东海陆架水文浊度要素自动采集系统设计

姜静波, 李安春



东海陆架水文浊度要素自动采集系统设计

姜静波, 李安春

(中国科学院海洋研究所, 山东青岛 266071)

提出了一种利用四脚架体原位观测东海陆架区域水文、浊度要素的方法, 通过数据采集单元, 实现对测量要素的采集和存储。通过对获取数据的分析, 表明该方法安全可靠, 可为揭示东海内陆架沉积过程研究提供数据来源。

陆架; 浊度; 数据采集

东海陆架位于欧亚大陆和太平洋之间, 西北有长江的注入, 东南有台湾河流注入, 是一个物质来源十分丰富的海区, 新近纪以来堆积了厚达数千米甚至万米的巨厚沉积地层, 近代沉积依然活跃, 其独特的沉积学地位备受国内外地学界的关注。为研究东海内陆架季风演化信息及中全新世高速沉积过程, 并提供原始海洋观测要素, 本文提出了一种在东海陆架泥质沉积区连续原位观测浊度、悬浮体、温度和剖面海流要素的研究方法, 设计了四脚架观测系统, 并成功捕获一次台风过境过程, 对沉积物输运和海底侵蚀的作用过程提供了重要的数据支持。

1 四脚架观测系统整体布局设计

系统通过控制舱将方向倾斜传感器, 光学后向散射仪(Optical Backscatter Sensor, 简称OBS), 水质传感器集成于一体, 每30 min开机一次, 各设备每次分别工作2 min。3个OBS探头分别布置于离海床0.6, 1, 1.4 m处, 用于获取泥质沉积区域底层的剖面浊度数据资料; 声学多普勒剖面海流计(Acoustic Doppler Current Profiler, 简称ADCP)用于测量四脚架上端海底2 m处至海面的剖面流速流向数据, 相干脉冲声学多普勒剖面海流计(Pulse-Coherent Acoustic Doppler Profiler, 简称PC-ADP)用于测量海底1.7 m处至海床的剖面流速流向数据, 由系统电池舱供电, 采样间隔为30 min。粒径分析仪采用人工下放方式, 获取海面至海底的全剖面各水层悬浮体浓度数据。其整体布局如图1所示。

考虑到系统集成多种传感器, 且布放于海底, 多通道与低功耗成为数据采集系统的首要选择条件, 选用Campbell公司的CR1000数据采集器为本系统的控制单元核心, 该数据采集设备可满足低电量、高精度的测量测量要求, 拥有8组模拟通道和数字通道, 可扩展的存储空间。数据采集器通过受控开关直接控制方向倾斜传感器, OBS, 水质仪集成于一体, 每30 min开机一次, 各设备每次分别工作2 min。ADCP用于测量四脚架上端海底2 m处至海面的剖面流速流向数据, PC-ADP用于测量海底2 m处至海床的剖面流速流向数据, 由系统电池舱供电, 采样间隔为30 min。

其电器框图如图2所示。

针对本系统工作环境的特殊性, 其供电单元由多组电池舱组成, 并针对不同设备的工作电压作了区别设计, 其中针对CR1000数据采集器设计了12 V输出的电池舱, 针对ADCP和PC-ADP了48 V输出的电池舱。数据采集器每10 min采集一次浊度数据和姿态数据, 每30 min控制继电器给海流计上电, 采集一次剖面海流数据。

系统能耗设备为ADCP、PC-ADP、OBS、水质仪、方向方位传感器以及CR1000数据采集器。设计时将每台设备的功耗参数统计如表1所示, 对于各部件的加电时序的设计上, 充分考虑了各部件能耗, 保证能源的合理分配和供给。

2 系统整体投放、回收与数据分析

2015年6月, 四脚架观测系统搭载基金委东海航次, 成功投放于121º18.661′E, 27º24.574′N约40 m水深海域, 于2015年9月完成回收, 共获取了观测海域全剖面海流数据3 600组, 温盐数据10 800组, 悬浮体浊度数据113 000组以及累计50组剖面的悬浮体浓度分布数据。

2015年7月12日, 超强台风“灿鸿”在浙江沿岸登陆, 观测点恰处于台风路径中, 对7月份近海床区域水体浊度和温度数据进行了初步的分析, 如图3所示, 可以看出, 在7月10日至14日期间, 浊度数值显著升高, 对应温度数值略有下降, 其原因可能在于受台风影响, 流浪搅动海床泥沙所致。台风过境后, 浊度数值缓慢下降, 温度数值缓慢上升, 后期变化符合季节性水温变化规律。

从分析结果看, 水体浊度趋势曲线符合极端天气现象过境时的规律, 可见此观测方法能够较为真实地反映海底海水浊度情况, 满足水下长期测量需求, 可靠性较高。

3 总结

文章为获取影响东海陆架沉积过程的水文浊度要素, 建立了一套四脚架原位监测系统, 其合理的配重与设备的布局保证了四脚架观测系统能够长期稳定的保持原位工作状态, 为获取该地区连续的沉积要素提供了可靠的保障。数据采集系统通过定时控制各传感器上电的设计可确保系统储备电源的高效利用, 同时实现多路、多种形式的信号输入与输出。监测系统可扩展性和自适应能力强, 具有理想的通用性。

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Design for automatic collection of hydrology and turbidity samples on the East China Sea Shelf

JIANG Jing-bo, LI An-chun

(Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

A method for observing the hydrology and sediment suspension on the East China Sea Shelf is proposed. Equipped with a data acquisition unit, the method uses a metal frame to complete the acquisition and storage of samples. It can be seen from the measurement results that the system operates normally, has high reliability, and can provide source data for the study of deposition process on the East China Sea shelf.

shelf; turbidity; data acquisition

(本文编辑: 刘珊珊)

[National Natural Science Foundation of China, No. 41430965]

Apr. 22, 2016

TP212.9

A

1000-3096(2016)08-0091-03

10.11759/hykx20160422001

2016-04-22;

2016-06-23

国家自然科学基金重点项目(41430965)

姜静波(1979-), 男, 山东青岛人, 副研究员, 主要从事海洋环境监测仪器的研究, 电话: 0532-82898736, E-mail: jiangjingbo@qdio.ac.cn