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我国海洋水质在线监测系统现状是什么？如何展望？

2022.3.24

　　随着科学技术的飞速发展，水质监测由最初的人工采样发展到现在的实时在线监测。我国的水质自动监测起步于 1988 年，当年在天津试点建立了第一个水质自动监测站^[1]。1995 年以后，上海、北京等地作为试点也先后建立了水质自动监测站。1999 年开始，在我国部分主要流域展开了地表水水质自动监测试点工作，分别在松花江、长江、黄河及太湖流域的重点断面建立了10个水质自动监测站。2003 年以来，我国建设地表水水质自动监测站的步伐加快：2005 年~2008 年，基本每年新建100 个以上水质自动监测站；2009年开始，基本每年新建200个以上水质自动站。通过近些年的发展与国家对在线监测的投入，我国的主要河流湖泊断面都建立了水质自动监测站，而各大河流的支流、地方水系等也都开展了水质在线监测的工作^[2]。我国大陆地表水的水质自动监测网络已初步形成。

　　相比于内陆地表水的在线监测，由于海洋环境多变、海洋水质复杂，海洋水质在线监测对监测系统的整体可靠性、设备材料的防腐蚀性、仪器测量方法的可行性等有更加严苛的要求。随着水质监测行业与海洋产业的迅速发展，我国沿海地区的海洋水质监测工作也正在大面积开展起来。国家海洋局编制了《国家海洋环境实时在线监控系统总体布局及建设思路》，在 “十三五” 期间，大力推进海洋环境实时在线监控系统能力建设。在线监测的主要方式包括浮标、岸基站、固定平台及其他海上平台搭载在线监测设备 ^[3]。据统计，从 2011 年至今，仅杭州瑞利海洋装备有限公司承接的浙江省、上海市、海南省、辽宁省、山东省等沿海省市的海洋水质监测浮标系统就达到 50 多套，监测参数包括常规水质多参数和营养盐参数，如表 1 所示。部分浮标除了水质参数外，还包括气象、水文、油类、核辐射等参数，为海洋生态环境保护和防灾减灾提供决策支撑，为社会公众提供海洋生态环境状况实时信息服务，为节能减排提供环境基础资料。2018 年，国家对各个职能部门进行重新整合，国家成立了生态环境部，使得监测领域扩大，海洋水质监测与内陆地表水水质监测之间的交叉融合也越来越多，类似于地表水水质自动站的近岸海域岸基站水质在线监测系统的建设也逐步开展起来，对入海污染物以及海洋水质重要参数进行实时在线监测，为相关部门对海洋环境管理提供了有力的数据支撑 ^[4]。本文对我国近些年海洋水质监测的发展现状进行整理总结，并对其需要改进的方面进行探讨，以期为海洋水质监测的发展改进提供参考。

　　一、我国海洋水质在线监测发展现状

　　1.1 海洋水质监测浮标

　　西方发达国家的海洋水质监测浮标起步较早，始于 20 世纪 20 年代，至今已经取得大量的成果，并且制定了相应的海洋环境监测规范和标准，在各沿海国家实现了长期业务化运行。我国的海洋水质监测浮标虽说起步较晚，但是经过多年的发展，也取得了长足的进步，已经形成了直径为1.5 m、 3 m、 6 m、 10 m 等一系列产品，也逐步实现了业务化运行 ^[5]。目前，我国的海洋水质监测浮标功能较为完善，除了搭载水质传感器对重要水质参数进行监测外，还可以搭载一些监测油类、气象、海流等其他参数传感器 ^[6]，能够对海洋水质及其他环境参数进行全面的实时在线监测。浮标体所用的材料防生物、防腐蚀性能较好；海洋水质监测浮标还可以搭载一些雷达反射器等安全防护系统；根据需要有些浮标还可以搭载摄像监控系统，对整个浮标系统进行实时监控。

　　海洋水质监测浮标由浮标体、锚系、供电系统、安全防护系统、传感器系统、数据采集传输系统和岸站接收系统组成^[7-8]，如图 1 所示。

　　1）浮标体主要由浮体、标架、稳定锤和电子舱等组成。浮体上设有围井，可安装水质监测传感器；标架在浮体正上方，主要安装太阳能板、气象传感器、警示灯、 GPS 等装置；稳定锤在浮体的正下方，主要是保证浮体的稳定性；电子舱一般位于浮体的中心，且具有很强的水密性。舱体内集成有蓄电池、充电控制模块、电源控制模块、数据采集传输模块等，舱盖上集成有连接器、排气阀等。

