海水懸浮物濃度原位測(cè)量技術(shù)進(jìn)展

陳永國(guó), 張 濤, 劉之葵, 陳永華, 鄒寶平,葉 良

海水懸浮物濃度原位測(cè)量技術(shù)進(jìn)展

陳永國(guó)1, 2, 張 濤1, 劉之葵2, 陳永華3, 鄒寶平1,葉 良1

(1.浙江科技學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院, 浙江 杭州 310023; 2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院, 廣西 桂林 541004; 3.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071)

海水懸浮物指海水中的懸浮顆粒物和浮游微生物等, 對(duì)海水懸浮物濃度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量具有重要的意義。海水懸浮物濃度測(cè)量技術(shù), 無(wú)論是傳統(tǒng)方法(即現(xiàn)場(chǎng)采水), 還是現(xiàn)代方法(即間接測(cè)量方式, 包括光學(xué)法和聲學(xué)法等)都有一定的不足。本文主要綜述了幾種海水懸浮物濃度間接測(cè)量方法、國(guó)內(nèi)外有關(guān)海水原位過(guò)濾測(cè)量的技術(shù)研發(fā)進(jìn)展及深海原位微孔過(guò)濾技術(shù)。最后, 對(duì)海水懸浮物原位過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

海水懸浮物; 測(cè)量方法; 原位過(guò)濾技術(shù); 深海原位微孔過(guò)濾

海水懸浮物(suspended particles concentration, SPC)指海水中的懸浮顆粒物和浮游微生物等。對(duì)海水中的懸浮物進(jìn)行準(zhǔn)確的觀測(cè), 在研究海洋物質(zhì)運(yùn)輸和水體元素特征等方面具有重要的意義。在近海, 海水懸浮物直接影響著海水的水質(zhì)、地球化學(xué)形態(tài)、生物群落等。在深海, 海水懸浮物(包括浮游微生物及痕量元素等)的研究同樣具有重要意義。這些研究都需要收集比較全面的海水樣本, 需要大容量和精準(zhǔn)定位的原位樣本采集系統(tǒng)。

海水懸浮物濃度的測(cè)量, 主要的方式有兩種, 一種是傳統(tǒng)的測(cè)量方法, 一種是現(xiàn)代的測(cè)量方法[1]。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是從現(xiàn)場(chǎng)采集海水(3點(diǎn)或6點(diǎn)法), 然后過(guò)濾海水樣品, 進(jìn)行稱重, 計(jì)算海水懸浮物的質(zhì)量、濃度, 這是目前最為準(zhǔn)確的測(cè)量方法, 但缺點(diǎn)是比較耗時(shí), 同時(shí), 還需要較大的耗費(fèi), 獲得海水懸浮物數(shù)據(jù)只能為某幾層的深度, 且時(shí)間間隔較大?，F(xiàn)代的測(cè)量方法是利用光學(xué)、聲學(xué)、密度、介電常數(shù)等間接測(cè)量得到海水懸浮物的濃度, 可以得到具有較高時(shí)間空間分辨率的海水懸浮物的信息, 但是這是一種間接觀測(cè)海水懸浮物濃度的方法, 測(cè)量精度低, 需要定期校準(zhǔn)使用的設(shè)備, 限制了測(cè)量深度的應(yīng)用。

海水懸浮物原位過(guò)濾測(cè)量技術(shù)可以較好解決傳統(tǒng)測(cè)量方法和現(xiàn)代測(cè)量方法的不足, 發(fā)展的方向是能夠省時(shí)省力實(shí)現(xiàn)多測(cè)點(diǎn)、全水深多水層、長(zhǎng)時(shí)次海水懸浮物濃度的立體測(cè)量。

