CN108519472B - 一种海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统。包括水面检测平台。水面检测平台包括：检测模块，检测模块具有流通池和检测装置；多个不同长度的取样管，每个取样管均与流通池连通；和保压取样模块，保压取样模块包括多个阀门和蠕动泵；且每个阀门设置于一个取样管与流通池之间；蠕动泵与流通池连通。实现了海洋牧场实时连续监测多水层的水质变化，为海洋牧场提供实时及历史数据服务及数据统计分析、预测服务。具有保压取样模块，既可以防止生物附着取样管的管壁和水汽通过取样管路进入水面浮体时对检测模块等造成腐蚀；又可以防止取样过程中因为水样压力快速释放而造成的一些参数检测数值偏离。

Description

一种海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统

技术领域

本发明涉及海洋牧场水质监测领域，尤其是一种海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统。

背景技术

海洋牧场是一种国际公认的有效培育渔业资源、营造海洋人工生态系统的方法。海洋牧场的研究、开发和应用已成为主要海洋国家的战略选择，也是世界发达国家渔业发展的主攻方向之一。海洋牧场是指在特定海域里，为有计划地培育和管理渔业资源而设置的人工渔场：即通过在特定海域内建设适宜生物资源增殖的人工环境，采用放流、底播增殖、移植等方法，充分利用天然饵料，集成生物管理、环境控制技术，实现海洋生物资源量的提高和可持续捕捞；海洋牧场建设需要一整套系统设施和管理体制，如人造上升流、自动投饵机、鱼群控制设施、水下监视系统、环境监测监控系统和资源管理系统等。海洋牧场环境实时在线监测系统建设是建设海洋牧场的重要内容。

随着计算机、网络、传感器技术的发展，以浮标平台为载体，以无线网络为传输通道的无线网络传感器水质监测技术的研究取得了较大的进展和较为普及的应用，但是这些监测平台多是针对大尺度海洋环境监测要素设计且建设、使用和维护成本高昂，而面向海洋牧场的多要素综合监测系统为数不多，此外监测数据大多是海洋表层或有限水层的要素数据，对于海洋次表层以及深层水下监测数据十分稀缺。而真正影响海洋牧场动植物生产生活的是次表层及深层水下的海洋生态环境要素。仅仅依靠表层或有限水层的要素数据，难以对海洋牧场的物理、生物、化学环境等多方面状况进行深入了解，无法全方位地为海洋牧场提供保护、管理的科学依据。

发明内容

本发明旨在克服现有海洋牧场水质监测的至少一个缺陷，提供一种海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统，其能够实时或长时间同步监测多水层的水质变化的现状，且使用寿命长，特别地检测结果准确度高。

具体地，本发明提供了一种海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统，包括水面检测平台，其中，所述水面检测平台包括：

水面浮体，配置成放置于所述海洋牧场的海水上；

检测模块，所述检测模块具有流通池，以及检测所述流通池内水质的多个参数的检测装置；所述检测模块安装于所述水面浮体；

多个不同长度的取样管，每个所述取样管均与所述流通池连通，以对多个不同深度的水层的海水进行取样；和

保压取样模块，所述保压取样模块包括多个阀门和蠕动泵；且

每个所述阀门设置于一个所述取样管与所述流通池之间，以控制该取样管与所述流通池之间的通断；

所述蠕动泵与所述流通池连通，以在一个所述取样管与所述流通池连通时，排出所述流通池与该取样管内的空气，使该取样管进口端处的海水进入所述流通池；以及使空气进入所述流通池与该取样管内，排出所述流通池与该取样管内的海水，且在相应的所述阀门关闭后使该取样管内充满空气处于保压状态。

进一步地，每个所述阀门为高压电磁阀，所述蠕动泵为高压蠕动泵。

进一步地，所述检测装置为探头式多参数传感器。

进一步地，所述水面检测平台还包括多个光学防生物附着模块，每个光学防生物附着模块安装于一个所述取样管的进口端。

进一步地，每个所述光学防生物附着模块包括由15至30个LED紫外灯组成的环形光源。

进一步地，所述海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统还包括监控数据管理平台和数据传输模块；