　　2）锚系主要由锚、锚链、防缠绕球、浮球和锚绳组成，其作用是将浮标固定在某一个合适的点位。

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　　3）供电系统由太阳能电池板、风力发电机、风光互补控制器、电源控制模块和蓄电池组成，太阳能电池板、风力发电机和风光互补控制器集成在标架上，电源控制模块和蓄电池集成在电子舱内。

　　4）安全防护系统由 GPS 定位系统、视频摄像系统、防雷装置、雷达反射装置、航标警示灯组成，均集成在标架上。

　　5）传感器系统包括多参数水质传感器、营养盐分析仪、气象多参数传感器等，是整个水质监测系统的核心部分。

　　6）数据采集传输系统由数据采集模块、 DTU传输模块和 DTU 天线组成，主要作用是将监测的数据采集并发送至岸站接收系统。

　　7）岸站接收系统包括服务器和软件平台。服务器用来接收、存储数据，软件平台则可将接收的数据展示出来，并具有数据统计、数据处理、监测预警、运维管理等众多功能。

　　我国海洋水质监测浮标经过这些年的不断改进，产品稳定性和可靠性都得到了很大提升，功能也在不断完善，能够为海洋环境监测提供实时有效的数据支撑。

　　1.2 岸基站海洋水质在线监测系统

　　岸基站海洋水质在线监测系统具有空间大、水电有保障、维护便利、监测仪器工作环境更为稳定等优点 ^[3]，是重要的在线监测系统，目前在海洋水质在线监测项目中得到大力推广。

　　岸基站海洋水质在线监测系统是指采用先进的化学分析技术、智能化的中央控制技术及多功能、一体化、信息化的系统集成技术，以监测站房为主体，可搭载多种水质分析仪表及传感器、水样采集、数据通信、安全防护等配套设备，将海洋水质样品通过水泵输送至监测站房内部，经过预处理后，由各个水质分析仪表或传感器进行分析，然后通过无线传输的方式，将监测数据发送至监控平台^[9-11]，如图 2 所示。

　　岸基站海洋水质在线监测系统包括站房、采水单元、配水预处理单元、控制单元、分析单元、数据采集传输单元、岸站接收单元和辅助单元。

　　1）站房可以新建，也可以利用既有的潮位站等站房，条件允许还可以采用集装箱式站房。不同于常规地表水的水质自动站，海洋水质在线监测的岸基站一般建在靠近海域的地方，因此需要考虑抗台风、防腐蚀等因素，建设要求更高。

　　2）采水单元包括采水泵和采水管路。采水泵根据现场情况可选择防腐蚀的自吸泵或潜水泵，一般采用双泵运行模式，一用一备。位于地面上的采水管路需采取一定的保温措施，以防冬季低温期水管结冰。

　　3）配水预处理单元包括配水的管路、电动球阀和水样预处理系统。其中水样预处理系统包括沉淀池和过滤系统，过滤包括粗过滤和精细过滤。水样经过相应的预处理之后分配给不同的分析仪表和传感器进行分析测量。水样预处理的效果直接关系到分析仪表和传感器测量的准确性，是整个系统中很关键的一环。

　　4）控制单元包括 PLC 控制柜、工控机和工控软件。通过控制单元对整个系统的运行进行设置、定时启动、关停等。控制系统是整个岸基站海洋水质在线监测系统的 “指挥官”。

　　5）分析单元是整个监测系统的核心部分，包括水质传感器和化学分析仪表。

　　6）数据采集传输单元包括数据采集器、数据采集软件、网络等，负责监测数据的采集和传输。

　　7）岸站接收单元包括服务器和软件平台，服务器用来接收存储数据，软件平台则可将接收的

　　数据展示出来，并具有数据统计、数据处理、监测预警、运维管理等众多功能。

　　8）辅助单元包括管路清洗系统、空调、视频监控系统、 UPS 稳压系统、防雷系统等。辅助单元是保证整个系统正常运行的重要保障。

　　相比于海洋水质监测浮标，岸基站海洋水质在线监测系统能够给分析仪表提供稳定、理想的工作环境，其监测数据更为准确、可靠。因此，在入海口或者近岸海域的水质监测中得到了更多的应用。

