海洋垂直剖面水溫實(shí)時(shí)監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng)研制與應(yīng)用

張曉芳,賈思洋, 張曙偉,裴 亮, 萬曉正,劉 野

(1.獐子島集團(tuán)股份有限公司,遼寧 大連 116011;2.中國科學(xué)院海洋研究所,山東 青島 266071;3.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所,山東 青島 266071)

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海洋垂直剖面水溫實(shí)時(shí)監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng)研制與應(yīng)用

張曉芳1,賈思洋2, 張曙偉3,裴 亮3, 萬曉正3,劉 野3

(1.獐子島集團(tuán)股份有限公司,遼寧 大連 116011;2.中國科學(xué)院海洋研究所,山東 青島 266071;3.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所,山東 青島 266071)

為了實(shí)時(shí)、連續(xù)地監(jiān)測獐子島海洋牧場養(yǎng)殖區(qū)域不同深度的溫度狀況,為海洋牧場構(gòu)建和運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持,項(xiàng)目組自行研制了海洋垂直剖面水溫實(shí)時(shí)監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng),可以在水深≤50 m、風(fēng)速≤ 60m/s、波高≤15 m的環(huán)境下應(yīng)用。該浮標(biāo)系統(tǒng)主要包括水面浮標(biāo)載體子系統(tǒng)和剖面鏈觀測子系統(tǒng)兩部分,浮標(biāo)載體子系統(tǒng)提供了安全可靠的工作平臺(tái);而剖面鏈子系統(tǒng)上的不同位置掛有多個(gè)水下傳感器,用于測量相應(yīng)位置的海水溫度。耐壓試驗(yàn)、溫度標(biāo)定、室內(nèi)拷機(jī)、現(xiàn)場比測、海上拷機(jī)的檢定數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)無滲漏、誤差小、數(shù)據(jù)接收率100%。海上運(yùn)行18個(gè)月的結(jié)果同樣表明,浮標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)采集和接收率高,浮標(biāo)電壓穩(wěn)定。實(shí)踐表明該浮標(biāo)系統(tǒng)具有測溫精度高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的優(yōu)點(diǎn),具有廣泛的應(yīng)用前景。

水溫;垂直剖面;實(shí)時(shí)監(jiān)測;浮標(biāo)系統(tǒng)

doi:10.11759/hykx20140507002

海洋牧場是一種國際公認(rèn)的有效培育漁業(yè)資源、營造海洋人工生態(tài)系統(tǒng)的方法。海洋牧場的研究、開發(fā)和應(yīng)用已成為主要海洋國家的戰(zhàn)略選擇,也是世界發(fā)達(dá)國家漁業(yè)發(fā)展的主攻方向之一。海洋牧場是指在特定海域里,為有計(jì)劃地培育和管理漁業(yè)資源而設(shè)置的人工漁場:即通過在特定海域內(nèi)建設(shè)適宜生物資源增殖的人工生境,采用放流、底播增殖、移植等方法,充分利用天然餌料,集成生物管理、環(huán)境控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)海洋生物資源量提高和可持續(xù)捕撈;海洋牧場建設(shè)需要一整套系統(tǒng)設(shè)施和管理體制,如人造上升流、自動(dòng)投餌機(jī)、魚群控制設(shè)施、水下監(jiān)視系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和資源管理系統(tǒng)等。

環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)是建設(shè)海洋牧場的重要內(nèi)容。目前我國大部分的海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)仍然依靠船舶觀測和臺(tái)站觀測技術(shù)周期性的采集海洋表層或有限的一些水層的要素?cái)?shù)據(jù),對(duì)于海洋次表層以及深層水下的資料十分稀缺。隨著人們對(duì)海洋科學(xué)認(rèn)知需求的提升,僅僅依靠表層或有限水層的要素?cái)?shù)據(jù),難以對(duì)我國廣闊海域的物理、生物、化學(xué)環(huán)境等多方面狀況進(jìn)行深入了解,無法滿足全方位的立體監(jiān)測要求,不能適應(yīng)我國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要[1]。

