宁波市近岸海域在线监测系统的实现与应用

赵宾峰，冯辉强，林桂芳，甘付兵

（宁波市海洋与渔业信息监测中心宁波市315010）

宁波市近岸海域在线监测系统的实现与应用

赵宾峰，冯辉强，林桂芳，甘付兵

（宁波市海洋与渔业信息监测中心宁波市315010）

海洋环境在线监测系统是实现海洋环境立体监测的重要组成部分。本文通过介绍宁波市近岸海域在线监测系统的构建、运行及应用，讨论了在线监测系统项目的建设意义及社会经济效益。结果表明，宁波市近岸海域在线监测系统为决策者整体把握宁波市海洋环境监测信息提供了高效一体化的手段，为社会公众提供了准确有效的海洋生态环境状况信息服务。

在线监测；浮标；灾害预警

1 项目背景

宁波市是海洋大市，拥有海域面积约9 758平方公里，大陆海岸线和海岛岸线长达1 562公里，海洋资源丰富，深水港口岸线、渔业生物、滨海旅游等资源在全国均属领先地位。然而随着宁波沿海地区经济的高速发展和人口的快速增长，海洋空间资源被大幅开发利用，大量污染物排入海洋，由此引发了水质恶化、海洋功能区受损、赤潮等环境灾害频发等一系列问题，对沿海地区社会经济发展和人民生命财产安全造成了一定的威胁。

2 系统建设

宁波市近岸海域在线监测系统的建设从2008年开始启动，2009年6月在象山港海域建成全省第一座全天候、不间断，集海洋水质、水文、气象于一体的岸基海洋自动监测站（大礁岛自动监测站）。该自动站的正式启用，对补充象山港海域生态环境资料和开展象山港赤潮监测预报提供了强大的技术支持。2010年开始在象山港海域开展浮标在线监测系统的建设。2011年12月31日在象山港海域投放了宁波市第一个近岸海域在线监测浮标（强蛟生态浮标），安装有气象、水质多参数、营养盐等监测设备，对象山港海域海洋环境进行连续不间断的海洋水文、水质与气象的监测。该浮标的顺利投放，标志着宁波近岸海域浮标水质在线自动监测建设正式展开，为全市近岸海域浮标建设项目提供了有益的经验。2012年开始在强蛟生态浮标的基础上，正式启动了宁波市近岸海域实时监测系统的建设项目，在3年内基本建成了能覆盖宁波市近岸海域的在线实时监测系统，获取水文、气象、水质、营养盐等参数（表1）。截至2015年12月，宁波市已经建成覆盖赤潮高发区、增养殖区、滨海旅游区、海洋保护区等海洋环境敏感区域的全方位近岸海域在线监测系统（图1）。

系统包括海上自动监测浮标系统、岸基自动站、数字化监控平台、实时监测与信息管理系统等部分。其中海上自动监测浮标10个，岸基自动监测站2套，数字化监控分析平台3套，岸基视频系统1套及实时监测与信息管理系统等。

图1 宁波市近岸海域在线监测系统

表1 宁波市在线监测浮标

2.1浮标

目前，建设完成并正常运行的生态浮标有5套，波浪浮标3套，油类专项浮标1套，海滨浮标1套。投入运行后各套浮标系统运行稳定，锚系牢固，GPS定位系统能准确显示浮标布放点位置变化，数据传输稳定。监测参数覆盖了气象、水质、营养盐、碳氢化合物以及波浪等参数（图2-图4）。

2.2岸基自动站

岸基自动站共有两套，分别位于象山港港口部的大礁岛自动站和杭州湾海域的杭州湾水文气象自动站（表2）。监测参数包括气象、温盐及潮位等。

表2 岸基自动站

图2 宁波市在线监测浮标地理位置

图3 生态浮标在线监测系统

图4 波浪浮标及专项浮标在线监测系统

2.3监控平台

宁波市海洋在线监测系统数字化监控分析平台设计为市、县两级平台建设，用以实现对全市已投放的浮标及岸基自动站在线监测数据进行监控、分析。其中市级监控分析平台2个，县级平台1个（表3）。

为规范宁波市近岸海域在线监测系统数字化监控平台业务化运行管理，确保实时监测数据正常接收、显示，保证数据质量，中心制订了宁波市浮标监控平台管理规定。浮标监控值班由专人负责，每日对浮标监测数据进行监控，并作记录，值班过程中如发现数据漂移过大、数据大量缺失及浮标移位等异常情况，按照规定启动应急处理，并通报系统集成商等相关单位。

