基于FerryBox系統(tǒng)的渤海海峽表層海水水質(zhì)及溢油監(jiān)測

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(中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺 264003)

渤海海峽水域是黃海與渤海的分界線[1]，其南北、東西向航道是各類船舶進(jìn)出渤海各港口的主要航路，船舶密度大，是海上交通的一個(gè)重要水域[2]。其獨(dú)特的地理位置決定了海域的重要性，這一區(qū)域也成為海上溢油潛在的高風(fēng)險(xiǎn)地段。遙感技術(shù)一直以來是海上溢油監(jiān)測的主要手段，包括可見光遙感、紅外遙感、微波遙感、激光熒光遙感和紫外掃描遙感等多種方法，其主要缺點(diǎn)是空間分辨率普遍比較低，探測靈敏度不高[3-5]。另一種方法是利用現(xiàn)場檢測，主要是對采樣海水進(jìn)行分析，檢測水體中有色溶解有機(jī)物(colored dissolved organic matter，CDOM)含量，進(jìn)而判斷水體中有機(jī)物質(zhì)濃度，作為溢油的重要依據(jù)[6-7]。現(xiàn)場調(diào)查的缺點(diǎn)是受海況的影響，一般是階段性或者季節(jié)性海上站位調(diào)查，航次之間時(shí)間跨度較大，海水樣品實(shí)驗(yàn)室分析周期長，其調(diào)查結(jié)果不能反映海區(qū)的實(shí)時(shí)動態(tài)變化，對溢油應(yīng)急檢測的響應(yīng)不高。

FerryBox是利用志愿船對表層海水水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)自動檢測的技術(shù)，其技術(shù)越來越成熟，在歐洲獲得了廣泛應(yīng)用[8-9]。筆者利用FerryBox系統(tǒng)所集成的溢油探頭，在渤海海峽對表層海水進(jìn)行斷面調(diào)查，分析了該海區(qū)的溢油及水質(zhì)的時(shí)空動態(tài)變化。

1 技術(shù)與方法

1.1 FerryBox系統(tǒng)

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的FerryBox系統(tǒng)主要包括水路循環(huán)系統(tǒng)、傳感器、數(shù)據(jù)存儲和傳輸系統(tǒng)、自動清洗系統(tǒng)四大部分(見圖1)。其進(jìn)水管路可以單獨(dú)設(shè)計(jì)，也可以從機(jī)艙內(nèi)的潛水泵抽取，進(jìn)入水路循環(huán)系統(tǒng)的海水先通過脫泡器去除氣泡，移除海水中的泥沙后，通過水路系統(tǒng)流經(jīng)各傳感器單元，流量控制器可以控制水量與流速，對流經(jīng)探頭的流速、壓力進(jìn)行設(shè)置，以獲得各傳感器參數(shù)測定所需要的理想水壓和流速，之后水被排出至機(jī)艙外，從而完成一個(gè)循環(huán)。系統(tǒng)設(shè)有水路分支，可對海水進(jìn)行單獨(dú)取樣，以用于室內(nèi)校準(zhǔn)或者其他分析。

圖1 FerryBox結(jié)構(gòu)原理示意(圖片由合作伙伴Wilhelm Petersen博士提供)

FerryBox每分鐘測量6次，系統(tǒng)將6次測量平均結(jié)果作為最終結(jié)果進(jìn)行存儲，每分鐘保存1次數(shù)據(jù)。當(dāng)船抵達(dá)近岸或者停靠碼頭時(shí)，可以使用GSM/GPRS等無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，也可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登錄系統(tǒng)對儀器運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測、維護(hù)以及數(shù)據(jù)下載。儀器運(yùn)行結(jié)束后可自動控制進(jìn)行清洗，混有硫酸和草酸的淡水可去除循環(huán)水路內(nèi)的鐵銹以及微生物，避免其對測量結(jié)果造成影響。

1.2 溢油傳感器及水質(zhì)傳感器

本次調(diào)查的FerryBox系統(tǒng)由德國4JENA公司生產(chǎn)，所使用的水質(zhì)參數(shù)傳感器包括：溫度傳感器(FSI，美國)、鹽度傳感器(FSI，美國)、pH傳感器(Endress and Hauser，德國)、濁度傳感器(Turner，美國)、藻類分析(AOA,bbe-moldaenke,德國)、溶解氧/飽和度傳感器(Endress and Hauser，德國)。其水路設(shè)計(jì)可以根據(jù)需求添加其他所需的傳感器，所使用的溢油監(jiān)測探頭是來自德國HZG研究所Wilhelm Petersen博士提供的由德國TriOS公司生產(chǎn)的CDOM和OIL探頭。