海水溫度是海洋水文狀況中最重要的因子之一,常作為研究水團(tuán)性質(zhì),描述水團(tuán)運(yùn)動(dòng)的基本指標(biāo)。對(duì)于特定海域,尤其是水層薄、溫度變化快的淺海區(qū)域,實(shí)時(shí)、連續(xù)地監(jiān)測海水溫度的時(shí)空分布及變化規(guī)律,對(duì)海洋牧場的正常運(yùn)行具有重要意義[2]。國內(nèi)外用于海水溫度剖面測量的主要設(shè)備是 CTD(Conductivity-Temperature-Depth)海洋觀測儀,如加拿大的 G.S.GABLE&ASSOCIATES.Ltd生產(chǎn)的OS100CTD數(shù)據(jù)探測系統(tǒng)[3]和挪威的AANDERAA溫度剖面記錄器[4]等,這些設(shè)備均為自容式,通常在固定站位或船只拖拽情況下吊放在不同深度逐點(diǎn)巡測海水溫度,不能實(shí)時(shí)或長時(shí)間同步觀測溫度剖面的變化。

獐子島集團(tuán)股份有限公司在大連獐子島海域已建設(shè)完成海洋牧場2 500 km2。為了實(shí)時(shí)、連續(xù)地監(jiān)測獐子島海域海洋牧場水溫時(shí)空變化規(guī)律,項(xiàng)目組研制了海洋垂直剖面水溫實(shí)時(shí)監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng),為獐子島海域海洋牧場正常運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。相對(duì)于剖面浮標(biāo)的周期性工作方式,該浮標(biāo)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋垂直剖面上溫度長時(shí)間、實(shí)時(shí)同步監(jiān)測。

1 系統(tǒng)組成

研制的海洋垂直剖面水溫監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng)是在總結(jié)國際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新而成的,技術(shù)指標(biāo)見表1,浮標(biāo)系統(tǒng)示意圖見圖1。該浮標(biāo)系統(tǒng)包括水面浮標(biāo)載體子系統(tǒng)和剖面鏈觀測子系統(tǒng)。

1.1 浮標(biāo)載體子系統(tǒng)

浮標(biāo)載體子系統(tǒng)包括浮標(biāo)體、系留系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、岸基數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)等組成。

浮標(biāo)體采用小型輕質(zhì)浮標(biāo)。標(biāo)體為圓球型結(jié)構(gòu),采用單點(diǎn)錨泊系留,浮標(biāo)殼體采用不銹鋼304材質(zhì)加工,其他部位全部采用不銹鋼316加工。主浮標(biāo)殼體直徑1.2 m,采用模具成型加工,殼體表面包覆一層玻璃鋼,增加浮體的耐腐性和美觀性。殼體內(nèi)部裝有蓄電池(高容量鋰亞電池)、采集控制器、通信設(shè)備等。

表1 實(shí)時(shí)監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng)工作環(huán)境Tab.1 Parameters for real-time monitoring buoy system

圖1 浮標(biāo)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of buoy body

系留系統(tǒng)采用直徑12 mm不銹鋼316鋼絲繩和直徑16 mm錨鏈組合構(gòu)成,錨鏈與鋼絲繩連接端裝有轉(zhuǎn)環(huán)組。便于布放和回收。

數(shù)據(jù)采集處理控制系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)各分層水溫傳感器數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸,并隨時(shí)響應(yīng)岸基接收站的遙控指令。原始數(shù)據(jù)存放在CF卡中,并通過GPRS/CDMA發(fā)送,發(fā)送不成功具有補(bǔ)發(fā)功能。

岸站接收系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分,其主要功能是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的接收和處理浮標(biāo)數(shù)據(jù),并具有即時(shí)報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)及遙控等功能,給用戶研究使用提供方便。系統(tǒng)能同時(shí)接收CDMA/GPRS傳輸?shù)臄?shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理、顯示和存儲(chǔ)。圖2為岸站接收界面。

1.2 剖面鏈觀測子系統(tǒng)

溫度傳感器采用自行研制的鉑電阻型測溫探頭,其測量范圍–5~40℃,精度0.01℃。從海平面開始, 每3 m一層,共設(shè)置9層。剖面鏈電纜采用高強(qiáng)度四芯電纜,將溫度傳感器或溫度傳感器模塊的供電和輸出信號(hào)進(jìn)行并行連接,連接處進(jìn)行橡膠硫化,并進(jìn)行鎧裝保護(hù),以保證溫度鏈整體在50 m水深環(huán)境下的水密性。采用不銹鋼鋼殼封裝溫度傳感器,硫化時(shí)暴露在外面,便于測量水溫。同時(shí)為了增加溫度鏈的抗拉強(qiáng)度在傳感器中特別制作了鋼制強(qiáng)度加強(qiáng)結(jié)構(gòu),最大限度的提高溫度鏈在海水中的抗拉能力。