2.4室外LED大屏数据实时发布系统

室外LED大屏数据发布系统建设在象山石浦，实时发布海洋监测数据及预警信息以及有关海洋渔业的各项重要法律、法规、政策、公告、重要通知等。我中心根据《室外LED大型岸基视频系统管理使用规定》，明确了管理职责，规范使用LED大屏信息发布系统，确保信息发布的畅通、有序、规范。

2.5实时监测与信息管理系统

宁波市实时监测与信息管理系统分生态浮标在线监控系统、波浪浮标在线监测系统和专项浮标在线监控系统（表4）。实时监测与信息管理系统具有实时监控、诊断、数据采集、短信报警、数理统计、各类图报表生成等功能。

表3 宁波市数字化监控平台

表4 实时监测与信息管理系统

通过监控软件中短信临界值功能模块的设置，实现实时监控系统各项异常情况，包括电源故障、内舱进水、数据异常、浮标移位等，并通过短信向有关人员发送报警信息。在监控软件的预警信息功能模块里能查询到历史信息，分类分时段查询报警数据。同时，软件具备权限管理、角色管理等功能，提供了严密的授权机制，保障系统安全运行。

3 运行维护

3.1有效数据接收率

有效数据接收率=有效数据接收数/应接收数×100%。有效数据接收数为剔除无物理意义的异常值所得到的数据量。应接收数根据采样周期进行计算，减去设备维护、维修后得到的数据量。具体统计结果如图5-图8所示：

经统计，宁波市近岸海域浮标在线监测系统有效数据接收率达到93%，网络连接率为97%，高于项目总体方案中设定的目标值要求。

3.2数据比对

在线监测数据比对是保证数据可靠性和准确性的有效手段。自2012年第一个生态浮标投放以来，我市严格按照年度比对工作方案及实验室质量控制计划稳步推进数据比对工作。共组织实施浮标实时监测系统的比对试验及验证63个航次，参与比对的浮标包括生态浮标、海滨浮标和油类专项浮标。比对参数包括表层水温、盐度、pH值、营养盐、气象和碳氢化合物等15项参数，共获取数据3 000余组。

图5 多参数水质有效数据接收率

图6 气象有效数据接收率

图7 营养盐有效数据接收率

图8 磷酸盐有效数据接收率

3.3系统维护

浮标系统及传感器长期受恶劣的海洋环境影响，其测量精度会产生一定的漂移，影响了其测量参数的准确性，因此需要增加浮标及其传感器的维护频率，在更换试剂和检测器后均应对准确度、精密度和标准曲线进行核查，以确保数据质量[1]。

维护的主要工作内容包括对浮标系统进行系统检查和维护、浮标体生物附着物清理和传感器检修校准、更换试剂等。

通过长期的维护工作，可以发现在整个系统中，故障率较高的为多参数水质传感器，营养盐传感器和电源部分，分别占比19%、17%和14%（图9）。多参数水质传感器和营养盐传感器的故障主要体现为长时间数据异常、漏传、中断等，而电源的故障主要是由于太阳能电板的损坏及老化所造成的。

图9 故障率统计

4 成果应用

项目建设以来，宁波市近岸海域在线监测系统获取了大量的实时监测数据。如何科学有效地应用这些海量数据自然成为我市海洋环境工作的一个重点和难点。近几年，山东、广西、海南、浙江、广东、河北等沿海省份陆续在所辖海域投放了水质在线监测浮标[2]，对其监测资料的应用也进行了一些研究。宁波市也一直在探索在线监测数据的开发与成果应用，目前初步应用于海洋环境敏感区域海水状况通报、赤潮等灾害预警以及为养殖业渔业提供及时有效的信息服务等方面。

4.1浮标数据周报

根据市海洋监测工作方案的要求，开展重点港湾及保护区等敏感海域的数据通报，分析3个监测区域水质状况，编制浮标数据周报，并发布到宁波市海洋与渔业局网站上。

4.2 LED室外大屏实时数据发布

室外LED大屏是发布实时海洋监测数据及预警信息，宣传相关政策法规最直接最便捷的窗口。通过室外LED屏信息发布系统发布了浮标在线监测8时、12时、16时整点的实时监测数据，覆盖了6个监测海域及5项监测指标（水温、pH值、盐度、溶解氧和叶绿素），同时还发布海浪潮汐预报与天气预报等其他信息。

4.3灾害预警

灾害预警和预报是宁波市近岸海域浮标实时监测系统的主要功能之一，其不间断连续实时监测功能在赤潮等灾害应急监测方面发挥了重要的作用，在一定程度上可以代替人工监测。

2014年菲特台风过境期间，渔山和南韭山海域的波浪浮标为我市海洋预报提供了强大的数据技术支撑。2014年三门湾海域和渔山岛海域生态浮标投放后，为该海域渔业养殖用户提供了现场水温和溶解氧等指标测试服务。2015年4月和2016年5月，渔山生态浮标在第一时间监测到该海域水质指标（叶绿素、pH值与溶解氧）的异常波动（图10），经现场监测取样后验证赤潮发生。赤潮暴发前往往会出现一定的征兆，因此可以分析相应的水质参数指标，判断是否出现异常现象，据此进行赤潮的发生情况的判断，进行预警预报[3]。

