海洋环境监测技术的分类、传感器与发展趋势
来源: | 作者:proc903e2 | 发布时间: 2022-11-14 | 631 次浏览 | 分享到:
青岛海创智图科技有限公司将联合相关企事业单位共同推进“智慧海洋计划”将聚焦未来海洋环境安全和智能装备领域的国家重大需求,围绕海洋环境感知、智能海洋装备、海洋安全保障、海洋大数据等主攻方向进行布局,与国家实验室、中国海洋大学、哈工大等涉海企事业单位深度合作,推动大跨度、多学科力量集聚和交互探索,创新融合信息学、人工智能和大数据方法,突破核心共性关键技术,构建“空天-陆地-海面-水下-海底”一体化“智慧海洋”示范系统,形成“智慧海洋”领域的“海创方案”。

我国拥有漫长的海岸线,海洋资源极为丰富,科学、合理地开发海洋资源,是海洋经济可持续发展的需要。通过海洋环境监测工作,一方面能够最大限度保护海洋环境不被污染,为海洋生物提供一个安全的生活环境,提高其繁殖的质量和数量,而且有利于人类生存环境的优化;另一方面加强对海洋环境的监测,可以为海洋能源等开发提供监测数据等。同时,我国是海洋灾害高发地区,加强海洋预报预警监测,可以尽量趋利避害,维护海洋环境,保持生态平衡。

海洋的总体面积占据了地球表面积的71%,众多矿物能源、海水能源以及生物能源蕴含其中,这些实际上能直接或者间接创造经济效益,而且,对海洋资源的开发和利用能够帮助减轻陆地资源的重要途径,对人均资源占有量达不到世界人均资源占有量的中国,更要注重海洋环境监测工作。海洋监测工作是海洋生态环境保护工作的基础,监测质量与检测技术手段密切相关。目前海洋环境监测的主要手段有:卫星和航空遥感系统;船舶、浮标、潜器、海床基、台站等自动监测系统;采样和分析系统。

 

图源:江苏海洋大学

海洋环境监测的类型有哪些?

海洋环境监测包括监视性监测、海洋资源监测、海洋权益监测、基线调查、常规监测、定点监测、应急监测和专项调查等,总体来说也可分为以下四种:海洋基线调查,常规监测,应急监测,研究性监测。

⒈基线调查

基线调查是对特定海区的环境质量基本要素(水文、气象、水质、地质、地貌、海洋生物等)状况的初始调查和为掌握其以后间隔较长时间的趋势变化的重复调查。基线调查又分为初始调查和重复调查两种。初始调查是对特定海域的第一次全方面调查,已获得该海域海洋环境基本要素的背景值;重复调查则是初始调查后进行的重复性且相同性质的调查,对研究区域海洋环境要素的时空分布和随时间差异具有重要意义。

⒉常规监测

常规监测是在基线调查基础上,经优化选择若干代表性监测站和项目进行的以求得空间分布为主要目的,长期逐年相对固定时期的观测。常规监测的布点要具有环境代表性,避开排污口和围垦养殖的排水口区。不同监测航次的监测站位应保持不变,常规监测布点的环境代表性使其能够准确地反映区域海洋的环境质量,并能据此做出环境评估,分析污染物产生原因及污染途径,为海洋环境管理工作提供数据支撑。

⒊应急监测

应急监测又被称为污染事故监测,是指在海上发生有毒有害物质泄放或赤潮等灾害紧急事件时,组织反应快速的现场观测,或在其附近固定站临时增加的针对性观测。常见的海上污染事故有溢油、赤潮、核污染、有毒农药和化学品的泄漏等。这些海上突发污染事故往往可以在短时间内对区域海洋环境造成严重甚至毁灭性的危害,应急监测的主要目的是在污染事故发生后,迅速确定波及范围和污染程度,为指定快速处置措施提供必要的信息和资料,为环境污染事故发生后海洋环境的恢复计划提供信息和数据,以减少和控制污染事故造成的损害,并为界定污染事故的等级和污染事故责任仲裁及民事纠纷提供资料和依据。

 

⒋研究性监测

研究性监测是指针对海洋污染对环境的污染范围、污染强度及迁移转化规律而进行的专项、深入的研究的监测,研究性监测大多由科研单位组织。其主要任务包括:研究生态环境质量,如环境背景值;研究污染物在海洋中的迁移转化,在生物体内的蓄积、传递和浓缩过程;研究海洋污染对海洋生态系统的影响,为海洋环境保护研究提供方向,为预测预报环境质量提供服务;研发海洋环境分析监测方法、监测数据处理方法和监测手段,实现监测方法的标准化和规范化,研究验证环境监测管理方法以及建立立体化的环境监测网。