剖面鏈觀測子系統(tǒng)整體超低功耗設(shè)計(jì),工作結(jié)束后系統(tǒng)處于休眠狀態(tài),待機(jī)電流控制在10 mA以內(nèi)。

圖2 岸站接收界面Fig.2 Shore station receiver interface

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1.1 耐壓試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室,對(duì)溫度鏈傳感器施加2 MPa壓力,經(jīng)過48 h的壓力試驗(yàn),溫度傳感器正常工作,九層水溫傳感器傳回?cái)?shù)據(jù)溫度穩(wěn)定可靠,溫度傳感器及電纜無破損滲漏現(xiàn)象。

2.1.2 溫度標(biāo)定

在恒溫槽對(duì)溫度鏈系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定溫度分別為–5、0、5、10、15、20、25、30、35℃,當(dāng)溫度穩(wěn)定到0.01℃時(shí)開始讀數(shù),穩(wěn)定后每隔5 min讀數(shù)一次,讀6次取平均值。具體標(biāo)定溫度值見表2。從表2中得出結(jié)論,9個(gè)傳感器在–5~35℃,與標(biāo)定值最大誤差為0.3℃,基本穩(wěn)定在0.2℃以內(nèi)。通過浮標(biāo)內(nèi)部程序修正后,精度可達(dá)0.1℃。

表2 溫度鏈恒溫槽標(biāo)定報(bào)告Tab.2 Calibration report of temperature chain in a constant-temperature bath

2.2 室內(nèi)拷機(jī)

耐壓試驗(yàn)和溫度標(biāo)定結(jié)束后,將溫度鏈系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、岸站接受系統(tǒng)一起進(jìn)行不間斷拷機(jī),系統(tǒng)在48 h拷機(jī)中運(yùn)行平穩(wěn),數(shù)據(jù)正常,浮標(biāo)數(shù)據(jù)接收率為100%。

2.3 現(xiàn)場比測

在獐子島漁業(yè)集團(tuán)的科研船上,對(duì)溫度鏈系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場比測,比測時(shí)將9個(gè)溫度傳感器綁在一起,同時(shí)將比測用高精度溫度傳感器和9個(gè)傳感器綁在一起放到海水中,水深1.5 m,放在海水中穩(wěn)定0.5 h后開始讀數(shù),10 min讀一次數(shù)據(jù),共讀10次,經(jīng)現(xiàn)場比測,9個(gè)傳感器的溫度穩(wěn)定性很好,最大誤差不超過0.2℃。溫度鏈傳感器現(xiàn)場比測數(shù)據(jù)見圖3。

2.4 海試拷機(jī)

浮標(biāo)系統(tǒng)整體組裝完成后在青島海域下水進(jìn)行海試,浮標(biāo)入水后姿態(tài)平穩(wěn),系統(tǒng)整體在海中連續(xù)拷機(jī)2d,浮標(biāo)供電系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等設(shè)備正常運(yùn)行。浮標(biāo)數(shù)據(jù)接收率為100%,數(shù)據(jù)接收正常。溫度鏈海中拷機(jī)數(shù)據(jù)見圖4。

圖3 溫度鏈傳感器現(xiàn)場比測數(shù)據(jù)Fig.3 Comparative test data of temperature chain on site

圖4 溫度鏈海試拷機(jī)數(shù)據(jù)Fig.4 Sea test data of temperature chain

2.5 現(xiàn)場應(yīng)用

布放時(shí),采用工程船吊車吊起重力錨放入水中,同時(shí)布放不銹鋼錨鏈,然后將鋼纜和溫度鏈放入水中,最后將浮標(biāo)吊人水中。在重力錨上安裝回收鋼纜,放到海底。

浮標(biāo)于2012年9月23日布放成功布放于指定站位,布放過程順利,岸站接收數(shù)據(jù)正常。迄今運(yùn)行一年多,電壓穩(wěn)定,浮標(biāo)系統(tǒng)仍正常運(yùn)行。

圖5為該剖面浮標(biāo)系統(tǒng)于2013年6月份在獐子島海域測試的水溫變化情況,從圖5中看出,表層水溫日變化幅度較大,且水深15 m以上每層溫度差異較大,18 m層以下,每層之間的溫度差異小,且日變化幅度較小。

