基于FerryBox系統的渤海海峽表層海水水質及溢油監測

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(中國科學院煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺 264003)

渤海海峽水域是黃海與渤海的分界線[1]，其南北、東西向航道是各類船舶進出渤海各港口的主要航路，船舶密度大，是海上交通的一個重要水域[2]。其獨特的地理位置決定了海域的重要性，這一區域也成為海上溢油潛在的高風險地段。遙感技術一直以來是海上溢油監測的主要手段，包括可見光遙感、紅外遙感、微波遙感、激光熒光遙感和紫外掃描遙感等多種方法，其主要缺點是空間分辨率普遍比較低，探測靈敏度不高[3-5]。另一種方法是利用現場檢測，主要是對采樣海水進行分析，檢測水體中有色溶解有機物(colored dissolved organic matter，CDOM)含量，進而判斷水體中有機物質濃度，作為溢油的重要依據[6-7]。現場調查的缺點是受海況的影響，一般是階段性或者季節性海上站位調查，航次之間時間跨度較大，海水樣品實驗室分析周期長，其調查結果不能反映海區的實時動態變化，對溢油應急檢測的響應不高。

FerryBox是利用志愿船對表層海水水質進行連續自動檢測的技術，其技術越來越成熟，在歐洲獲得了廣泛應用[8-9]。筆者利用FerryBox系統所集成的溢油探頭，在渤海海峽對表層海水進行斷面調查，分析了該海區的溢油及水質的時空動態變化。

1 技術與方法

1.1 FerryBox系統

一個標準的FerryBox系統主要包括水路循環系統、傳感器、數據存儲和傳輸系統、自動清洗系統四大部分(見圖1)。其進水管路可以單獨設計，也可以從機艙內的潛水泵抽取，進入水路循環系統的海水先通過脫泡器去除氣泡，移除海水中的泥沙后，通過水路系統流經各傳感器單元，流量控制器可以控制水量與流速，對流經探頭的流速、壓力進行設置，以獲得各傳感器參數測定所需要的理想水壓和流速，之后水被排出至機艙外，從而完成一個循環。系統設有水路分支，可對海水進行單獨取樣，以用于室內校準或者其他分析。

圖1 FerryBox結構原理示意(圖片由合作伙伴Wilhelm Petersen博士提供)

FerryBox每分鐘測量6次，系統將6次測量平均結果作為最終結果進行存儲，每分鐘保存1次數據。當船抵達近岸或者停靠碼頭時，可以使用GSM/GPRS等無線網絡傳輸數據，也可以通過網絡遠程登錄系統對儀器運行狀況進行檢測、維護以及數據下載。儀器運行結束后可自動控制進行清洗，混有硫酸和草酸的淡水可去除循環水路內的鐵銹以及微生物，避免其對測量結果造成影響。

1.2 溢油傳感器及水質傳感器

本次調查的FerryBox系統由德國4JENA公司生產，所使用的水質參數傳感器包括：溫度傳感器(FSI，美國)、鹽度傳感器(FSI，美國)、pH傳感器(Endress and Hauser，德國)、濁度傳感器(Turner，美國)、藻類分析(AOA,bbe-moldaenke,德國)、溶解氧/飽和度傳感器(Endress and Hauser，德國)。其水路設計可以根據需求添加其他所需的傳感器，所使用的溢油監測探頭是來自德國HZG研究所Wilhelm Petersen博士提供的由德國TriOS公司生產的CDOM和OIL探頭。

使用UV熒光法探測水體中芳香烴水化物，當目標化合物在釋放其吸收的高波段波長時會產生熒光。當水體中含有特別UV光譜的波長化合物時，少量的水化物都可以釋放出高波段的熒光，測量這種熒光的強度可以反過來計算水體中的相應波段的物質濃度。自然水體中的PAHs往往是來自黃色物質(CDOM)，可以通過探測PAH的閾值來探測水體中油脂物體，通過一個固定的相關系數可以獲得水體中該物質的密度。Oil探頭所使用的enviroFlu-HC是基于該原理的一種新的測量水體中油類物質的傳感器，其UV熒光探頭比普通探頭要靈敏很多倍，可以探測水體中微量的PAHs痕跡。該探頭既可以在實驗室使用，也可以在野外使用，本項工作首次將其集成在FerryBox系統中(見圖1)，對通過探頭的海水進行連續測量，獲得渤海海峽油類物質濃度，同時使用了另一個TriOS生產的CDOM探頭進行數據對比，獲得海區表層海水中溢油相關物質的分布數據，為海上溢油分布現場檢測提供一個新的方法。

1.3 調查海域及監測內容

2016年12月2—4日，TriOS的Oil、CDOM兩個探頭首次安裝于科考船“創新1號”FerryBox系統上，通過共享FerryBox的水路獲得FerryBox所采集的表層海水，保持與FerryBox系統的準同步運行狀態，通過往返煙臺-大連航次連續采集了3天的數據(調查路線見圖2)，獲得了該航線上TriOS的Oil、CDOM數據及表層水溫、鹽度、pH、葉綠素、濁度、溶解氧等水質參數，所取得的表層水樣約為海峽表層2.5～4.5 m水深。

