船舶壓載水取樣機制的優化研究

賈憲章 ，賈寶柱，許媛媛，許嘉琪,龍宇衡

（廣東海洋大學，湛江 524088）

1 前言

為了最大限度地降低壓載水中外來生物帶來的潛在危險， 2004 年國際海事組織(IMO）制定了《國際船舶壓載水及其沉積物控制與管理公約》 (簡稱《壓載水公約》），該公約于2017 年9 月8 日正式生效。

《壓載水公約》規定了船舶壓載水檢查的工作程序，當其滿足檢查條件時，PSCO 可對船舶進行指示性分析，如需要可進行詳細分析核驗是否符合D-2標準。其中，對壓載水檢測的難點在于精準取樣，現階段取樣方法難以準確評估壓載水中含有的生物濃度，導致港口國對壓載水排放控制缺乏有力依據。針對壓載水取樣過程中存在的局限性及復雜性，優化船舶壓載水的取樣機制能減緩壓載水取樣的相關難度。

2 壓載水取樣方法

依據《壓載水公約》D-2 標準及相關取樣導則，利用人孔、測深管或空氣管等對壓載水取樣的方式不是符合檢驗的首選方式，這些取樣方式不能得到壓載水排放物中生物密度準確值。此外，壓載水中其它可變因素也會對取樣結果產生一定的影響。因此，現有取樣機制(包括取樣位置、取樣數量、取樣方式)很難保證壓載水排放物樣品具有代表性。

目前，針對壓載水取樣點以及取樣方法仍處于探討階段，如何選取合理的取樣機制已成為壓載水取樣中的技術難點，故優化壓載水取樣機制具有一定的必要性。

3 壓載水排放標準及取樣方法

3.1 壓載水排放標準

船舶壓載水取樣，可分為D-1 標準及D-2 標準。目前實際港口國在船舶壓載水管理中，普遍采用D-1標準。D-2標準則基于BWMS，根據《壓載水公約》的D-2標準規定，對船舶壓載水管理分為浮游生物及微生物進行分類控制：

（1）對于浮游生物的排放，要求最小尺寸大于或等于50μm 的可生存生物排放時應達到每立方米中少于10 個/m，尺寸小于50μm 但大于或等于10μm 的可生存生物少于10 個/cm；

（2）對于指示微生物的排放，要求不超過下述濃度：產毒霍亂弧菌，少于1 cfu/100 m1，大腸桿菌少于250 cfu/100 ml；腸球菌少于100 cfu/100 ml；

（3）對于不符合D-2 標準的船舶壓載水，需要通過船載或岸基設施進行生物處理，符合標準后才允許排放到港口國海域。

3.2 壓載水取樣點及取樣方法

目前船舶壓載水取樣以單一取樣方法及單一取樣點為主，這種取樣方式并不適用于所有船舶。若操作人員根據實際航行情況及船舶自身特點，擇優選取最佳的取樣方法，則耗費的時間和成本較高。下面介紹幾種比較常見的取樣方法：

（1）壓載水艙內取樣

① 氣動井泵取樣

以氣動柱塞泵形式為主，連接兩根不同用處的管道，一根直接連接到壓縮空氣，一根則用來泵出艙內的壓載水。該操作可獲取絕大多數船舶上的壓載水，但其精確度不高，取樣結果不具代表性；

② 底部沉積物取樣

取樣器底部安裝相應閥門，可從壓載艙內不同深度相應位置進行取樣，當底部觸碰壓載水底部時控制閥門打開進行取樣；

③ 人孔、通氣孔取樣

人孔進行壓載水取樣有很大的局限性，消耗人力及時間，需打開人孔，效率較低。

（2）壓載水排放口取樣

壓載水排放口取樣存在相應的限制，很難滿足相應壓載水取樣條件，取樣結果也缺乏精確度。

對于以上問題，需優化相應取樣機制并結合壓載水取樣新技術，則能較好的解決問題。

4 優化壓載水取樣機制

4.1 壓載水取樣機制技術流程

（1）根據不同船型、裝載情況、水層深度等參數，采取多點、多方式聯合取樣機制，便于精準取樣，從而優化壓載水取樣機制，合理解決目前壓載水取樣所存在的問題；

（2）分析壓載水取樣機制對評估值的影響，建立評估值模型，精確估算船舶壓載水中活體浮游生物和微生物的平均密度，依據監測結果分析壓載水中外來生物的物種鑒定及豐度，考慮靜、動態參數的影響，提高樣本取樣豐度，克服傳統取樣方法因生物密度不均引起的估算偏差過大問題；

（3）壓載水取樣多次進行，取平均值，基于大數據分析減少實驗誤差，從而優化壓載水在線智能取樣。

優化壓載水取樣機制技術流程，如表1 所示。

表1 優化壓載水取樣機制技術流程

4.2 壓載水取樣機制優化

查閱往年相關數據進行信息分析，實時監控分析港口海域生物物種多樣性及群體變動趨勢；針對壓載水取樣對生物密度估值的影響，對取樣位置、取樣數量、取樣方式進行優化，合理解決取樣精度問題，節約時間及人工成本，設計適用于多種船舶的壓載水取樣機制；基于實船狀況，取樣點可設為艙內多點取樣與排放口取樣結合；艙內多點取樣，可以從四面艙壁及不同艙底來考慮；此外，考慮時間及進出口動態參數的影響，通過相應技術矯正其干擾因素對取樣結果的影響；通過以上壓載水取樣步驟，優化相應壓載水取樣機制，提高壓載水取樣機制的精確化、高效化、智能化。

