船舶壓載水取樣機(jī)制的優(yōu)化研究

賈憲章 ，賈寶柱，許媛媛，許嘉琪,龍宇衡

（廣東海洋大學(xué)，湛江 524088）

1 前言

為了最大限度地降低壓載水中外來生物帶來的潛在危險， 2004 年國際海事組織(IMO）制定了《國際船舶壓載水及其沉積物控制與管理公約》 (簡稱《壓載水公約》），該公約于2017 年9 月8 日正式生效。

《壓載水公約》規(guī)定了船舶壓載水檢查的工作程序，當(dāng)其滿足檢查條件時，PSCO 可對船舶進(jìn)行指示性分析，如需要可進(jìn)行詳細(xì)分析核驗(yàn)是否符合D-2標(biāo)準(zhǔn)。其中，對壓載水檢測的難點(diǎn)在于精準(zhǔn)取樣，現(xiàn)階段取樣方法難以準(zhǔn)確評估壓載水中含有的生物濃度，導(dǎo)致港口國對壓載水排放控制缺乏有力依據(jù)。針對壓載水取樣過程中存在的局限性及復(fù)雜性，優(yōu)化船舶壓載水的取樣機(jī)制能減緩壓載水取樣的相關(guān)難度。

2 壓載水取樣方法

依據(jù)《壓載水公約》D-2 標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)取樣導(dǎo)則，利用人孔、測深管或空氣管等對壓載水取樣的方式不是符合檢驗(yàn)的首選方式，這些取樣方式不能得到壓載水排放物中生物密度準(zhǔn)確值。此外，壓載水中其它可變因素也會對取樣結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因此，現(xiàn)有取樣機(jī)制(包括取樣位置、取樣數(shù)量、取樣方式)很難保證壓載水排放物樣品具有代表性。

目前，針對壓載水取樣點(diǎn)以及取樣方法仍處于探討階段，如何選取合理的取樣機(jī)制已成為壓載水取樣中的技術(shù)難點(diǎn)，故優(yōu)化壓載水取樣機(jī)制具有一定的必要性。

3 壓載水排放標(biāo)準(zhǔn)及取樣方法

3.1 壓載水排放標(biāo)準(zhǔn)

船舶壓載水取樣，可分為D-1 標(biāo)準(zhǔn)及D-2 標(biāo)準(zhǔn)。目前實(shí)際港口國在船舶壓載水管理中，普遍采用D-1標(biāo)準(zhǔn)。D-2標(biāo)準(zhǔn)則基于BWMS，根據(jù)《壓載水公約》的D-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對船舶壓載水管理分為浮游生物及微生物進(jìn)行分類控制：

（1）對于浮游生物的排放，要求最小尺寸大于或等于50μm 的可生存生物排放時應(yīng)達(dá)到每立方米中少于10 個/m，尺寸小于50μm 但大于或等于10μm 的可生存生物少于10 個/cm；

（2）對于指示微生物的排放，要求不超過下述濃度：產(chǎn)毒霍亂弧菌，少于1 cfu/100 m1，大腸桿菌少于250 cfu/100 ml；腸球菌少于100 cfu/100 ml；

（3）對于不符合D-2 標(biāo)準(zhǔn)的船舶壓載水，需要通過船載或岸基設(shè)施進(jìn)行生物處理，符合標(biāo)準(zhǔn)后才允許排放到港口國海域。

3.2 壓載水取樣點(diǎn)及取樣方法

目前船舶壓載水取樣以單一取樣方法及單一取樣點(diǎn)為主，這種取樣方式并不適用于所有船舶。若操作人員根據(jù)實(shí)際航行情況及船舶自身特點(diǎn)，擇優(yōu)選取最佳的取樣方法，則耗費(fèi)的時間和成本較高。下面介紹幾種比較常見的取樣方法：

（1）壓載水艙內(nèi)取樣

① 氣動井泵取樣

以氣動柱塞泵形式為主，連接兩根不同用處的管道，一根直接連接到壓縮空氣，一根則用來泵出艙內(nèi)的壓載水。該操作可獲取絕大多數(shù)船舶上的壓載水，但其精確度不高，取樣結(jié)果不具代表性；

② 底部沉積物取樣

取樣器底部安裝相應(yīng)閥門，可從壓載艙內(nèi)不同深度相應(yīng)位置進(jìn)行取樣，當(dāng)?shù)撞坑|碰壓載水底部時控制閥門打開進(jìn)行取樣；