海洋生态环境传感器及其分类

海洋生态环境监测主要是对海洋水体、沉积物、海洋生物体、海洋大气、气象、水文、海冰等生态健康环境的监测和调查活动。海洋生态环境监测是我国对海洋生态环境保护、海洋环境管理、海洋事业发展的重要手段和措施。我国有关海洋生态环境监测的标准体系相对完善,主要以污染监测调查为主,同时兼并污染与生态长期或短期监测为辅,结合相关海洋工程、开发业务,建立多参数、长期、立体、实时、有效的监测体系。

海洋生态环境传感器可以监测物理、化学和生物等参数,主要包括水质综合参数(pH值、溶解氧、温度、盐度、浊度、叶绿素、化学需氧量和生物耗氧量等)、营养盐、有机物(有机碳、多环芳烃等)、生物毒性、藻类和重金属等。

目前的海洋生态环境传感器有营养盐传感器、重金属元素传感器、海洋碳酸盐体系传感器、放射性传感器、石油污染物传感器、浮游植物传感器等。

 

以浮游植物传感器为例。植物性浮游生物的光合作用与叶绿素、胡萝卜素、藻青苷和藻红蛋白等色素分子有关。近年来研究开发了一种分析植物性浮游生物的粒子数和粒径的光纤传感系统。光纤将波长为488μm的激光传输至水下探头部分,探头在海洋中拖航,对海洋进行扫描测量。浮游生物粒子受光照射产生的荧光和散射光被传回海面,经滤光后,荧光脉冲由光电倍增器转换成电脉冲加以波高分析,从而获取粒子数目和粒径分布的有关信息。

从以上的海洋传感器看来,海洋传感器处于感知海洋的最前端。当前,海洋传感器的设计研发必须注重利用新原理、新结构、新材料,才能够适应海上恶劣的自然环境与条件。我们相信,随着科学技术的不断发展,海洋监测与传感器技术会为人类带来更多的发现。

海洋环境的监测技术

⒈实时监测岸基海洋环境装置

实时监测岸基海洋环境装置是一种实时采集地区海洋环境预报数据的系统,它的主要作用是:对岸基海洋的环境进行实时监测,有利于人们及时了解岸基海洋的环境状况。1991年美国国家海洋大气局在佛罗里达州坦帕湾安装了物理海洋学实时系统,能够实时获得该海湾的水深、风向、潮汐、潮流以及海面油膜移动等数据和状态,这些监测得来的数据对海上船只航行、海面油污移动或者海难搜救起到重要作用,平均每年给坦帕湾创造了超过200万的经济效益。

⒉海洋污染检测技术

目前,许多先进的海洋国家都是通过海洋调查进行水质、污染物、沉积物以及生物等项目的监测。实施海洋污染监测主要依靠高灵敏度的分析仪器,检测出的污染物能够精确到微克量或微微克量。海洋生物污染监测包含生态系统梯度分析法、指示生物法以及群落结构法等。现阶段,利用这些海洋污染检测法,探清了河口和海洋生物体内所含毒性物质的结构、痕量元素、蛋白质的解毒功能等;另外探测贝类、鱼类缺氧相关的碳循环和营养盐循环等,并根据监测结果建立了以某些贝类生物作为水质达标的标准。

由于近年来,海洋污染越来越严重,所以海洋污染检测技术得到广泛应用。尤其是对沉积物的监测技术,倍受重视。因为沉积物通常是处于海底,其稳定性较好,污染物的含量及成分可以准确地反映出海洋被污染的程度。检测出的数据还可以供海洋质量评价作为参考材料。实际的应用案例有:南加利福尼亚大学研制出深海着陆器采用程控装置,它可自动沉降海底,定期采集水界面的样本与该范围内的沉积物,供实验室进行海底沉积的化学营养物质分析。

 

⒊卫星遥感技术

随着计算机卫星技术的发展,卫星遥感监测技术已经广泛应用于海洋环境监测,并取得良好成效。应用的技术配置具体包含有多光谱扫描仪、海洋水色成像仪、沿岸带水色扫描仪和合成孔径雷达等。一般陆地卫星的多光谱扫描仪是用于沿海悬浮泥沙含量和其扩散状态的监测;用于工业排污与生活污水的监侧。在1972~1977年间出现了3次大范围海上溢油问题,采用海洋水色成像仪与沿岸带水色扫描仪用于悬浮物浓度或者海域叶绿素的分析,实现全天24h的海洋油污实时监测,具体监测溢油的分布范围、油膜厚度、移动扩散状况和溢油量等。而合成孔径雷达可以自动生成油污染图像,能对热污染与城市污水排放成图,还能帮助追查突发溢油事件的污染源。

