一种新型海洋环境长期连续监测系统及其防生物附着装置的设计

董大圣，刘海丰，张国华，张曙伟，范秀涛，李 民

(山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛266001)

一种新型海洋环境长期连续监测系统及其防生物附着装置的设计

董大圣，刘海丰，张国华，张曙伟，范秀涛，李 民

(山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛266001)

主要介绍了一种海洋环境连续监测系统的设计与实现。现有的水下监测仪器一般长时间放置在水下，不可避免地会遭受海洋生物附着和损坏，通常3个月到6个月左右需要清理或者更新一次。设计采用新型监测结构，将被测海水抽样到舱内进行相关参数的检测，检测完成后，将海水排回海中，舱内仪器采用消毒液和清水自动冲洗。通过这种方式，避免了海洋生物的附着和污染，检测仪器可以长期可靠地运行，减少了设备的维护次数，在海洋监测领域具有重要的意义。

海洋环境；监测；海洋生物附着

随着国家对海洋资源开发与利用重视程度的不断增强，以及海洋生物养殖和海洋工程活动的不断增多，近岸海洋污染和典型生态系统功能退化已成为我国海洋环境存在的主要问题，海洋环境监测工作在海洋环境保护政策制定、海洋灾害防治和海洋生态修复工程评估等方面所起到的作用愈来愈为重要，海洋环境参数的长期连续监测系统成为这些生产和科研任务重要技术保障手段。长期以来，海洋监测设备，特别是水下监测设备容易受到海洋生物的附着，造成设备性能下降、测量结果精确度降低以及设备使用寿命的下降。本文主要阐述了一种新型的海洋环境连续监测系统的设计与实现，该设计采用海水抽样测量法，将海水抽取到容器中测量，测量完成后排入大海，而后使用消毒液和清水对容器和传感器进行消毒和清洗，达到设备长期连续使用的目的。这将大幅度提升目前渤海生态环境监测系统的监测能力和业务化运行水平以及信息处理、产品深加工方面的综合实力，为渤海海洋生态环境的保护决策提供信息服务。

1 课题背景

环渤海经济圈在我国经济发展中举足轻重，是全国城市区、工业区、港口区最密集的地区之一，也是继珠江三角洲、长江三角洲之后的我国经济发展新的热点区。“十一五”期间，随着国际间生产要素优化重组、产业转移加快和国家实施振兴东北老工业基地战略的实施，为环渤海经济圈注入了强大的发展动力，同时也不可避免地对海洋生态环境带来了前所未有的压力。

渤海是目前我国海洋环境污染最为严重的区域之一。近年来的连续监测结果显示，进入21世纪以后，渤海环境污染仍未得到有效控制，污染海域面积仍然较大，轻度、中度和严重污染海域的总面积呈上升趋势。5 a以来，渤海污染海域总面积在1.9～3.2万km2之间波动，占渤海总面积的24%～41%，表明渤海水质所受到的污染程度一直比较严重。其中，污染程度较重的海域面积逐年显著增加，由2001年的3 380 km2增至2005年的10 900 km2，增幅达7 520 km2。陆源污染物排海仍然是造成渤海海域污染严重的主要原因。同时，渤海海域河口和海湾生态环境功能明显退化，生态系统脆弱性增加。2004—2005年对渤海海域的双台子河口、滦河口-北戴河、渤海湾、莱州湾和黄河口等5个典型生态系统的调查监测结果表明，以上生态系统均处于亚健康和不健康状态。另外，生态结构退化的问题在整个渤海普遍存在，主要表现为浅海底栖动物小型化、潮间带生物的栖息密度及生物量下降，鱼类种类减少、经济种类优势度下降、鱼类个体小型化、低龄化等生态结构退化主要是由恶性采捕、湿地生境大量丧失、水环境基础条件改变及污染等多种原因共同作用的结果，其主要原因是过度捕捞、湿地生境大量丧失、水环境基础条件改变。2004年河北省海洋资源全面调查的结果显示，渤海20 a来海洋生物群落结构，尤其是潮间带生物、底栖动物、游泳动物群落结构发生了明显的变化，呈现出严重退化的趋势[1-3]。因此，如何能够及时有效地监测到海洋环境的变化，并进行长期的数据积累和分析，对于海洋生产和海洋工程开发具有重要的指导意义。

2 系统设计原理

原有的水下监测仪器一般长时间放置在水下，不可避免地会遭受海洋生物的附着和损坏，导致使用性能下降和寿命缩短。敏感元件表面发生的少量腐蚀和生物附着能够使器件工作性能受到破坏，使整个仪器系统测量准确度和可靠性下降。在海洋附着生物生长旺盛时期和地区，不到半个月的时间，附着生物即能导致仪器失灵甚至完全失效。针对以上问题，设计了一种新的监测系统，如图1所示。

