聲納在滸苔沉降災害中的監測應用

傅圣雪 鄭偉波

（中國海洋大學，山東 青島 266100）

針對滸苔的聲學特性以及其所處觀測環境，采用聲納對沉降滸苔進行探測、獲取滸苔分布數據，相比傳統手段有著相當的優勢。本文對聲納探測滸苔分布的技術進行了探討，并根據實驗結果分析其可行性及應用前景。為及時有效的應對滸苔爆發，需要對滸苔分布進行有效的監測。目前，對于漂浮在水面的滸苔，已經有了衛星、航拍、水面艦船監測等諸多手段，在時效性及可靠性上都能令人滿意。但對于所觀測到的滸苔，其分布厚度究竟如何？目前尚無高校的探測手段；而對于水下的滸苔，尚無有效的監測方法，基本沒有辦法對其進行跟蹤。本文探討并試圖解決此問題。

一 滸苔及其危害簡介

滸苔（Entermorpha prolifera），屬綠藻門石莼目石莼科植物。主要生長在潮間帶，在我國野生藻類中存量豐富，尤其在東南沿海一帶分布廣泛。滸苔常見于淺海水域，但在淡水中也可生長。

滸苔屬速生藻類，在適宜水溫、光照條件下，生長、繁殖十分迅速，單日凈重增加率能夠達到15%。爆發增殖的滸苔可在短時間內覆蓋大片海域，形成與赤潮相似的"綠潮"。

1.1 滸苔、綠潮的危害

滸苔的爆發性生長，乃至形成綠潮，是近年來逐漸收到關注的新問題。與廣為人知的赤潮不同，綠潮本身對所爆發水域并無大的直接破壞；事實上，形成綠潮的緣管滸苔對形成赤潮的赤潮異灣藻還有強烈的抑制作用。滸苔爆發對環境的危害，主要表現在以下幾方面：

*破壞水體生態平衡 滸苔爆發、直至形成綠潮后，本身對覆蓋水域水質并無直接影響。但大量的滸苔在生長過程中，會大量消耗水體養分；并且形成片漂浮的滸苔會形成遮蔽效應，阻礙海中其它浮游藻類的生長；

*影響海岸景觀 大量聚集的滸苔，不僅會覆蓋沿海海面，還會隨海潮上岸堆積，腐爛后產生大量有害物質，嚴重影響沿岸的濱海景觀；

*引發次生生態災難 滸苔生命周期約15～30天。由于滸苔粗蛋白含量約13.2%，聚集的滸苔死亡后，容易發生腐爛。由于滸苔爆發數量巨大，此過程會消耗水體氧氣、并釋放有毒物質，對沿岸生態環境造成極大破壞；

*破壞沿海養殖業 滸苔在生長周期中，常常發生沉降，從而將上述負面作用帶入下層水體，造成沿海水下養殖生物、特別是貝類的大量死亡。

1.1 滸苔的沉降

滸苔是一種漂浮藻類，在生長成熟期一般都漂浮于海面。對于漂浮于海面的滸苔，由于景象十分“壯觀”，且嚴重影響海岸景觀及水面運動項目的進行（如青島奧帆賽），近期引起了極大關注，其危害性無需贅言。但對于存在于海面以下的沉降滸苔，目前尚未引起足夠的重視。在滸苔藻體細胞內，有一體積約占細胞體積50%的空泡；滸苔主要依靠改變空泡體積，來調整自身在水體中的分布。根據對滸苔生長史的研究，滸苔在生長初期，合子具有負趨光性，或由配子直接進行單性生長，其生長地點一般位于淺海海床，滸苔多以假根依附于海底礁石上。在生長成熟后，假根消失，滸苔即變為漂浮狀態，直至生長周期結束而老化、死亡，最終沉入海中。

處于生長初期的滸苔雖然位于海底，但形體尚小，且處于正常生長期，并不會造成生態災害。在滸苔大量爆發性生長、聚集于海面時，則能夠觀測到相當數量的旺盛滸苔發生沉降，并大量聚集于海底。目前，對于滸苔沉降的具體原因，尚未有定論；分析可能與滸苔大量聚集、消耗水面養分，造成部分滸苔生命活動受抑制有一定關系。