⒋航空油污监测技术

近十年来来,随着石油工业的发展,海上石油运输行业也形成一定规模,由此也引发了石油、原油泄漏等问题,针对这种情况,航空油污监测技术的应用逐渐成熟起来。这项技术具有反应快速等优点,在海洋环境监察及执法取证等方面成效显著。在上个世纪90年代初,英、法、美、日、丹麦等国家在固定海域联合投放了大概25~30台型号、功能不一的航空污染监测系统,而且这些国家的海域管理部门都配置了油污监测的实时预报系统,对本国的监测点实施24h不间断的实时监侧,不仅起到有效测量油溢海区的面积、油膜的厚度以及油溢量等,还能精确鉴别污染物种和污染来源,帮助对非法排污者进行有效取证。

海洋环境监测技术发展趋势

随着科学技术的进步,在光学、电学、机械学、材料学飞速进步的带动下,海洋环境监测技术不断更新完善,监测仪器性能已有大幅提高。传感器技术的发展使海洋环境监测真正进入实时化和立体化时代。20世纪80年代以来,海洋环境监测呈现“多元化、实时化、长时序、立体化”的发展趋势。一方面国家和区域的海洋环境监测系统在关键海域发挥着重要作用,另一方面海洋环境监测资源共享与全球化监测网络成为一种趋势。

⒈监测仪器向微型化、多参数化方向发展

海洋环境的复杂性,要求海洋环境监测仪器能够进行现场、原位、在线监测,并且兼具小型、灵敏、快速、自动化等特点。由于微电子、微型传感器、计算机技术、新材料技术、遥感卫星技术及各种高新技术的应用,海洋环境分析监测仪器的设计发生了根本性改变。很多仪器正在向小型化、微型化、多参数化的方向发展。微生物技术、光电技术、生物芯片技术、分子生物学技术以及其他多种新技术不断被吸收应用于传感元件,新一代新型监测仪器正推动着海洋环境监测仪器的发展。

目前多参数水质监测仪大多已经发展为由多个单功能或多功能的微型探头组合而成,如美国哈希公司生产的多参数水质监测仪,最小外径不足125px,可以监测溶解氧、pH、氧化还原电位、电导率(盐度、总溶解固体、电阻)、温度、深度、浊度、叶绿素a、蓝绿藻、罗丹明WT、铵/氨离子硝酸根离子、氯离子、环境光、总溶解气体共15种参数。除此之外,色谱仪、分光光度仪、X射线荧光光谱仪热分析仪等仪器的体积大大缩小,目前已有便携式的气相色谱仪、光谱仪、近红外光谱仪、X射线分析等便携式分析仪器面世。

由于海洋高盐、高复杂性、辖区面积广阔等特点,海洋环境监测仪器与淡水水质监测仪在设计方面存在一定差异,一些海洋浮标、潜标和海底监测平台位于远离陆地的远海或深海,不能像岸基监测平台一样频繁地更换仪器试剂、能源,故海洋环境监测仪器除了向小型化、多参数化方面发展外,低耗能、溶剂消耗少也是未来海洋环境监测仪器发展的一个方向。目前已有一些厂家推出无溶剂监测仪器,如美国特纳的TD-1000C是一种连续型、在线式、无溶剂的紫外荧光油类监测仪。

另外,海洋微生物丰富,长期在水下工作的监测仪器不可避免地会遭到海洋生物的附着和损坏,导致仪器性能下降,使用寿命缩短,特别是一些敏感元件表面发生少量的腐蚀和生物附着就能够使器件的工作性能受到损坏,进而使整个仪器系统的测量准确度和可靠性下降。又由于海洋中的许多极端环境,诸如海底高压,海底热液喷口等,海洋环境监测仪器在未来的发展过程中,必定要发展新型的对极端环境耐受力较强的传感探头或监测方法,并与材料防腐和防生物附着技术结合,以研制出体积小、溶剂用量少或无溶剂、抗干扰能力强、防生物附着、防腐蚀的高效敏感的多参数海洋监测仪器。

 

我国的海洋监测仪器产业在高端产品、创新研究方面,遭遇国外垄断、技术封锁,在中低端产品方面有自己的产品,但仍缺乏关键的核心技术,缺乏对工艺和关键材料的深入研究,关键技术仍然依靠进口。另外,用户对国产仪器缺乏信任也是造成我国监测仪器相对落后、裹足不前的一个重要原因。我国除了温盐深测定仪器外,其他理化监测仪器的成型产品还很少,海洋仪器研发和生产厂家较少,国内的海洋监测仪器生产厂家的规模均不大,且缺乏自主创新产品。

⒉海洋环境自动监测系统集成

海洋环境自动监测系统主要有两方面优势:一是采用原位监测的手段能够实时在线反映海洋环境的变化情况;二是采用自动监测,大大减少了人力投入,方便获得连续、稳定、长期的监测数据。