圖2 2016年12月2—4日渤海海峽斷面調查航跡圖(圖中灰線與黑線)(水深數據來自etopo2)

2 監測結果與分析—渤海海峽水質因子時空動態變化

TriOS的Oil探頭和CDOM探頭所獲得的數據具有很強的相關性。圖3為TriOS的Oil探頭與CDOM探頭時間上相關性示意圖。

圖3 TriOS的Oil探頭與CDOM探頭時間上相關性示意

從圖3可見，除了12月3日0-7時，CDOM數據出現偏移之外，Oil探頭和CDOM探頭數據有很強的正相關關系，其變化趨勢大部分時間都吻合的很好。由于本次調查是沿著固定航線的往復調查，所以FerryBox所測得的各項水質指標在時間和空間上會出現相同趨勢(見圖4)。

圖4 FerryBox所測得的各項水質參數與Oil，CDOM探頭數據隨緯度的變化

從空間分布上來看，FerryBox所獲得數據具有明顯的區域特征，Oil和CDOM探頭所測得的值在靠近煙臺港附近是一個顯著的高值區，隨著緯度升高，其值也逐漸升高。過了渤海海峽南部附近逐漸降低，然后繼續升高，在靠近大連方向水域時又降低，形成從空間上由南至北一個“高-低-高-低”的分布。表層海水溫度的分布在靠近近岸低，往渤海海峽北部逐漸升高，從南到北是一個逐漸升高的過程；鹽度的分布則在海峽的中部有一個低值區，海峽的南北段鹽度相對高；水中的溶解氧為南部近岸的含量高，往北逐漸降低。與溫度的分布相反，這3個探頭所顯示的每24 h內的變化趨勢是一樣，但是濁度探頭所測的值隨著時間推移與其他探頭趨勢不一致。從煙臺港出發后濁度值有一個從低到高的過程，到海峽南部有一個相對的高值區，之后整個海峽的濁度保持在一個同樣尺度變化的水平。圖5反應了水質參數在地理空間上的變化，所選取的數據為調查最后一日的分布數據，由圖5可見，觀察到海峽的水質參數變化主要與地理分布有關。

圖5 FerryBox各個探頭測量值與TriOS的Oil 及CDOM探頭測量結果在空間上的分布

3 討論

3.1 利用FerryBox實現低成本自動監測

海上溢油往往是突發事件，現場的水質調查可以獲得第一手的數據，傳統的站位調查方式受到多種因素(如海況、天氣等)的影響，在時間、空間上缺乏連續性，調查數據的處理、分析也需要耗費時間，會導致調查結果有一個滯后期，難以做到快速評價一個海區的溢油狀況、環境要素現狀等。FerryBox系統的設計可以在很大程度上彌補傳統調查方式的不足，除可以獲得常規的溫度、鹽度、pH、溶解氧、葉綠素等水質參數外，還可根據需要添加其他類型的傳感器，根據需要選擇重點海區進行水樣分析，在溢油事故現場調查、溢油潛在影響區域調查中，可以快速地獲取海區的溢油參考數據，并結合水質參數數據對現場進行評估。其次，其設備操作簡單，自動清洗大大減輕人工維護的工作量。遠程操控功能和監測數據長距離無線傳輸功能，可對儀器進行遠程操控和維護，并保證所獲得的監測數據能夠及時傳輸。在未來的調查中，可以進行多個調查船、支援船等船只協同調查，實現低成本的海洋生態環境的長期、可持續監測。

3.2 渤海海峽水環境因子對溢油時空分布差異的影響

溢油現場調查往往希望對溢油漂移路徑進行預判，現場的水動力要素調查數據可以提供海流的具體信息。本次調查中使用的船載300K RDI走航式ADCP，從現場調查數據(圖6)看海峽海水流向主要為東西向流，南北方向流弱，在北部和南部海峽處的流場比海峽中部強，這是典型的海峽冬季水流特點。一般認為海峽的渤海與黃海的水交換具有“北進南出”的特點[10]，冬季渤海海峽受到黃海暖流的影響，海峽北部有一水舌經老鐵山水道進入渤海內部[11]，海峽處海水受到季風影響被表層風攪拌，海底沉積物發生再懸浮，使得海峽中部的表層濁度較高[12-13]。這種水動力因子作用造成了水環境因子南北差異，如本文所觀測到的溫度、鹽度、溶解氧的不同分區，冬季渤海海峽北部較大潮流流速加上較強的東北季風，導致海水渦動強度不斷增強，海底沉積物發生再懸浮，從而導致冬季海峽海域易出現較高表層濁度。在實際的海上溢油區調查作業中，水質因子結合動力因子數據可以為預測溢油污染趨勢、油膜漂移路徑提供依據。

圖6 船載走航式ADCP對渤海海峽的連續測量結果

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