1 海水懸浮物濃度間接測(cè)量方法

傳統(tǒng)上, 海水懸浮物濃度測(cè)量通常采用現(xiàn)場(chǎng)獲取水樣進(jìn)行封裝, 在實(shí)驗(yàn)室過(guò)濾稱重計(jì)算的方法; 近年來(lái), 發(fā)展了多種間接測(cè)量方式, 即現(xiàn)代方法, 包括光學(xué)法和聲學(xué)法等, 其中, 光學(xué)法主要通過(guò)光學(xué)濁度計(jì)、光學(xué)后散射傳感器(optical backscatter sensor, OBS)或激光粒度儀(LISST)等來(lái)實(shí)現(xiàn), 聲學(xué)方法主要通過(guò)聲學(xué)后散射傳感器(acoustic backscattering sensor, ABS)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.1 光學(xué)濁度計(jì)反演海水懸浮物濃度

光學(xué)濁度計(jì)是通過(guò)測(cè)量光束通過(guò)水體的散射或透射光, 來(lái)計(jì)算樣品體積的濁度。該測(cè)量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)主要是設(shè)備易于安裝和水中布放, 數(shù)據(jù)采集快速; 不需要輔助測(cè)量, 如溫度、壓力等參數(shù), 只需要由濁度反演獲得懸浮顆粒物濃度值; 光學(xué)濁度計(jì)在所有懸浮顆粒物濃度測(cè)量設(shè)備中成本最低。但具有如下限制主要是濁度測(cè)量值高度依賴測(cè)量環(huán)境(懸浮顆粒物的截面、顏色和尺寸, 水體有無(wú)氣泡等), 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒痪邆淦毡樾? 需要現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定, 建立回歸模型, 尤其是對(duì)懸浮物尺寸的變化高度敏感; 光學(xué)濁度測(cè)量受限于生物附著和結(jié)垢, 并會(huì)改變?cè)O(shè)備的校準(zhǔn)曲線; 不同制造商的光學(xué)濁度儀不具備可比性[2-8]。

1.2 基于聲學(xué)技術(shù)測(cè)量海水懸浮物濃度

基于聲學(xué)技術(shù)的懸浮物濃度測(cè)量?jī)x器, 是利用壓電換能器將聲音脈沖發(fā)射到介質(zhì)中, 水體中的顆粒產(chǎn)生脈沖能量回波, 這種后向散射能量由相同的換能器進(jìn)行感測(cè), 依靠接收的回波強(qiáng)度來(lái)反演懸浮顆粒物濃度[9-20]。該測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要是聲學(xué)測(cè)量?jī)x器具有非侵入性, 相比光學(xué)測(cè)量?jī)x器, 不易受生物結(jié)垢的影響; 聲學(xué)測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)水體斷面的沉積物性質(zhì)測(cè)量。但具有如下限制主要是將后向散射信號(hào)轉(zhuǎn)換為懸浮顆粒物濃度的算法較為復(fù)雜, 需要對(duì)環(huán)境水體性質(zhì)和儀器特性進(jìn)行補(bǔ)償測(cè)量, 因此需要輔助測(cè)量溫度、鹽度等參數(shù); 使用單頻率聲學(xué)儀器來(lái)區(qū)分懸沙濃度(suspended sediment concentration, SSC)和粒徑分布(particle size distribution, PSD)之間的變化存在困難[17]; 聲學(xué)儀器的后向散射強(qiáng)度響應(yīng)在較高SSC處是非線性的, 使用聲學(xué)儀器進(jìn)行SSC測(cè)量的誤差隨著PSD的變化而增加[18]; 聲學(xué)方法適合于在有限粒徑尺寸范圍內(nèi)的測(cè)量, 不適用于粒徑低于10 μm的懸浮物質(zhì)測(cè)量。