原位监测是指对原位测试对象采用安装传感器、采集器、通信器等方式,进行自动化、电子化、数字化、联网化的连续、动态、实时更新数据的原位测试,原位监测是很多科学家大力推崇的用于海洋环境监测的方法。早期海洋环境监测部分环境要素是通过海上样品采集,带回实验室分析检测的方法,这种方法是将待监测的环境要素与海洋环境脱离,不能真实地反映海洋环境状况,也不能获取连续实时的数据。而原位探测能够监测海洋区域的空间和瞬间连续变化的信息,真实反映海洋环境活动演化的动态体系,且操作简便、灵敏度高和反应速率高,特别是在海洋极端环境条件下,如深海高压、海底热液喷口、极区海洋等。样品的采集和保存面临很大的挑战,原位监测则能深入这些区域,获得全面准确的海洋环境信息。原位监测技术是对传统海洋学研究方法的一次重大突破,它的应用对促进海洋资源的探测、海洋环境的监测与保护和海洋科学的研究有重要的意义。

随着传感技术和通信技术的发展。海洋自动监测技术迅速崛起,目前各海洋强国都组建了适用于海洋动力学要素和海洋环境污染物的同步自动观测网络。包括岸基海洋环境自动监测平台、海底观测网、自动监测浮标、潜标和海床基固定及移动自动监测平台,如何研制体积小、耗能低、数据实时传输、适应海洋复杂环境、多功能多参数、可长时间连续稳定工作的自动监测系统,仍是未来海洋环境监测发展的重点方向。

 

⒊深海观测技术

深海蕴藏着丰富的油气资源、矿产资源、生物及基因资源。近年来,各国在深海的竞争日益激烈,深海成为继海面/地面观测、空中遥测遥感之后地球科学的第三个观测平台,深海观测系统正逐步成为海洋技术领域的研究热点。可视化的、实时的、长时序的深海环境监测,对海洋矿产资源的成矿机理、开发环境、环境影响评价等研究;对深海生物及其基因研究,都有重要意义。

由于深海高压等特点,几乎所有的浅海监测仪器都不能直接应用于深海,必须通过采用特殊材料、构建新型微型化电极或光学元件、采用光电机一体化等手段。研制耐高压、耐海水腐蚀、低耗能的观测仪器,发展适用于深海环境(如高压、高温、高盐等)监测的传感器或仪器;发展适于深海环境观测的移动或固定平台发展水下观测系统的供电、数据通信和组网技术;发展空间、水面、水下、海底多平台立体观测技术;建立长期的水下或海底观测网,是深海海洋环境监测技术发展的基本趋势。

⒋区域海洋环境立体监测网络与信息服务

国际先进区域立体实时监测体系通过“实时观测—模式模拟—数据同化—业务应用”形成一个完整链条。通过互联网为科研、经济以及军事应用提供服务,区域海洋环境立体监测更强调整体性、系统性的观测;根据区域环境特点,通过岸基、船基、海基、海床基、空基、天基相结合,形成空-天-海一体化监测,向人们提供立体、连续、实时、长期的海洋数据。

 

随着社会的发展,环保理念已被越来越多的人接受,海洋开发产业得到了长足发展,海洋环境监测不仅是为了满足科研和国家的需要,越来越多的企业和个人也希望了解海洋环境信息。已有很多国家将信息服务纳入区域海洋环境立体监测网络,通过互联网与政府相关部门、科研单位甚至是个人共享监测网络的数据信息。今后,发展以社会需求为导向,以服务经济、社会发展和国家利益为目标的区域海洋环境立体监测网络及信息服务将成为海洋环境监测发展的一个重要方向。

⒌海洋环境监测全球化网络

海洋是一个连通的整体,要想真正了解海洋,必须从全球大尺度上进行研究。目前国际上正在积极展开各地区、各个国家观测系统的联合运作,以实现在各国现有观测网络基础上进行联合观测和数据共享,提高全球性海洋观测能力。由联合国教育、科学及文化组织政府间海洋学委员会和世界气象组织合作,联合发起的全球海洋观测系统便是基于海洋监测全球化思想提出的,通过联合各个国家、单位,全球布点,研究大尺度海洋气候循环及其演化规律。

国际海洋资料与情报交换系统是开展海洋资料与情报交换系统的联合国成员国海洋资料中心和组织的总成,目的是以最低可能成本向各国研究人员提供国际交换资料,它全球海洋数据搜集、数据应用和资料共享等方面发挥了积极作用。我国也于1981年加入,与世界主要海洋国家建立了良好的合作关系。但我国海洋环境监测技术与美、日和部分欧洲国家相比还比较落后,只有加大国际间合作,积极参与全球化的海洋观测计划,共享监测信息,才能更快、更好地提高我国海洋环境监测的能力。