③ 人孔、通氣孔取樣

人孔進(jìn)行壓載水取樣有很大的局限性，消耗人力及時間，需打開人孔，效率較低。

（2）壓載水排放口取樣

壓載水排放口取樣存在相應(yīng)的限制，很難滿足相應(yīng)壓載水取樣條件，取樣結(jié)果也缺乏精確度。

對于以上問題，需優(yōu)化相應(yīng)取樣機(jī)制并結(jié)合壓載水取樣新技術(shù)，則能較好的解決問題。

4 優(yōu)化壓載水取樣機(jī)制

4.1 壓載水取樣機(jī)制技術(shù)流程

（1）根據(jù)不同船型、裝載情況、水層深度等參數(shù)，采取多點(diǎn)、多方式聯(lián)合取樣機(jī)制，便于精準(zhǔn)取樣，從而優(yōu)化壓載水取樣機(jī)制，合理解決目前壓載水取樣所存在的問題；

（2）分析壓載水取樣機(jī)制對評估值的影響，建立評估值模型，精確估算船舶壓載水中活體浮游生物和微生物的平均密度，依據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析壓載水中外來生物的物種鑒定及豐度，考慮靜、動態(tài)參數(shù)的影響，提高樣本取樣豐度，克服傳統(tǒng)取樣方法因生物密度不均引起的估算偏差過大問題；

（3）壓載水取樣多次進(jìn)行，取平均值，基于大數(shù)據(jù)分析減少實(shí)驗(yàn)誤差，從而優(yōu)化壓載水在線智能取樣。

優(yōu)化壓載水取樣機(jī)制技術(shù)流程，如表1 所示。

表1 優(yōu)化壓載水取樣機(jī)制技術(shù)流程

4.2 壓載水取樣機(jī)制優(yōu)化

查閱往年相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息分析，實(shí)時監(jiān)控分析港口海域生物物種多樣性及群體變動趨勢；針對壓載水取樣對生物密度估值的影響，對取樣位置、取樣數(shù)量、取樣方式進(jìn)行優(yōu)化，合理解決取樣精度問題，節(jié)約時間及人工成本，設(shè)計適用于多種船舶的壓載水取樣機(jī)制；基于實(shí)船狀況，取樣點(diǎn)可設(shè)為艙內(nèi)多點(diǎn)取樣與排放口取樣結(jié)合；艙內(nèi)多點(diǎn)取樣，可以從四面艙壁及不同艙底來考慮；此外，考慮時間及進(jìn)出口動態(tài)參數(shù)的影響，通過相應(yīng)技術(shù)矯正其干擾因素對取樣結(jié)果的影響；通過以上壓載水取樣步驟，優(yōu)化相應(yīng)壓載水取樣機(jī)制，提高壓載水取樣機(jī)制的精確化、高效化、智能化。

（1）先了解壓載水處理系統(tǒng)的相關(guān)布置及運(yùn)行情況，便于后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行；

（2）確定壓載水排放口、相應(yīng)取樣點(diǎn)及取樣接口，整理與取樣有關(guān)的各種實(shí)驗(yàn)器材，連接各組件組成取樣裝置；

（3）放出滯留于排放管路及艙內(nèi)取樣管路的壓載水，注意需將滯留水徹底放出，避免影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析過程；

（4）對相應(yīng)壓載水樣本進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)實(shí)時檢測，考慮時間及進(jìn)、出口動態(tài)參數(shù)的影響，控制單一變量，將部分浮游生物網(wǎng)浸沒至取樣壓載水中，實(shí)驗(yàn)過程須調(diào)整閥門，保持其水位穩(wěn)定；

（5）取樣前應(yīng)先矯正其進(jìn)出口監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高樣本取樣豐度準(zhǔn)確性；取樣點(diǎn)可設(shè)于該實(shí)船的四面艙壁和不同艙底；取樣方式以艙內(nèi)取樣與排放口取樣結(jié)合為主，考慮實(shí)時因素的影響，調(diào)整相應(yīng)動態(tài)參數(shù)，提高實(shí)驗(yàn)的合理性；

（6）取樣結(jié)束后取出浮游生物網(wǎng)，收集整理相應(yīng)樣本，將樣本置于保藏箱帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行詳細(xì)計數(shù)分析。

通過以上實(shí)驗(yàn)步驟，分析相應(yīng)取樣結(jié)果來判斷優(yōu)化取樣機(jī)制的可行性，避免以局部代替整體取樣，使其研究更全面、合理；鑒于壓載水取樣機(jī)制復(fù)雜性，根據(jù)不同船型、裝載情況、壓載水水層深度等參數(shù)，探索智能取樣機(jī)制，并結(jié)合對應(yīng)的取樣方法，設(shè)計適用于多種船舶的壓載水取樣機(jī)制；為實(shí)現(xiàn)對浮游生物、微生物進(jìn)行精準(zhǔn)識別，主要采用小樣本優(yōu)化分析并結(jié)合其他智能方法，分析壓載水中生物組成、密度和存活性等數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)估算壓載水中生物密度的平均值；基于大數(shù)據(jù)理論，為優(yōu)化壓載水取樣機(jī)制提供更適合的規(guī)程。