所述数据传输模块包括卫星中转端，以及安装于所述水面浮体的雷达接收发送端，以将所述检测装置检测的多个所述参数传送至所述监控数据管理平台。

进一步地，所述水面检测平台还包括：

太阳能供电模块，所述太阳能供电模块具有安装于所述水面浮体的太阳能板和蓄电池。

进一步地，所述水面浮体包括：

浮标主体，其为钢制圆桶型，且所述浮标主体的外周面喷涂聚脲，内设置有仪器仓；所述检测模块安装于所述仪器仓；和

多个穿管仓，均布于所述浮标主体的外周面；每个所述取样管安装于一个所述穿管仓。

本发明的海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统中，由于具有多个不同长度的取样管，解决了面向海洋牧场的次表层以及深层水下监测数据十分稀缺的问题，实现了海洋牧场实时连续监测多水层的水质变化，为海洋牧场提供实时及历史数据服务及数据统计分析、预测服务。

进一步地，由于具有保压取样模块，这样既可以防止生物附着取样管的管壁和水汽通过取样管路进入水面浮体时对检测模块等造成腐蚀；特别地，又可以防止取样过程中因为水样压力快速释放而造成的一些参数检测数值偏离。

进一步地，由于使用同一个流通池，相应的检测装置使用的为同一个或同一套，通过抽取不同水层的水样送至流通池，从而实现仅用一套或一个多参数传感器即可对多个水层水质进行原位实时在线分析，大大降低监测系统因为使用多个同类传感器放置不同水层的建设成本，增加系统的稳定性，减少了系统维护。

进一步地，在水层取样管口处安装有LED紫外灯环形光源，通过周期的开启与关闭实现取样管口防生物附着，解决了因生物长期附着堵塞取样管，致使取样系统无法正常工作的难题。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统的示意性系统图；

图2是图1所示海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统中，水面检测平台的示意性结构原理图；

图3是图2所示水面检测平台中，水面浮体的示意性结构图。

具体实施方式

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

图1是根据本发明一个实施例的海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统的示意性系统图。如图1所示并参考图2和图3，本发明实施例提供了一种海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统，包括水面检测平台100、监控数据管理平台300和数据传输模块200，数据传输模块200用于连通水面检测平台100和监控数据管理平台300。水面检测平台100可包括水面浮体110、检测模块、多个取样管130和保压取样模块，以及控制模块。

水面浮体110配置成放置于海洋牧场的海水上。进一步地，水面浮体110可包括浮标主体111、锚链系112和多个穿管仓113。浮标主体111为钢制圆桶型，例如直径可为1.2m，高约1m，且浮标主体111的外周面喷涂聚脲，内设置有仪器仓。多个穿管仓113均布于浮标主体111的外周面；每个取样管130安装于一个穿管仓113。穿管仓113的直径可为5cm。锚链系112安装于浮标主体111。浮标主体111上还可设置有光敏信号灯。

检测模块可具有流通池121，以及检测流通池121内水质的多个参数的检测装置122。检测模块安装于水面浮体110，具体安装于仪器仓。

每个取样管130均与流通池121连通，且多个取样管130的长度不同，以对个多个不同深度的水层的海水进行取样。在一些替代性实施例中，可布置多组上述多个取样管130，以在每个水层处可检测多组参数。优选地，取样管130的数量可为三个，分别检测表层水、中层水和底层水。

保压取样模块包括多个阀门141和蠕动泵142。每个阀门141设置于一个取样管130与流通池121之间，以控制该取样管130与流通池121之间的通断。蠕动泵142与流通池121连通，以在一个取样管130与流通池121连通时，排出流通池121与该取样管130内的空气，使该取样管130进口端处的海水进入流通池121；以及使空气进入流通池121与该取样管130内，排出流通池121与该取样管130内的海水，且在相应的阀门141关闭后使该取样管130内充满空气处于保压状态。