1.3 激光衍射測(cè)量海水懸浮物濃度方法

激光粒度儀LISST是一種較為成熟的儀器, 用于連續(xù)測(cè)量沉積物性質(zhì)。LISST是將激光發(fā)射器、接收器、控制單元、存儲(chǔ)單元以及電池集成在一個(gè)密封、耐壓的殼體內(nèi), 其原理是利用不同波長(zhǎng)的激光在通過(guò)懸浮顆粒周圍時(shí)發(fā)生衍射, 光線方向發(fā)生改變, 通過(guò)記錄不同波長(zhǎng)光束的偏轉(zhuǎn)角, 再通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)來(lái)計(jì)算單位體積液體中不同粒徑顆粒的含量。該測(cè)量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是目前現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器中最準(zhǔn)確、可靠的方式; 能夠測(cè)量水體中天然沉積物的粒徑分布以及數(shù)目, 精度約10%; 在粒度測(cè)量范圍內(nèi), 基于激光衍射的懸浮顆粒物濃度測(cè)量不會(huì)由于懸浮粒徑分布的變化而導(dǎo)致不準(zhǔn)確, 且無(wú)需頻繁重新校準(zhǔn)。但缺點(diǎn)是該技術(shù)受限于激光衍射反演算法, 基于Mie散射理論的逆矩陣僅對(duì)已知折射率的均勻組分有效, 并且無(wú)法穿透高濃度水體; LISST不能分辨混合樣本顆粒間的窄峰, 無(wú)法區(qū)分相似大小的顆粒; LISST對(duì)懸浮顆粒物的鑒別有一定適用范圍; LISST的成本高于其他懸浮顆粒物濃度測(cè)量裝置[21-28]。

1.4 基于水體電導(dǎo)特性測(cè)量海水懸浮物濃度

測(cè)量不同懸浮沉積物水體的電導(dǎo)特性變化, 來(lái)反演懸浮物濃度的方法有兩種: 一是直接測(cè)量表觀介電常數(shù)的變化; 二是測(cè)量水體電容的變化, 并通過(guò)預(yù)先建立的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系推算懸浮物濃度?；谒w電導(dǎo)特性測(cè)量海水懸浮物濃度這種方法的精度取決于水的鹽度以及水體中氣泡和藻類含量, 該技術(shù)屬于侵入性測(cè)量, 并且易受生物附著和結(jié)垢的影響。利用水體電導(dǎo)特性測(cè)量懸浮物濃度的適用受到一定條件限制, 目前尚處在理論研究階段[29-33]。

1.5 基于壓差的海水懸浮物濃度測(cè)量技術(shù)

基于壓力差測(cè)量懸浮物濃度的設(shè)備, 主要由在水柱中不同高度處兩個(gè)高靈敏度的壓力傳感器組成。壓力傳感器監(jiān)測(cè)流體密度, 通過(guò)水溫校正后由密度值差異計(jì)算懸浮物濃度值。該技術(shù)會(huì)受流體流速、溫度的影響, 主要取決于壓力傳感器的測(cè)量精度, 信噪比較低。該測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要是壓差技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是能夠進(jìn)行懸浮顆粒物濃度高于10g/L的測(cè)量; 基于壓力差的懸浮物濃度測(cè)量相對(duì)穩(wěn)定, 沒有生物堵塞和信號(hào)漂移的問(wèn)題; 基于壓差的懸浮物濃度測(cè)量成本較低。但有以下幾個(gè)限制主要是壓差技術(shù)取決于壓力傳感器的靈敏度、流動(dòng)湍流、溶解固體濃度、水密度以及懸浮物質(zhì)的密度等; 由于該測(cè)量方式具有低信噪比, 該技術(shù)在懸浮物濃度低于10 g/L時(shí)是不可靠的[34-38]。

2 海水懸浮物原位采樣與過(guò)濾技術(shù)進(jìn)展

2.1 國(guó)外海水懸浮物原位采樣與過(guò)濾技術(shù)