圖5 監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)Fig.5 Real-time data of monitoring buoy system collected

3 結(jié)論

項(xiàng)目組研制的海洋垂直剖面水溫實(shí)時(shí)監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng),經(jīng)過室內(nèi)耐壓試驗(yàn)、恒溫標(biāo)定、室內(nèi)拷機(jī)、海試拷機(jī)、現(xiàn)場比測后投入使用。自投放至今運(yùn)行18個(gè)月,浮標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)采集和接收率高,浮標(biāo)電壓穩(wěn)定,具有測溫精度高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了獐子島海洋牧場多層水溫的實(shí)時(shí)觀測,為獐子島海洋牧場正常運(yùn)行提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持,具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 翁杰,劉敬彪,于海濱.海洋定點(diǎn)垂直剖面監(jiān)測控制系統(tǒng)研制[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2010,19(4):108-111.

Weng Jie,Liu Jingbiao,Yu Haibin.Research and design of an ocean fixed-pointed vertical profiler monitor and control System[J].Computer Systems and Applications, 2010,19(4):108-111.

[2] 邵毅,李建國,李家順,等.輕型感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸溫鹽鏈系統(tǒng)[J].海洋技術(shù),2009,28(3):36-39.

Shao Yi,Li Jianguo,Li Jiashun,et al.The light-duty temperature and salt chain system of inductive coupling data transmission[J].Ocean Technology,2009,28(3): 36-39.

[3] 張?jiān)迄i,王淑印,蔣德軍,等.海水溫度測量傳感器鏈[J].應(yīng)用聲學(xué),1996,15(2):7-11.

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[4] 錢炳興,李正坤,候溫良.海洋垂直溫度剖面實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)[J].聲學(xué)技術(shù),1999,2:59-60.

Qian Bingxing,Li Zhengkun,Hou Wenliang.A realtime monitoring and recording system forocean temperature profiles[J].Technical Acoustics,1999,2: 59-60.

(本文編輯:劉珊珊)

Research and application ofreal-time monitoringbuoy system for marine water temperatures of vertical profiles

ZHANG Xiao-fang1,JIA Si-yang2,ZHANG Shu-wei3,PEI Liang3,WAN Xiao-zheng3, LIU Ye3

(1.Zhangzidao Group Company Limited,Dalian 116011,China;2.Institute of Oceanology,the Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,China;3.Institute of Oceanographic Instrumentation,Shandong Academy of Sciences,Qingdao 266001,China)

Mar.11,2014

water temperature;vertical profiles;real-time monitoring;buoy system

The construction of marine ranches is an important shift from the practice of traditional fishing to modern fisheries and represents a movement away from the predatory exploitation of marine fishery resources to environment-friendly and sustainable practices.The construction of ecological environment monitoring systems is an important part of marine ranch construction.For real-time,continuous monitoring of temperature conditions at different depths of farming areas on the Zhangzidao Island marine ranch and to provide scientific data to support the construction and operation of the marine ranch,we have developed a real-time monitoring buoy system that can be used at a water depth of less than 50 m,at a wind speed of less than 60 m/s,and in wave heights of less than 15 m.The buoy system comprises a buoy carrier subsystem and a vertical observing subsystem.The carrier subsystem provides a safe and secure work platform,and sensors that are linked at different depths on the vertical observing subsystem are used to measure water temperature.Data obtained from a pressure test,thermostat calibration test, indoor simulation experiment,in-situ test,and field measurements have shown no leakage and small errors.However,most importantly,a data acceptance rate of 100%can be reached.Results from 18 months of actual marine application have shown that the buoy system is stable,the data acquisition and receiving rate is high,its voltage is stable,and it has a high temperature accuracy.In addition,it has a simple structure and is easily employed, thus has widespread application prospects.

P716+.12

A

1000-3096(2016)05-0109-06

2014-05-07;

2014-06-27

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD23B01)

[Foundation:NationalKeyTechnologySupportProgram,No.2013BAD23B01]

張曉芳(1979-),女,山東萊州人,碩士,主要從事海水養(yǎng)殖研究、科研項(xiàng)目管理,電話:0411-39016238,E-mail:xiaofang8318@126.com;賈思洋,通信作者,工程師,主要從事海洋觀測工作,電話:0532-82899212, E-mail:jiasy@qdio.ac.cn