4.3 壓載水取樣機(jī)制相關(guān)技術(shù)

首先，分析壓載水取樣機(jī)制對評估值的影響，建立評估值模型，精確估算生物密度平均值；在此基礎(chǔ)上，研究壓載艙內(nèi)自助式取樣系統(tǒng)，優(yōu)化壓載水取樣機(jī)制。

壓載水取樣位置應(yīng)盡量接近壓載水排放端口，且位于管系彎道之后，避免顆粒慣性沉積影響相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；針對不同生物來用不同取樣方法，對浮游生物、微生物分類計數(shù)得相應(yīng)密度估計值，綜合優(yōu)化評估濃度；以微流控芯片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)壓載水的在線智能取樣，從而得出最接近平均顆粒濃度的管內(nèi)徑向位置；取樣應(yīng)該多次進(jìn)行，減少實(shí)驗(yàn)誤差。

表2 所示船舶壓載水指標(biāo)性分析方法，針對不同外來生物的特征指標(biāo)，矯正多方干擾因素的影響，最大限度提高壓載水取樣的準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)壓載水精準(zhǔn)識別，探討各種因素對壓載水取樣機(jī)制的干擾以及影響。

表2 船舶壓載水指標(biāo)性分析方法

基于大數(shù)據(jù)分析D-2 標(biāo)準(zhǔn)的取樣機(jī)制，如表3 所示，多取樣方式對比單一取樣方式，其取樣精度大幅度提高，相應(yīng)的置信度也遠(yuǎn)高于單一取樣；優(yōu)化取樣機(jī)制效率高，通過優(yōu)化相應(yīng)自主取樣機(jī)制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)取樣，在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合D-S 證據(jù)理論等相關(guān)技術(shù)，提取對生態(tài)環(huán)境影響明顯的特征生物物種，作為生態(tài)環(huán)境的影響因子；基于特征影響因子，構(gòu)建多維度生態(tài)因子對生態(tài)環(huán)境演變趨勢的影響模型，綜合大數(shù)據(jù)分析等方法，建立生態(tài)演變動態(tài)模擬系統(tǒng)，分析不同物種對特定港口海域的生物多樣性影響及其演變趨勢，為壓載水取樣機(jī)制提供相應(yīng)技術(shù)支撐。

表3 D-2 標(biāo)準(zhǔn)的取樣機(jī)制對比

5 建議

現(xiàn)階段取樣機(jī)制并不能滿足不同船型以及取樣位置的精確壓載水取樣，針對以上問題可以采用優(yōu)化取樣機(jī)制來解決，增加一定的經(jīng)濟(jì)、人力和時間成本，設(shè)計適用于多種船舶的壓載水取樣機(jī)制；取樣應(yīng)多次進(jìn)行，取平均值以減小誤差，將其取樣結(jié)果與單一取樣機(jī)制對比，分析其相關(guān)準(zhǔn)確度，不斷優(yōu)化取樣機(jī)制。

（1）壓載水取樣人員，按相關(guān)要求多點(diǎn)、多取樣機(jī)制實(shí)時監(jiān)測分析，及時、高效、準(zhǔn)確記錄相應(yīng)實(shí)時信息，避免由于人為原因而產(chǎn)生誤差;

（2）取樣樣本不一定為代表樣本，取樣應(yīng)建立在同一時間段的多個取樣樣本指示性結(jié)果分析上;

（3）加快優(yōu)化壓載水取樣機(jī)制對壓載水管理方面的壟斷;

（4）為提高取樣精準(zhǔn)度，可采用流體計算以及相應(yīng)流體設(shè)計方法，設(shè)計相應(yīng)取樣流路，結(jié)合相應(yīng)技術(shù)，完成對處理后及排放時的壓載水進(jìn)行在線活性監(jiān)測及評估。

6 結(jié)論

壓載水管理屬于港口國控制的重要內(nèi)容，但壓載水取樣的方法及處理標(biāo)準(zhǔn)是世界性難題。對壓載水控制的難點(diǎn)首先在于精準(zhǔn)取樣，對微小型浮游生物和指示微生物缺乏有效取樣監(jiān)測手段，同時取樣方法難以準(zhǔn)確評估壓載水中相應(yīng)的生物含量，導(dǎo)致港口國對壓載水排放控制缺乏科學(xué)性。為防止壓載水外來生物入侵對我國海洋生態(tài)環(huán)境的影響，應(yīng)加快優(yōu)化壓載水取樣機(jī)制，基于港口海域物種多樣性的實(shí)際情況，構(gòu)建敏感物種監(jiān)測系統(tǒng)，形成更加完善的港口海域的生態(tài)多樣性保護(hù)體系，打造世界領(lǐng)先的綠色智慧港口。