20世紀(jì)80年代, 國(guó)外海水原位過(guò)濾技術(shù)的研究開發(fā)就已開始, 美國(guó)的伍茲霍爾(Woods Hole)海洋研究所研究探索了海水原位過(guò)濾技術(shù), 并且開發(fā)了海水直流泵。20世紀(jì)90年代, 德國(guó)的基爾大學(xué)海洋學(xué)院也開發(fā)了海水懸浮物原位過(guò)濾裝置, 工作深度達(dá)4 000 m[41]。之后, Woods Hole海洋研究所和Mclane公司共同開發(fā)了一種大體積的海水水樣抽濾采樣系統(tǒng)(large volume water transfer system(WTS-LV)[42], 并開發(fā)出了產(chǎn)品(圖1)。

圖1 德國(guó)基爾大學(xué)和美國(guó)McLane公司分別研制的懸浮物原位過(guò)濾裝置

該系統(tǒng)已進(jìn)行了一系列的過(guò)濾取樣研究[43-46], 其通過(guò)大容量的海水原位微孔過(guò)濾采樣器, 可讓海水通過(guò)過(guò)濾器支架內(nèi)的吸附濾或薄膜濾紙, 能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)抽取海水, 收集海水中的懸浮和溶解性顆粒物質(zhì)。其可應(yīng)用于海洋、河川、湖泊、水庫(kù)等多種類型水體, 實(shí)現(xiàn)對(duì)浮游生物樣品、微量金屬樣品、沉積物顆粒等進(jìn)行采樣, 工作主要功能部件采用汽缸泵, 主體材料為鈦合金及不銹鋼, 最大可承受5 500 m的水深壓力[47]。另外, 也有用戶基于研究的需要在深海微生物采樣裝置中嵌入了傳感器, 如溫鹽深傳感器(conductivity temperature depth, CTD)、熒光計(jì)、濁度計(jì)等, 用于取得樣品區(qū)域環(huán)境參數(shù)[48]。

雖然該系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)成為產(chǎn)品, 但還有缺點(diǎn)。其缺點(diǎn)主要是該系統(tǒng)過(guò)濾裝置的濾膜面積較小, 容易引起濾網(wǎng)的堵塞; 取濾膜時(shí)容易沖刷掉濾膜上的附著物、殘留物, 引起實(shí)驗(yàn)的誤差; 同時(shí), 其過(guò)濾器裝置密封方式不好, 測(cè)量結(jié)束后過(guò)濾裝置內(nèi)會(huì)有水液殘留; 流量計(jì)對(duì)水流有較大阻礙作用。國(guó)外使用該裝置進(jìn)行了一些探討: 關(guān)于實(shí)驗(yàn)室過(guò)濾結(jié)果和深海表層原位過(guò)濾結(jié)果的對(duì)比研究[49]; 關(guān)于一些特殊的應(yīng)用, 如海水中210Po和210Pb的檢測(cè), 對(duì)檢測(cè)結(jié)果以及誤差校正修正系數(shù)等進(jìn)行了相關(guān)分析研究[50]; 還有對(duì)此類裝置進(jìn)行比測(cè), 探討其結(jié)果的準(zhǔn)確性[51]; 實(shí)驗(yàn)誤差因素和比對(duì)方法的研究[52-53],深入探討了使用該裝置的檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和誤差因素等。

目前, 該系統(tǒng)可以作為傳統(tǒng)的海水提升后到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過(guò)濾方法的重要補(bǔ)充。海水原位過(guò)濾技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大通量的海水過(guò)濾, 如: 一次單通道過(guò)濾水量超過(guò)100 L, 但是, 要求濾膜不容易被堵塞, 一般主要用在水質(zhì)非常好的區(qū)域, 如深海[54]。

2.2 國(guó)內(nèi)海水懸浮物原位采樣與過(guò)濾技術(shù)