图10 渔山赤潮期间水质关键指标变化

综上所述，宁波市近岸海域在线监测系统能及时准确地掌握海洋突发事件的第一手资料，并能全程监视整个事件的发展过程。从而为灾害预警预报、灾害调查评估、应急决策等提供科学依据。

5 结语

宁波市近岸海域环境实时监测系统建设实现了海洋环境监测由瞬时监测向过程监测，由定期监测到动态监测的跨越，实现了海洋环境评价由定性评价到定量评价，由现状描述到趋势评价与预测的转变。利用在线监测系统长期、连续、准确的监测资料，可以及时准确地预测、预报海洋灾害和海洋环境质量变化和发展趋势。为省、市、县级政府制定海洋环境保护规划、防灾减灾决策提供依据，为改善和恢复宁波近岸海域海洋生态环境，促进海洋经济可持续发展提供技术支撑；同时，长期积累的宏量监测数据，也将为今后海洋环境大尺度的时空变动研究提供宝贵的资源；项目建设具有显著的社会生态效益。

海上运输、滨海旅游、海洋渔业和养殖业等海洋经济产业对海洋环境有很强的依赖性，准确的海洋环境监测数据和预报将产生显著的经济效益。海上在线监测系统能多介质及时展示海洋环境要素动态变化，具有预测、预报其发展趋势和预警并加快处理突发事件等优势。利用实时、长期的监测资料，不仅可以及时掌握和了解海洋资源的变化状况，更好地开发利用海洋资源，有效避免和降低因为溢油、赤潮等海洋灾害对海洋生态环境的污染和海洋功能的损害，进而改善海洋生态环境质量，还可以为海上运输、渔业生产、海水养殖和滨海旅游等海洋产业发展提供及时、有效的服务，促进海洋经济可持续发展。

6 意见与建议

宁波近岸海域海况复杂，海水浊度普遍较高，高浊度会造成浮标过滤系统的效率低下，甚至堵塞，影响了营养盐传感器和磷酸盐传感器的正常使用，数据的准确度和精确度也在一定程度上受到高浊度的影响。我中心协同系统集成商对传感器进行了多次清洗，对海水过滤装置也进行了改进，起到了一定的效果，但是由于技术条件和现场环境的限制，效果还未达到预期要求。另外，由于系统运行多年，部分传感器及配件的故障率与前几年相比有明显增加。这些因素在一定程度上影响了在线监测数据传输的连续性和准确度，也加大了维护成本。多参数水质、营养盐以及碳氢化合物等传感器都为国外进口，维护成本高、维修周期长，开展业务化推广应用困难较多。因此，迫切需要加强营养盐海水过滤设备以及海洋监测传感器国产化的技术攻关[2]。

在线监测数据质量控制和评价技术上缺乏技术保障和支撑，系统运行以来，产生了大量的连续监测数据，如何判断这些海量数据的有效性和准确性，是监测信息发布系统的基础，也是今后工作的难点和重点。今后需进一步加强在线监测数据评价准则的研究，建立数据量值溯源方法。

我市对在线数据成果应用进行了一些探索和应用。但是数据信息产品的制作和发布还是不够丰富。目前，制作的数据产品主要有浮标数据周报和LED实时数据大屏发布系统，应用在线监测数据对赤潮进行预警也起到了一定的作用。今后，要进一步丰富数据信息产品和成果的种类和内容，特别是将在线监测系统应用于渔业养殖中，结合远程控制等技术，有效避免养殖损失，使其成为渔业养殖业管理的利器。同时，基于云计算，综合利用大数据分析等技术，建立监测数据自动评估应用系统与大数据发布系统，逐步提高项目投资效益。

[1]张江龙，庄马展，刘方，等.近岸海域水质自动监测质量保证和质量控制[J].中国环境监测，2014，30（5）：105-109.

[2]赵聪蛟，孔梅，孙笑笑，等.浙江省海洋水质浮标在线监测系统构建与应用[J].海洋环境科学，2016，35（2）：288-294.

[3]李忠强，王传旭，卜志国，等.水质浮标在赤潮快速监测预警中的应用研究[J].海洋开发与管理，2011，28（11）：63-65.

2017-02-03

宁波市近岸海域浮标实时监测系统建设项目（甬发改审批函[2012]145号）。