1.2 沉降滸苔的危害

傳統觀點認為，作為可被海洋生物食用的藻類，懸浮于海底水層的滸苔，可以作為海生生物、特別是貝類的食物。但近期在青島海岸線進行的抽樣觀測，卻發現在海岸沿線的水下，可見大量沉降滸苔；層疊的滸苔覆蓋在沿岸海底，引起了養殖貝類（鮑魚、扇貝等）的成批死亡。究其原因，在于滸苔的大量反常繁殖，造成沉海滸苔數量隨之暴增，數量巨大的沉降滸苔耗盡了水層氧氣（沉降滸苔光合作用微弱，釋放氧氣尚不足以支持自身需求），超過了底層水體的承載能力，最終形成生態災害。

沉降滸苔與漂浮滸苔一樣，最終都會進入消亡分解期。由于沉降滸苔在海面上無法觀測，有造成突發性生態災害的可能。近幾年來，青島及周邊海域多次發生養殖貝類和海洋生物成批死亡的案例；聯系到這些年來滸苔災害從無到有、由輕至重的發展態勢，這些沒有明顯肇因的生態災害，很可能就是沉降滸苔的腐爛分解造成。

總之，滸苔爆發時，漂浮滸苔和沉降滸苔都會形成相當程度的生態災害。由于沉降滸苔發生相對隱蔽，監測控制難度更大，所以其造成的災害更加難以遏制。

總之，大數據時代的到來使得財務管理實現轉型發展，朝著管理會計方向轉變，同時便于提高工作的信息化、數據化和專業化。從數據的搜集、利用、處理和分析構建新型財務管理模式，實現了管理效果的提升。

二 滸苔災害的監測

如前所述，滸苔的爆發，其危害是巨大的。為了能及早發現滸苔爆發的跡象，在出現滸苔爆發、或綠潮征兆時，能夠及時進行監控并指揮清除，乃至對綠潮進行系統研究，以期從根本上找到應對策略，這些工作的進行都有賴于對滸苔及時、準確的監測。

2.1 傳統滸苔監測手段

作為一種新近受到關注的自然災害，目前對藻類爆發災害的監控，多使用應用于其他目的的、較為成熟的觀測方式。目前使用較成熟的檢測手段主要有：

衛星圖像判別 采用衛星傳回的海面圖像進行分析，對于綠潮區域可見明顯的綠色斑塊。但衛星受限于海域氣候狀況，在多云天氣基本上失去作用；

航空遙感 派出飛行器攜帶相關設備進行探查，或直接使用肉眼觀察。該方法受天候影響較小，但對大片海域的綠潮進行持續監測，費效比很低；而且由于航空遙感的不連續掃描特性，很難對綠潮的分布、規模等做出精確估計。

海面監測 主要依靠船只搜索觀測。該方法成本較低，但受限于海況，海清惡劣時無法使用；且船只機動能力也不強，導致觀測時效性較差。

水下監測派出潛水員或ROV觀察水下藻類分布狀況。該方法效率很低，只能用于特定水域的點觀測。

2.2 監測沉降滸苔的難度分析

目前，針對滸苔等藻類爆發性災害的監測手段，主要是衛星照片、航拍、水面監測等。這些手段只能監測海面漂浮的滸苔。而如果使用潛水員下水探測，雖然所得信息翔實、可靠，但效率很低，且代價高昂。滸苔的爆發，往往在夏季6至9月份。此時正值夏季多風期，海水能見度較低；使用傳統檢測手段，包括潛水員與ROV，都很難得知沉降滸苔的分布狀況。監測手段的缺乏，在一定程度上加劇了沉降滸苔的生態危害。

三 聲納探測海底滸苔試驗

聲納是利用聲信號在水下的優良傳播特性，進行目標探測的一種水聲設備。要使用聲納探測滸苔，首先要對滸苔的水聲特性進行研究。

3.1 實驗原理與設備介紹

水體中的滸苔，不論漂浮還是沉降狀態，都不是密實、均一的結構體。故對于滸苔聲學特性進行分析時，不能簡單的將其視為一種材料，而應以實驗為基準。

滸苔在水中呈懸浮狀態時，所在水體的聲阻抗和純水體不同，但差值應屬有限，造成聲波在滸苔與水體分界面上部分反射，部分穿透；且由于含滸苔水體的內在不均勻性，造成反射波的雜亂，在聲納上很難得到清晰的回波。

