姜靜波, 李安春

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東海陸架水文濁度要素自動采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜靜波, 李安春

(中國科學(xué)院海洋研究所, 山東青島 266071)

提出了一種利用四腳架體原位觀測東海陸架區(qū)域水文、濁度要素的方法, 通過數(shù)據(jù)采集單元, 實(shí)現(xiàn)對測量要素的采集和存儲。通過對獲取數(shù)據(jù)的分析, 表明該方法安全可靠, 可為揭示東海內(nèi)陸架沉積過程研究提供數(shù)據(jù)來源。

陸架; 濁度; 數(shù)據(jù)采集

東海陸架位于歐亞大陸和太平洋之間, 西北有長江的注入, 東南有臺灣河流注入, 是一個物質(zhì)來源十分豐富的海區(qū), 新近紀(jì)以來堆積了厚達(dá)數(shù)千米甚至萬米的巨厚沉積地層, 近代沉積依然活躍, 其獨(dú)特的沉積學(xué)地位備受國內(nèi)外地學(xué)界的關(guān)注。為研究東海內(nèi)陸架季風(fēng)演化信息及中全新世高速沉積過程, 并提供原始海洋觀測要素, 本文提出了一種在東海陸架泥質(zhì)沉積區(qū)連續(xù)原位觀測濁度、懸浮體、溫度和剖面海流要素的研究方法, 設(shè)計(jì)了四腳架觀測系統(tǒng), 并成功捕獲一次臺風(fēng)過境過程, 對沉積物輸運(yùn)和海底侵蝕的作用過程提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

1 四腳架觀測系統(tǒng)整體布局設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過控制艙將方向傾斜傳感器, 光學(xué)后向散射儀(Optical Backscatter Sensor, 簡稱OBS), 水質(zhì)傳感器集成于一體, 每30 min開機(jī)一次, 各設(shè)備每次分別工作2 min。3個OBS探頭分別布置于離海床0.6, 1, 1.4 m處, 用于獲取泥質(zhì)沉積區(qū)域底層的剖面濁度數(shù)據(jù)資料; 聲學(xué)多普勒剖面海流計(jì)(Acoustic Doppler Current Profiler, 簡稱ADCP)用于測量四腳架上端海底2 m處至海面的剖面流速流向數(shù)據(jù), 相干脈沖聲學(xué)多普勒剖面海流計(jì)(Pulse-Coherent Acoustic Doppler Profiler, 簡稱PC-ADP)用于測量海底1.7 m處至海床的剖面流速流向數(shù)據(jù), 由系統(tǒng)電池艙供電, 采樣間隔為30 min。粒徑分析儀采用人工下放方式, 獲取海面至海底的全剖面各水層懸浮體濃度數(shù)據(jù)。其整體布局如圖1所示。

考慮到系統(tǒng)集成多種傳感器, 且布放于海底, 多通道與低功耗成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的首要選擇條件, 選用Campbell公司的CR1000數(shù)據(jù)采集器為本系統(tǒng)的控制單元核心, 該數(shù)據(jù)采集設(shè)備可滿足低電量、高精度的測量測量要求, 擁有8組模擬通道和數(shù)字通道, 可擴(kuò)展的存儲空間。數(shù)據(jù)采集器通過受控開關(guān)直接控制方向傾斜傳感器, OBS, 水質(zhì)儀集成于一體, 每30 min開機(jī)一次, 各設(shè)備每次分別工作2 min。ADCP用于測量四腳架上端海底2 m處至海面的剖面流速流向數(shù)據(jù), PC-ADP用于測量海底2 m處至海床的剖面流速流向數(shù)據(jù), 由系統(tǒng)電池艙供電, 采樣間隔為30 min。