國(guó)內(nèi)的海水原位過(guò)濾技術(shù)研究開發(fā)始于近10年, 由中國(guó)科學(xué)院海洋研究所于2015年底成功開發(fā)了深海微生物原位獲取原理樣機(jī), 并進(jìn)行了深海測(cè)試[55-56]。這個(gè)系統(tǒng)的總成海水泵采用了油充電動(dòng)機(jī)的隔膜泵, 主體采用了鈦合金(如圖2所示)。工作深度最大可達(dá)到4 000 m, 深海海水的過(guò)濾量達(dá)5 L/min, 能夠進(jìn)行3層的分級(jí)過(guò)濾, 實(shí)現(xiàn)了較快完成高通量海水的原位過(guò)濾取樣。

圖2 中國(guó)科學(xué)院海洋所研制的深海微生物取樣裝置[55]

相對(duì)于WTS-LV, 該深海海水原位采樣及分級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)在小型化的基礎(chǔ)上, 實(shí)現(xiàn)了更多層級(jí)濾膜的采樣和較大范圍的流量控制, 兩套原位抽濾系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)比如表1所示。針對(duì)此類海洋裝備的實(shí)際應(yīng)用需求, 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了所有部件的自主研制和深海測(cè)試及應(yīng)用, 尤其是深海泵的研發(fā)與應(yīng)用。

表1 兩套系統(tǒng)裝置的參數(shù)對(duì)比

2.3 小結(jié)

綜合來(lái)看, 國(guó)內(nèi)外都開展了有關(guān)海水原位過(guò)濾的技術(shù)研發(fā)和探索[57-61], 但其結(jié)構(gòu)形式還比較單一, 沒有實(shí)現(xiàn)分時(shí)選通的功能, 通道比較單一, 沒有實(shí)現(xiàn)多時(shí)次過(guò)濾取樣, 國(guó)內(nèi)尚無(wú)比測(cè)應(yīng)用先例; 且依據(jù)其已有的優(yōu)勢(shì), 整體偏笨重, 主要用在深水海域。

3 深海原位微孔過(guò)濾技術(shù)

3.1 深海原位微孔過(guò)濾的必要性

對(duì)于深海微型生物分布模式及生態(tài)功能, 至今并未形成系統(tǒng)的認(rèn)知。研究這些深海懸浮物(包括浮游微生物和痕量元素等)的首要條件也是獲取一定數(shù)量具有原位特性的懸浮顆粒物樣本[62]。目前, 幾乎所有研究都是基于Niskin采水瓶在特定水層采集水樣后, 在實(shí)驗(yàn)室處理獲得數(shù)據(jù)[63]。傳統(tǒng)的Niskin采水瓶采樣方式會(huì)導(dǎo)致對(duì)壓力和溫度敏感的微型生物, 尤其是原生動(dòng)物, 在采樣過(guò)程中出現(xiàn)細(xì)胞死亡和破碎等[64], 進(jìn)而導(dǎo)致低估深海微型生物的豐度和多樣性。深海原生動(dòng)物對(duì)細(xì)菌的捕食效率研究, 也同樣受此局限影響, 深海樣品采集到實(shí)驗(yàn)室后, 由于壓力溫度和溶解氧等巨大變化, 導(dǎo)致微型生物相關(guān)生理活性發(fā)生巨變, 使得我們無(wú)法獲知微生物網(wǎng)在深海原位狀態(tài)下的效率。不穩(wěn)定的活性分子, 如mRNA, 也會(huì)隨著壓力和溫度等變化, 出現(xiàn)降解[65]。鑒于傳統(tǒng)的Niskin采水方式對(duì)研究的影響, 唯有開發(fā)原位采樣和處理技術(shù)才可以最小化深海微型生物多樣性和生態(tài)作用研究的偏好性。美國(guó)伍茲霍爾研究所的學(xué)者2016年嘗試開展了深海原位培養(yǎng)的攝食實(shí)驗(yàn), 獲得了較常規(guī)采樣更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù), 為理解深海生態(tài)系統(tǒng)提供了更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐[66]。為更加準(zhǔn)確地理解深海生態(tài)系統(tǒng)以及深海微型生物的生態(tài)功能, 亟待開發(fā)和應(yīng)用原位精準(zhǔn)樣品采集和處理平臺(tái)。