图1 海上连续监测系统原理框图

为了延长各种水下传感器在海上的使用周期，减少海上设备的维护费用，不采用常规传感器直接放在水中的探测方法，而是将水下传感器安装在水线以上适当位置的一个专用测量容器内。如图1所示，在采集控制器的控制下，经过蠕动泵将海水通过蠕动泵抽到测量容器内部；在海水充满容器后，启动传感器采集水质数据；数据采集完后，通过采集控制器将传感器容器的排水阀打开，将容器内的海水放出；在海水放光后，关闭容器电磁阀。然后打开消毒液容器的电磁阀，将消毒液注入测量容器中，对传感器进行冲洗及浸泡；在下一个采样周期启动之前，通过采集控制器将废液阀打开，将使用过的消毒液排到废液箱内，这就避免了将消毒液直接排放到大海，而对海洋环境造成污染。在排净消毒液之后，打开装有纯净水的容器的电磁阀，将纯净水注入测量容器中，对整个容器及传感器冲洗浸泡之后，再打开排水阀，将其排空。到此一个冲洗循环结束。需要注意的是，因为PH传感器不能暴露在空气中，必须浸泡在氯化钾溶液，那么再冲洗完毕后，需要打开装有氯化钾溶液的容器的电磁阀，将氯化钾溶液注满PH传感器容器。在下一次采样开始之前，要先将装有PH传感器容器内的氯化钾溶液排空，然后再注入海水进行测量。

通过这种方法，仅在测量之前才开始将传感器浸泡在海水中，而采样结束后传感器进入清洗浸泡环境，可大大减少水质传感器在海水中的时间，从而也减少了海生物在传感器上的生长时间；通过淡水和抑制海生物生长的溶液浸泡传感器，还可将附着在传感器上的海生物杀死，从而也清洁了传感器的探头，在一定程度上可有效地延长各类水下传感器的使用周期。

3 设计实现

根据设计原理，本课题完成了了该系统的设计与实现，机械结构如图2所示。图2中3个容器采用不锈钢设计，分别盛放氯化钾（KCL）溶液、消毒液、纯净水。氯化钾溶液由于容器体积所限，且使用频率很高，因此采用循环使用的方式进行利用。消毒液和清水的使用频率低，可满足长达1 a的使用需求。所有3个容器的液体需要每年更新一次。

图2 系统设计实物照片

在本项目中，传感器分别采用汉米尔顿公司的溶解氧（DO）电极、电导率电极、PH电极。汉米尔顿电极工作稳定可靠，其外观如图3所示，采用485接口和MODBUS通信协议与主控进行通信。在实际应用中，可以根据不同的需要灵活搭配传感器电极进行各种测量。

图3 汉米尔顿电极

数据采集控制器采用美国CYGNAL公司的C8051系列单片机作为数据采集控制器的CPU。C8051单片机是工业级低功耗、高可靠性的单片机，它具有片内flash，可以大大减少设计复杂度；具有两路异步串行接口（UART），可以配置为232或者485接口模式，分别与传感器和主控进行通信；具有丰富的接口和片内资源，方便控制编程和逻辑控制。数据采集控制器同时具有电机、电泵的控制，由于电机和电泵的功率较大，因此采用光耦隔离的方式控制电机、电泵的上下电。数据采集控制器原理框图如图4所示。

图4 数据采集控制器原理框图

图5 测量控制流程图

4 控制流程和实验结果

数据采集控制流程如图5所示，它和主控采用串口通信方式，采集器启动后等待主控的启动命令，而后执行测量流程。测量流程完成后等待数据上传命令，而后根据相关通信协议上传采集的数据，之后主控断电，整个测试流程结束。在测量流程中，由于浮标的晃动造成不同抽水时刻水管空出的长度的不同，而容器的容量比较小。为了能够在合理误差下抽取适量的采样量，设计了海平面滤波算法来消除浮标晃动造成的差异。通过近半年的运行，根据所采集的数据发现，系统运行稳定，数据采集的结果如图6所示，为连续10 d同一时刻的数据。

图6 数据采集统计图

5 结论

本文介绍了一种海洋环境连续监测系统的设计与实现，该系统采用海水抽样的方法解决了水下设备长期工作的生物附着和污染问题，大大提高了系统的使用寿命。实验结果表明，监测仪器可以长期可靠地运行工作，维护次数大大减少，有效地减少系统维护所需的人力和物力，这对于海洋监测领域具有重要的实践意义。

[1]刘学海．渤海近岸水域环境污染状况分析[J]．环境保护科学，2010，36(1)：14-18.

[2]王书明，周艳，李岩．渤海污染及其治理研究回顾[J]．中国海洋大学学报(社会科学版)，2009(4)：27-31.

[3]崔毅，陈碧娟，陈聚法．黄渤海海水养殖自身污染的评估[J]．应用生态学报，2005，16(1)：180-185.

A New Type of Long-term Ocean Environment Monitoring System and Its Antifouling Device

DONG Da-sheng,LIU Hai-feng,ZHANG Guo-hua,ZHANG Shu-wei,FAN Xiu-tao,LI Min
(Shandong Academy of Sciences Institute of Oceanographic Instrumentation,Qingdao Shandong 266001,China)

A new design of long-term ocean environment monitoring system was introduced.The existing sensors are usually put in the sea directly.The biofouling would be serious within few months.The new design puts the sensor within the buoy and pumps the sea-water into the container to be sensed.After that,fresh water and disinfector are used to clean the sensor and container.Using the device,the biofouling is avoided and the sensor can be robust.This system can reduce maintenance and is very significant for ocean monitoring field.

ocean environment;monitoring;biofouling

P71

B

1003-2029（2012）01-0027-04

2011-08-15

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2007AA092103）

董大圣（1978-），副研究员，主要从事海洋传感器研究。