海域建設波浪浮標、水文氣象浮標、大型海洋綜合觀測平臺，結合海洋綜合觀測調查船、志愿觀測船、無人船等走航式監測，開展海洋水文、氣象、水質、生物、生態和海洋動力等環境狀況監測觀測，開展赤潮、溢油、臺風、海嘯、風暴潮等海洋災害監測預報和防災減災；借助潛標、Argo 浮標、拖曳式浮標、波浪滑翔器等載體開展海水表層以下水體分層要素監測。建設近岸海底觀測網，通過設置一定的海底節點，將觀測儀器置于海底，通過光/電纜連接網絡，向各個觀測點供能、并收集信息，實現海面與海底的觀測視角“從上向下看”到“從下往上看”模式的轉變，隨時了解海底生物及環境狀況[31]。天(空)基在線監測系統，以航空飛機、航天飛機、遙感衛星為主，以無人機、熱氣球、飛艇等為輔開展海洋環境大面監測觀測，開展大洋海流、湍流、中尺度渦等科學研究，開展臺風、海嘯、海冰、風暴潮等海洋災害監測預報和防災減災。構建“岸-海-島”“天空-海面-海底”“點-線-面-層”立體化、全方位、實時監測系統。

(2)推進在線監測關鍵技術攻關及配套服務建設。推進海水水質多參數監測傳感器國產化關鍵技術攻關，開展傳感器及水下監測設備防腐、防污、防海生物附著等關鍵技術研究，開展以物聯網為基礎的浮標、岸站、船測、遙感等多源數據采集、加密、傳輸技術及數據質量控制研究。加強在線監測儀器設備維護技術隊伍建設，建立在線監測配套服務準入制度，鼓勵社會力量共同參與。

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Marine Ecological Civilization,Green Development and Real-time Monitoring of Marine Environment

ZHAO Congjiao1,2,ZHAO Bin2,ZHOU Yan3,4

(1.Marine Monitoring & Forecasting Center of Zhejiang Province,Hangzhou 310007,China；2.Ministry of Education Key Laboratory for Biodiversity Science and Ecological Engineering,Fudan University,Shanghai 200438,China；3.Zhejiang Fisheries Technical Extension Center,Hangzhou 310012,China；4.Zhejiang Province Academy of Marine Sciences,Hangzhou 310012,China)

With the implementation of ocean developing strategy，as an important part of ecological civilization construction，the construction of marine ecological civilization has become a national-level strategy.Green development which emphasizes the transformation of traditional marine economic development mode，focusing on the protection of marine resources and restoration of ecological environment is a new development model to achieve economic，social，resource and environmental coordinated and sustainable development.On-line monitoring is an important technical means to recognize the present situation of marine environment，to ensure the construction of marine ecological civilization and the green development of marine economy.This paper discussed the connotation of marine ecological civilization and green development，introduced marine ecological civilization demonstration areas and marine ecological redline regions，Marine remote sensing monitoring and the current marine environment on-line monitoring techniques，such as marine water quality buoy，marine hydro-meteorological buoy，wave buoy，tide station (tidal bore)，HFGWR and Argo buoy.Construction of three-dimensional，omnidirectional，real-time on-line monitoring system of “shore-sea-island”，“sky-sea surface-seabed” and “point-line-surface-layer” were discussed.Furthermore，promoting key technologies of on-line monitoring and supporting service are the aspects that should be focused on in the future.

Marine ecological civilization，Green development，Online monitoring，Marine buoy，marine remote sensing

2016-10-31；

2017-04-22

浙江省“十二五”生態建設項目(浙政發〔2011〕89號)；海洋公益性行業科研專項“浙江近岸海域海洋生態環境動態監測與服務平臺技術研究及應用示范”(201305012).

趙聰蛟，工程師，博士研究生，研究方向為海洋浮標在線監測、海洋生態和全球變化研究，電子信箱：congcong990@163.com

周燕，教授級高工，研究方向為海洋化學，電子郵箱：congcong990@163.com

P715；P76

A

1005-9857(2017)05-0091-07