　　二、海洋水质在线监测实际应用中的问题

　　随着国家对海洋开发的大力投入以及海洋环境保护的迫切需求，我国各沿海省份在各自的近岸海域和入海河流建设的水质在线监测浮标和岸基站海洋水质在线监测系统的数量也越来越多。监测系统的运行维护工作难度加大，需要投入大量的人力、物力。再加上海洋水质的复杂性，还会导致水质监测的水样预处理难度增大、传感器或分析仪测量方法选择、相关设备硬件使用寿命缩短等问题。海洋水质在线监测最关键的问题还在于传感器和分析仪的合理性、水样的预处理、系统维护工作的专业性等方面。目前从海洋水质在线监测的实际运行过程来看，这些方面仍然存在一些问题，需要完善和改进。

　　2.1 海洋水质监测传感器与分析仪表

　　从目前的市场总体情况来看，在海洋水质监测浮标领域，进口的传感器与分析仪仍然占据着主导地位^[2]。根据我公司多年的实际项目使用情况，国产的一些传感器与分析仪在技术指标、可靠性、稳定性等方面与进口的产品还有一定的差距。但是，使用进口传感器与分析仪除了成本较高之外，还存在着配件难买、维修周期长等问题。在岸基站系统中，体积较大的柜式化学分析仪则基本实现了国产化，而且产品的可靠性与稳定性已基本赶上了进口产品的水平。

　　部分分析仪表的测量方法并不是很适合测量海洋水质，受到盐度的影响比较大。例如大部分分析仪测量硝酸盐或者总氮采用的是 DTPA 还原比色法，这种方法中 DTPA 对硝酸根离子的还原受到盐度的影响很大，导致最终测量结果偏低很多。

　　2.2 水样的预处理

　　水样预处理的关键体现在过滤这一环节 _[12]。按照国家标准的要求，硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、氨氮等参数的测量需要将水样经过 0.45μm 滤膜过滤 ^[13]，否则其测量会受到浊度的影响。在浮标上采用的营养盐传感器配套的过滤系统存在水泵泵管脱落甚至破裂、滤芯堵塞等问题。岸基站中大多采用不锈钢烧结滤芯，也存在滤芯堵塞、反冲洗效果不佳或滤芯被腐蚀等问题。最终导致无法取到水样或取到浑浊水样，硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、氨氮等的测量结果受到很大影响。

　　2.3 海洋水质在线监测系统的运行维护

　　运行维护工作是保证系统持续稳定运行的重要后续工作 ^[14]。就目前实际情况而言，很多海洋水质监测浮标和岸基站建设完成后，运行维护工作跟不上，导致系统不能持续稳定运行，故障频发，监测数据断断续续。运维工作主要存在两方面的问题：一是维护人员不足，现在浮标与岸基站的建设数量正在迅速增长，而且各个站点之间的间隔往往比较远，这就给维护的时间、空间上增加了更大的压力，需要投入更多的人员参与系统的运行维护；二是维护从业人员的技术水平参差不齐，海洋水质监测系统设计的知识面比较广，包括化学、电路、控制系统、结构等众多专业，对运维人员要求比较高，需要掌握多方面的专业知识。

　　三、展望

　　1）政府相关主管部门积极鼓励和引导各大科研院所、从事相关行业的企业加大对海洋水质监测传感器和分析仪的研发，提高产品的可靠性和稳定性，推进海洋水质监测传感器和分析仪的国产化，可以在很大程度上降低成本，也有利于运行维护工作的开展。另外，从各指标的测量方法入手，开发出更适合海洋水质测量的传感器及分析仪，使监测数据更准确可靠。

　　2）海洋水质监测系统在建设的同时，应重视水样预处理过滤系统的设计。目前传统的烧结滤芯或者圆柱形的高分子材料滤芯不仅容易堵塞，而且可能会有腐蚀，严重影响过滤效果。建议采用聚丙烯囊式折叠滤芯，不仅过滤面积大、出水量大，而且能承受较大的水压；滤芯不易破损，耐腐蚀。同时，要配套设计滤芯的反冲洗系统，保证滤芯过滤的持久性。

　　3）在系统运行维护方面，随着项目的增加，应适当增强运维队伍的技术力量，保证运维工作能够按时跟进。对运行维护的专业人员应进行定期培训和考核，实行持证上岗制度。提高系统运行维护人员的专业技术水平，保证系统运维工作的质量。

　　4）目前海洋水质监测行业相关的规范和标准并不完善，运行维护缺乏比较全面的指导性文件。应加强海洋水质监测行业相关规范和标准的制定与推进工作。

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