使用UV熒光法探測水體中芳香烴水化物，當(dāng)目標(biāo)化合物在釋放其吸收的高波段波長時(shí)會產(chǎn)生熒光。當(dāng)水體中含有特別UV光譜的波長化合物時(shí)，少量的水化物都可以釋放出高波段的熒光，測量這種熒光的強(qiáng)度可以反過來計(jì)算水體中的相應(yīng)波段的物質(zhì)濃度。自然水體中的PAHs往往是來自黃色物質(zhì)(CDOM)，可以通過探測PAH的閾值來探測水體中油脂物體，通過一個(gè)固定的相關(guān)系數(shù)可以獲得水體中該物質(zhì)的密度。Oil探頭所使用的enviroFlu-HC是基于該原理的一種新的測量水體中油類物質(zhì)的傳感器，其UV熒光探頭比普通探頭要靈敏很多倍，可以探測水體中微量的PAHs痕跡。該探頭既可以在實(shí)驗(yàn)室使用，也可以在野外使用，本項(xiàng)工作首次將其集成在FerryBox系統(tǒng)中(見圖1)，對通過探頭的海水進(jìn)行連續(xù)測量，獲得渤海海峽油類物質(zhì)濃度，同時(shí)使用了另一個(gè)TriOS生產(chǎn)的CDOM探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，獲得海區(qū)表層海水中溢油相關(guān)物質(zhì)的分布數(shù)據(jù)，為海上溢油分布現(xiàn)場檢測提供一個(gè)新的方法。

1.3 調(diào)查海域及監(jiān)測內(nèi)容

2016年12月2—4日，TriOS的Oil、CDOM兩個(gè)探頭首次安裝于科考船“創(chuàng)新1號”FerryBox系統(tǒng)上，通過共享FerryBox的水路獲得FerryBox所采集的表層海水，保持與FerryBox系統(tǒng)的準(zhǔn)同步運(yùn)行狀態(tài)，通過往返煙臺-大連航次連續(xù)采集了3天的數(shù)據(jù)(調(diào)查路線見圖2)，獲得了該航線上TriOS的Oil、CDOM數(shù)據(jù)及表層水溫、鹽度、pH、葉綠素、濁度、溶解氧等水質(zhì)參數(shù)，所取得的表層水樣約為海峽表層2.5～4.5 m水深。

圖2 2016年12月2—4日渤海海峽斷面調(diào)查航跡圖(圖中灰線與黑線)(水深數(shù)據(jù)來自etopo2)

2 監(jiān)測結(jié)果與分析—渤海海峽水質(zhì)因子時(shí)空動態(tài)變化

TriOS的Oil探頭和CDOM探頭所獲得的數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的相關(guān)性。圖3為TriOS的Oil探頭與CDOM探頭時(shí)間上相關(guān)性示意圖。

圖3 TriOS的Oil探頭與CDOM探頭時(shí)間上相關(guān)性示意

從圖3可見，除了12月3日0-7時(shí)，CDOM數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏移之外，Oil探頭和CDOM探頭數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，其變化趨勢大部分時(shí)間都吻合的很好。由于本次調(diào)查是沿著固定航線的往復(fù)調(diào)查，所以FerryBox所測得的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)在時(shí)間和空間上會出現(xiàn)相同趨勢(見圖4)。

圖4 FerryBox所測得的各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)與Oil，CDOM探頭數(shù)據(jù)隨緯度的變化

從空間分布上來看，F(xiàn)erryBox所獲得數(shù)據(jù)具有明顯的區(qū)域特征，Oil和CDOM探頭所測得的值在靠近煙臺港附近是一個(gè)顯著的高值區(qū)，隨著緯度升高，其值也逐漸升高。過了渤海海峽南部附近逐漸降低，然后繼續(xù)升高，在靠近大連方向水域時(shí)又降低，形成從空間上由南至北一個(gè)“高-低-高-低”的分布。表層海水溫度的分布在靠近近岸低，往渤海海峽北部逐漸升高，從南到北是一個(gè)逐漸升高的過程；鹽度的分布則在海峽的中部有一個(gè)低值區(qū)，海峽的南北段鹽度相對高；水中的溶解氧為南部近岸的含量高，往北逐漸降低。與溫度的分布相反，這3個(gè)探頭所顯示的每24 h內(nèi)的變化趨勢是一樣，但是濁度探頭所測的值隨著時(shí)間推移與其他探頭趨勢不一致。從煙臺港出發(fā)后濁度值有一個(gè)從低到高的過程，到海峽南部有一個(gè)相對的高值區(qū)，之后整個(gè)海峽的濁度保持在一個(gè)同樣尺度變化的水平。圖5反應(yīng)了水質(zhì)參數(shù)在地理空間上的變化，所選取的數(shù)據(jù)為調(diào)查最后一日的分布數(shù)據(jù)，由圖5可見，觀察到海峽的水質(zhì)參數(shù)變化主要與地理分布有關(guān)。