其電器框圖如圖2所示。

針對本系統(tǒng)工作環(huán)境的特殊性, 其供電單元由多組電池艙組成, 并針對不同設(shè)備的工作電壓作了區(qū)別設(shè)計(jì), 其中針對CR1000數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)了12 V輸出的電池艙, 針對ADCP和PC-ADP了48 V輸出的電池艙。數(shù)據(jù)采集器每10 min采集一次濁度數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù), 每30 min控制繼電器給海流計(jì)上電, 采集一次剖面海流數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)能耗設(shè)備為ADCP、PC-ADP、OBS、水質(zhì)儀、方向方位傳感器以及CR1000數(shù)據(jù)采集器。設(shè)計(jì)時將每臺設(shè)備的功耗參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示, 對于各部件的加電時序的設(shè)計(jì)上, 充分考慮了各部件能耗, 保證能源的合理分配和供給。

2 系統(tǒng)整體投放、回收與數(shù)據(jù)分析

2015年6月, 四腳架觀測系統(tǒng)搭載基金委東海航次, 成功投放于121o18.661′E, 27o24.574′N約40 m水深海域, 于2015年9月完成回收, 共獲取了觀測海域全剖面海流數(shù)據(jù)3 600組, 溫鹽數(shù)據(jù)10 800組, 懸浮體濁度數(shù)據(jù)113 000組以及累計(jì)50組剖面的懸浮體濃度分布數(shù)據(jù)。

2015年7月12日, 超強(qiáng)臺風(fēng)“燦鴻”在浙江沿岸登陸, 觀測點(diǎn)恰處于臺風(fēng)路徑中, 對7月份近海床區(qū)域水體濁度和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步的分析, 如圖3所示, 可以看出, 在7月10日至14日期間, 濁度數(shù)值顯著升高, 對應(yīng)溫度數(shù)值略有下降, 其原因可能在于受臺風(fēng)影響, 流浪攪動海床泥沙所致。臺風(fēng)過境后, 濁度數(shù)值緩慢下降, 溫度數(shù)值緩慢上升, 后期變化符合季節(jié)性水溫變化規(guī)律。

從分析結(jié)果看, 水體濁度趨勢曲線符合極端天氣現(xiàn)象過境時的規(guī)律, 可見此觀測方法能夠較為真實(shí)地反映海底海水濁度情況, 滿足水下長期測量需求, 可靠性較高。

3 總結(jié)

文章為獲取影響東海陸架沉積過程的水文濁度要素, 建立了一套四腳架原位監(jiān)測系統(tǒng), 其合理的配重與設(shè)備的布局保證了四腳架觀測系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定的保持原位工作狀態(tài), 為獲取該地區(qū)連續(xù)的沉積要素提供了可靠的保障。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過定時控制各傳感器上電的設(shè)計(jì)可確保系統(tǒng)儲備電源的高效利用, 同時實(shí)現(xiàn)多路、多種形式的信號輸入與輸出。監(jiān)測系統(tǒng)可擴(kuò)展性和自適應(yīng)能力強(qiáng), 具有理想的通用性。

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Design for automatic collection of hydrology and turbidity samples on the East China Sea Shelf

JIANG Jing-bo, LI An-chun

(Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

A method for observing the hydrology and sediment suspension on the East China Sea Shelf is proposed. Equipped with a data acquisition unit, the method uses a metal frame to complete the acquisition and storage of samples. It can be seen from the measurement results that the system operates normally, has high reliability, and can provide source data for the study of deposition process on the East China Sea shelf.

shelf; turbidity; data acquisition

(本文編輯: 劉珊珊)

[National Natural Science Foundation of China, No. 41430965]

Apr. 22, 2016

TP212.9

A

1000-3096(2016)08-0091-03

10.11759/hykx20160422001

2016-04-22;

2016-06-23

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41430965)

姜靜波(1979-), 男, 山東青島人, 副研究員, 主要從事海洋環(huán)境監(jiān)測儀器的研究, 電話: 0532-82898736, E-mail: jiangjingbo@qdio.ac.cn