也就是说，例如多个取样管130可包括第一取样管，当需要从第一取样管取样时，由于第一取样管和流通池121内空气，打开相应的发明，此时蠕动泵142正转，将第一取样管和流通池121内的空气一点一点排出，第一取样管进口端所在水层的水一点一点地进入流通池121，这样不会引起所检测海水的压力等突然变化，影响检测效果。例如压力的变化了会造成水中二氧化碳的释放，造成监测水层中pH数值与实际值偏离。当检测完成之后，蠕动泵142反转，利用空气将第一取样管和流通池121内的海水排出，待海水排出之后关闭相应阀门141，可使第一取样管内充满空气，可阻碍海水进入取样管130内。这样设置还可防止海水在取样管130内停留很长时间，减少了海水的流动性，使得每次检测的海水实际上不是实时状态的海水，严重影响检测结构，造成使用者错误的判断，引起较大的损失。

在本发明的一些实施例中，每个阀门141为高压电磁阀。蠕动泵142为高压蠕动泵142，例如可为2至4兆帕的蠕动泵142。检测装置122可为同时检测多个参数的多参数传感器，或者具有多个传感器以分别检测多个参数。具体地，检测装置122可为探头式多参数传感器，可选参数为温度、盐度、pH、溶解氧、叶绿素、氨、硝酸盐、有色可溶性有机物CDOM、荧光可溶性有机物FDOM。

在本发明的一些实施例中，水面浮体110还包括设置于浮标主体111上侧的支架114。水面检测平台100还包括太阳能供电模块，太阳能供电模块具有安装于水面浮体110的160和蓄电池，以进行供电，充分利用能源，减少了蓄电池人为充电的次数。

在本发明的一些实施例中，水面检测平台100还包括多个光学防生物附着模块150，每个光学防生物附着模块150安装于一个取样管130的进口端，以利用光线等防止生物附着，堵塞取样管130。优选地，每个光学防生物附着模块150包括由15至30个LED紫外灯组成的环形光源。例如，可采用20个LED紫外灯组成的环形光源。可通过周期的开启与关闭实现取样管130口防生物附着，解决了因生物长期附着堵塞取样管130，致使取样系统无法正常工作难题。

在该实施例中，可通过在受保护表面附近，即每个取样管130的进口端附近，设置空间分布均匀的紫外光场，防止海洋生物附着污损，其中光源由15-30个的发光二极管（LED）通过多层嵌套环形排列构成。根据LED光源的配光曲线，在光学软件中建立单个LED光源的发光模型，通过二次光学设计减小出射光束的发散角，提高光源的能量利用率；根据LED光源入射到照明平面的距离与入射角度，建立LED光源照射到目标平面上的照度分布计算模型；考虑第一层阵列光源在对称位置上LED光源在目标平面上的照度分布，调节对称位置的LED光源的间距满足斯派罗极值条件，使目标平面上照度分布曲线最平坦；在光学仿真软件中，建立第一层环形阵列光源模型，通过迭代算法优化第二次层环形阵列光源的空间位置和入射角度，使第二层环形阵列光源在空间上补偿第一层环形阵列光源的不均匀性，实现轴向厚度10mm的高均匀性的照明光场。进一步地，可采用铝合金作为光源外壳材料，并将铝散热鳍片作为外壳的一部分来增加散热面积；最后，照明光场的辐照度可大于1E^-6 W•cm^-2，使海洋生物不能附着污损在受保护表面，进一步提高水面检测平台100的长期使用过程中的稳定性和可靠性。

在本发明的一些实施例中，控制模块可由PLC可编程控制器、继电器、模拟采样模块组成，负责周期采样控制，阀门141与蠕动泵142的控制，电源管理，数据采集，以及远程控制命令处理。光学防生物附着模块150可由控制模块控制周期开关，有效地阻止海洋生物在取样管130口附着。

在本发明的一些实施例中，数据传输模块200包括卫星中转端，以及安装于水面浮体110的雷达接收发送端，以将检测装置122检测的多个参数传送至监控数据管理平台300。雷达接收发送端可为雷达反射器。进一步地，数据传输模块200还由3G/4G/北斗卫星接收器组成，可实现数据的3G/4G/北斗卫星的无线传输。