圖5 FerryBox各個(gè)探頭測量值與TriOS的Oil 及CDOM探頭測量結(jié)果在空間上的分布

3 討論

3.1 利用FerryBox實(shí)現(xiàn)低成本自動監(jiān)測

海上溢油往往是突發(fā)事件，現(xiàn)場的水質(zhì)調(diào)查可以獲得第一手的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的站位調(diào)查方式受到多種因素(如海況、天氣等)的影響，在時(shí)間、空間上缺乏連續(xù)性，調(diào)查數(shù)據(jù)的處理、分析也需要耗費(fèi)時(shí)間，會導(dǎo)致調(diào)查結(jié)果有一個(gè)滯后期，難以做到快速評價(jià)一個(gè)海區(qū)的溢油狀況、環(huán)境要素現(xiàn)狀等。FerryBox系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以在很大程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)調(diào)查方式的不足，除可以獲得常規(guī)的溫度、鹽度、pH、溶解氧、葉綠素等水質(zhì)參數(shù)外，還可根據(jù)需要添加其他類型的傳感器，根據(jù)需要選擇重點(diǎn)海區(qū)進(jìn)行水樣分析，在溢油事故現(xiàn)場調(diào)查、溢油潛在影響區(qū)域調(diào)查中，可以快速地獲取海區(qū)的溢油參考數(shù)據(jù)，并結(jié)合水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)對現(xiàn)場進(jìn)行評估。其次，其設(shè)備操作簡單，自動清洗大大減輕人工維護(hù)的工作量。遠(yuǎn)程操控功能和監(jiān)測數(shù)據(jù)長距離無線傳輸功能，可對儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程操控和維護(hù)，并保證所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠及時(shí)傳輸。在未來的調(diào)查中，可以進(jìn)行多個(gè)調(diào)查船、支援船等船只協(xié)同調(diào)查，實(shí)現(xiàn)低成本的海洋生態(tài)環(huán)境的長期、可持續(xù)監(jiān)測。

3.2 渤海海峽水環(huán)境因子對溢油時(shí)空分布差異的影響

溢油現(xiàn)場調(diào)查往往希望對溢油漂移路徑進(jìn)行預(yù)判，現(xiàn)場的水動力要素調(diào)查數(shù)據(jù)可以提供海流的具體信息。本次調(diào)查中使用的船載300K RDI走航式ADCP，從現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)(圖6)看海峽海水流向主要為東西向流，南北方向流弱，在北部和南部海峽處的流場比海峽中部強(qiáng)，這是典型的海峽冬季水流特點(diǎn)。一般認(rèn)為海峽的渤海與黃海的水交換具有“北進(jìn)南出”的特點(diǎn)[10]，冬季渤海海峽受到黃海暖流的影響，海峽北部有一水舌經(jīng)老鐵山水道進(jìn)入渤海內(nèi)部[11]，海峽處海水受到季風(fēng)影響被表層風(fēng)攪拌，海底沉積物發(fā)生再懸浮，使得海峽中部的表層濁度較高[12-13]。這種水動力因子作用造成了水環(huán)境因子南北差異，如本文所觀測到的溫度、鹽度、溶解氧的不同分區(qū)，冬季渤海海峽北部較大潮流流速加上較強(qiáng)的東北季風(fēng)，導(dǎo)致海水渦動強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，海底沉積物發(fā)生再懸浮，從而導(dǎo)致冬季海峽海域易出現(xiàn)較高表層濁度。在實(shí)際的海上溢油區(qū)調(diào)查作業(yè)中，水質(zhì)因子結(jié)合動力因子數(shù)據(jù)可以為預(yù)測溢油污染趨勢、油膜漂移路徑提供依據(jù)。

圖6 船載走航式ADCP對渤海海峽的連續(xù)測量結(jié)果

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