圖示設備即為滸苔探測試驗管。該設備可以模擬滸苔的漂浮和沉降狀態，使用示波器配合聲納，可以完成 探測海底沉降滸苔和 聲納測定漂浮滸苔厚度 兩項試驗。

3.2 海底沉降滸苔聲反射實驗

將濕潤的滸苔裝入魚線材質的網兜內，加配重放置在水池底部，利用滸苔本身的浮力特性，可以控制網兜中滸苔的懸浮形態。改變滸苔富集密度和厚度，使用可變頻聲納探頭，在不同頻段對滸苔進行掃描。

考慮到滸苔在海底的富集程度可能有相當大的差異，實驗取定若干組厚度值，使用不同頻率超聲對其進行測定。

首先記錄無滸苔分布時的聲納回波狀況。當聲納工作頻率200KHz、靈敏度為6時，可以觀測到清晰的水底回波。而當頻率更換為50MHz時，由于回波干擾較嚴重，則觀察不到明顯回波。根據對滸苔升學特性的分析，可以認為50KHz超聲不適合探測淺水區的滸苔分布。

當投放10cm厚的沉降滸苔后，聲納回波發生了變化，在相同頻率、靈敏度下不再能檢測到水底回波。提高靈敏度后，在靈敏度10時開始出現水底回波，11時開始出現滸苔回波；當靈敏度16時，可以觀測到明顯的滸苔回波。值得注意的是滸苔的回波并不是窄帶，而是在分界線下有連續的中等回波強度區，這一反射特性，對于通過屏幕顯示判定海底狀況很有幫助。

投放20cm厚沉降滸苔的結果，與前述有所不同。在靈敏度11時出現滸苔回波，但水底回波直到靈敏度13時才出現；靈敏度17時回波穩定，此時滸苔回波的強度超過了水底回波。出現這樣的回波，與滸苔吸收聲波、產生對水底的遮蔽有關。

通過對實驗結果進行分析，可以看出聲納對水底滸苔的探測效果是較好的。在200KHz工作頻率下，聲納對海底的滸苔分布探測的靈敏度較高，海底分布少量滸苔即可從顯示變化上檢出；且隨著滸苔分布密度的增加，聲納回波也相應發生變化，從而為定量分析海底滸苔分布狀況提供了較好的分析依據。

3.2 水面滸苔厚度測量實驗

測量漂浮滸苔的厚度，是依據滸苔在水中的聲反射原理，使用水下垂直于海面的聲納探頭向上探測，從而根據潔凈水體-含漂浮滸苔水體反射面及海面反射面之間的差值，得到漂浮滸苔的厚度。實際操作中，還可以用實測的聲納探頭距海面深度代替海面反射測量值，從而得到更精確的結果。

使用直徑約12cm的有機玻璃圓管，底部垂直向上放置聲納探頭，注水后，投入滸苔，即可模擬滸苔漂浮于海面的狀態，可以使用聲納自水下對其厚度進行測量。由于給定厚度的滸苔漂浮狀態唯一，故只對不同設定厚度的滸苔，用不同頻率進行測試。

四、結論與探討

本文所探討的兩種基于聲納的滸苔監測方法，設備復雜度低、操作簡單，具有較強實用性，可以迅速應用于海洋綠潮災害的監測與防控，具備較高實用價值。在此基礎上，還可以進一步發展簡便易用的水下超聲監測裝置，用于目的更廣泛的水下監測任務，以覆蓋ROV、潛水員等光學探測技術的盲區。

在方法的可靠性方面，目前尚待解決的，主要是淤泥質海底的探測問題。由于淤泥的聲反射特性與沉降滸苔相似，可能會對滸苔監測產生一定干擾。雖然目前滸苔危害海域主要為礁石、沙質海床，但這一問題仍然需要足夠的重視。

此外，利用聲納探測的方法，還可以用于海面漂浮滸苔的厚度監測，可以快速得知漂浮滸苔的準確厚度，為準確統計災害嚴重程度、定量安排清除提供決策依據。

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