监控数据管理平台300可实现数据的存储、查询、实时更新等工作。监控数据管理平台300从监测系统获取实时海洋环境监测数据，然后完成监测数据的数码转换、质量控制、数据分类等标准化、规范化处理，形成相互关联的时空数据集，并建立实时、延时和相关主题数据库，便于以后为海洋牧场数据产品系统提供强大的数据支持。系统向用户提供友好的图形界面，便于用户获取数据信息，用户通过计算机，直接查看现场测量的各类数据，通过本发明同时检测多水层多参数数据可直观显示。用户通过历史查询功能，查询指定一段时间段内存储的历史数据。

监控数据管理平台300主要实现以下功能：数据显示，用户可直接观察到当前的水质数据；数据管理，直接访问数据库查看历史数据，并有数据查询功能；数据处理，根据用户需要用折线图显示一段时间内水质的变化情况，并计算出这段间内的最值和平均值；报警设置，设定了水质参数的上下限，当监测到的数据超过上下限时系统会及时警告用户并存储事件；远程管理，用户远程设置采样周期和手动采样等系统参数。

本发明实施例的海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统工作时，系统运行过程中当达到用户设置的采样周期或者收到远程监控数据管理平台300发来的立即采样命令时，控制模块会依次进行表层、中层、底层水样采集。水层采样监测流程：控制模块发出指令控制阀门141上电，蠕动泵142正传将水层水样泵入检测模块中，控制模块读取各个检测数据。控制模块读取完毕后开启蠕动泵142反转，将空气压入取样管130中，排空取样管130的水，关闭相应阀门141。每个水层监测完毕后，控制模块将数据打包，通过数据传输模块200发送到监控数据管理平台300上。系统休眠过程，控制模块会按照固定周期启动光学防生物附着模块150，防止生物附着在取样管130口。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (5)

1.一种海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统，包括水面检测平台，其特征在于，所述水面检测平台包括：

水面浮体，配置成放置于所述海洋牧场的海水上；

检测模块，所述检测模块具有流通池，以及检测所述流通池内水质的多个参数的检测装置；所述检测模块安装于所述水面浮体；

多个不同长度的取样管，每个所述取样管均与所述流通池连通，以对个多个不同深度的水层的海水进行取样；

多个光学防生物附着模块，每个光学防生物附着模块安装于一个所述取样管的进口端，每个所述光学防生物附着模块包括由15至30个LED紫外灯组成的环形光源；和

保压取样模块，所述保压取样模块包括多个高压电磁阀和2至4兆帕的蠕动泵；且

每个所述高压电磁阀设置于一个所述取样管与所述流通池之间，以控制该取样管与所述流通池之间的通断；

所述2至4兆帕的蠕动泵与所述流通池连通，以在一个所述取样管与所述流通池连通时，排出所述流通池与该取样管内的空气，使该取样管进口端处的海水进入所述流通池；以及使空气进入所述流通池与该取样管内，排出所述流通池与该取样管内的海水，且在相应的所述高压电磁阀关闭后使该取样管内充满空气处于保压状态。

2.根据权利要求1所述的海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统，其特征在于，

所述检测装置为探头式多参数传感器。

3.根据权利要求1所述的海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统，其特征在于，还包括监控数据管理平台和数据传输模块；

所述数据传输模块包括卫星中转端，以及安装于所述水面浮体的雷达接收发送端，以将所述检测装置检测的多个所述参数传送至所述监控数据管理平台。

4.根据权利要求1所述的海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统，其特征在于，所述水面检测平台还包括：

太阳能供电模块，所述太阳能供电模块具有安装于所述水面浮体的太阳能板和蓄电池。

5.根据权利要求1所述的海洋牧场多水层水质环境多参数原位在线监测系统，其特征在于，所述水面浮体包括：

浮标主体，其为钢制圆桶型，且所述浮标主体的外周面喷涂聚脲，内设置有仪器仓；所述检测模块安装于所述仪器仓；和

多个穿管仓，均布于所述浮标主体的外周面；每个所述取样管安装于一个所述穿管仓。