（1）先了解壓載水處理系統的相關布置及運行情況，便于后續實驗的進行；

（2）確定壓載水排放口、相應取樣點及取樣接口，整理與取樣有關的各種實驗器材，連接各組件組成取樣裝置；

（3）放出滯留于排放管路及艙內取樣管路的壓載水，注意需將滯留水徹底放出，避免影響后續實驗分析過程；

（4）對相應壓載水樣本進行各項參數指標實時檢測，考慮時間及進、出口動態參數的影響，控制單一變量，將部分浮游生物網浸沒至取樣壓載水中，實驗過程須調整閥門，保持其水位穩定；

（5）取樣前應先矯正其進出口監測數據，提高樣本取樣豐度準確性；取樣點可設于該實船的四面艙壁和不同艙底；取樣方式以艙內取樣與排放口取樣結合為主，考慮實時因素的影響，調整相應動態參數，提高實驗的合理性；

（6）取樣結束后取出浮游生物網，收集整理相應樣本，將樣本置于保藏箱帶回實驗室進行詳細計數分析。

通過以上實驗步驟，分析相應取樣結果來判斷優化取樣機制的可行性，避免以局部代替整體取樣，使其研究更全面、合理；鑒于壓載水取樣機制復雜性，根據不同船型、裝載情況、壓載水水層深度等參數，探索智能取樣機制，并結合對應的取樣方法，設計適用于多種船舶的壓載水取樣機制；為實現對浮游生物、微生物進行精準識別，主要采用小樣本優化分析并結合其他智能方法，分析壓載水中生物組成、密度和存活性等數據，精準估算壓載水中生物密度的平均值；基于大數據理論，為優化壓載水取樣機制提供更適合的規程。

4.3 壓載水取樣機制相關技術

首先，分析壓載水取樣機制對評估值的影響，建立評估值模型，精確估算生物密度平均值；在此基礎上，研究壓載艙內自助式取樣系統，優化壓載水取樣機制。

壓載水取樣位置應盡量接近壓載水排放端口，且位于管系彎道之后，避免顆粒慣性沉積影響相應實驗結果；針對不同生物來用不同取樣方法，對浮游生物、微生物分類計數得相應密度估計值，綜合優化評估濃度；以微流控芯片技術，實現壓載水的在線智能取樣，從而得出最接近平均顆粒濃度的管內徑向位置；取樣應該多次進行，減少實驗誤差。

表2 所示船舶壓載水指標性分析方法，針對不同外來生物的特征指標，矯正多方干擾因素的影響，最大限度提高壓載水取樣的準確度，實現壓載水精準識別，探討各種因素對壓載水取樣機制的干擾以及影響。

表2 船舶壓載水指標性分析方法

基于大數據分析D-2 標準的取樣機制，如表3 所示，多取樣方式對比單一取樣方式，其取樣精度大幅度提高，相應的置信度也遠高于單一取樣；優化取樣機制效率高，通過優化相應自主取樣機制，實現精準取樣，在數據分析的基礎上，結合D-S 證據理論等相關技術，提取對生態環境影響明顯的特征生物物種，作為生態環境的影響因子；基于特征影響因子，構建多維度生態因子對生態環境演變趨勢的影響模型，綜合大數據分析等方法，建立生態演變動態模擬系統，分析不同物種對特定港口海域的生物多樣性影響及其演變趨勢，為壓載水取樣機制提供相應技術支撐。

表3 D-2 標準的取樣機制對比

5 建議

現階段取樣機制并不能滿足不同船型以及取樣位置的精確壓載水取樣，針對以上問題可以采用優化取樣機制來解決，增加一定的經濟、人力和時間成本，設計適用于多種船舶的壓載水取樣機制；取樣應多次進行，取平均值以減小誤差，將其取樣結果與單一取樣機制對比，分析其相關準確度，不斷優化取樣機制。

（1）壓載水取樣人員，按相關要求多點、多取樣機制實時監測分析，及時、高效、準確記錄相應實時信息，避免由于人為原因而產生誤差;

（2）取樣樣本不一定為代表樣本，取樣應建立在同一時間段的多個取樣樣本指示性結果分析上;

（3）加快優化壓載水取樣機制對壓載水管理方面的壟斷;

（4）為提高取樣精準度，可采用流體計算以及相應流體設計方法，設計相應取樣流路，結合相應技術，完成對處理后及排放時的壓載水進行在線活性監測及評估。

6 結論

壓載水管理屬于港口國控制的重要內容，但壓載水取樣的方法及處理標準是世界性難題。對壓載水控制的難點首先在于精準取樣，對微小型浮游生物和指示微生物缺乏有效取樣監測手段，同時取樣方法難以準確評估壓載水中相應的生物含量，導致港口國對壓載水排放控制缺乏科學性。為防止壓載水外來生物入侵對我國海洋生態環境的影響，應加快優化壓載水取樣機制，基于港口海域物種多樣性的實際情況，構建敏感物種監測系統，形成更加完善的港口海域的生態多樣性保護體系，打造世界領先的綠色智慧港口。