并且, 大洋中大部分水域懸浮顆粒物或浮游生物群落或微生物的濃度較低, 為了開展其研究, 有時(shí)候需要采水?dāng)?shù)百升到1 000 L[67], 而在大洋深處開展研究可能需要采集更多的水體樣本, 甚至達(dá)到4 000 L[68]。傳統(tǒng)的方法主要是使用深海采水器進(jìn)行采水, 上船到實(shí)驗(yàn)室過(guò)濾后獲取樣品。但取樣瓶的容量有限, 難以獲得足夠數(shù)量的樣品以及完全的生物群落組合。也就是說(shuō), 以往的采樣得到的樣本很難滿足快速發(fā)展的海洋生物學(xué)、地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)及海洋資源研究的樣本需求[69]。有時(shí)候?yàn)榱搜芯可詈Ｄ硞€(gè)站位的懸浮顆粒物或海洋浮游微生物的情況, 需要多次進(jìn)行深水取樣, 而單次深海取水就需要數(shù)個(gè)小時(shí), 這樣就大大延長(zhǎng)了科考船時(shí)。而大洋科考船每小時(shí)費(fèi)用近萬(wàn)元, 同時(shí)深海采水器采水又需要多人協(xié)作, 并且在船上實(shí)驗(yàn)室過(guò)濾也非常費(fèi)時(shí), 這就極大的浪費(fèi)了人力和財(cái)力。所以, 針對(duì)深海懸浮顆粒物研究中獲取樣品的要求, 需要研究發(fā)展一種簡(jiǎn)潔、高效和通用性強(qiáng)的新型取樣方法與技術(shù)。

3.2 基于船載絞車的深海海水原位微孔過(guò)濾系統(tǒng)

現(xiàn)在, 深海原位微孔過(guò)濾已成為傳統(tǒng)方法的有益補(bǔ)充[54]。20世紀(jì)80年代開始, 國(guó)外就已開始研發(fā)深海原位微孔過(guò)濾技術(shù), 美國(guó)的伍茲霍爾海洋研究所進(jìn)行了深海原位過(guò)濾技術(shù)研究, 研發(fā)深海直流泵。德克薩斯農(nóng)工大學(xué)海洋科學(xué)系的Baskaran等[70]在研究墨西哥灣海水中釷、鉛、鐳同位素的含量時(shí)，就采用了原位提取方法, 并且分6層同步采樣; 加利福尼亞大學(xué)地球與行星科學(xué)系的Bishop等[71]進(jìn)行大洋取樣時(shí), 在0～900 m的深度范圍內(nèi)分12層同步進(jìn)行原位微孔過(guò)濾。此種取樣方法省時(shí)省力, 可在海洋研究和海洋開發(fā)等方面發(fā)揮重要作用, 即可為海洋生物基因、海洋環(huán)境和基礎(chǔ)地質(zhì)研究等提供一種簡(jiǎn)約有效的取樣方法與技術(shù)。

近幾年, 國(guó)內(nèi)才開展深海原位微孔過(guò)濾技術(shù)研發(fā), 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研制的系統(tǒng)可安裝3層濾膜進(jìn)行分級(jí)過(guò)濾。該系統(tǒng)是具有單套過(guò)濾裝置獨(dú)立自容工作的樣機(jī)(如圖3所示), 系統(tǒng)由總成深海泵模塊、過(guò)濾模塊、采集通訊控制模塊和輔助模塊(支撐架體、電源、密封艙體、連接管路等)等構(gòu)成。其工作原理是: 將整套裝置下放到預(yù)定深度, 啟動(dòng)總成深海泵工作, 將海水經(jīng)初級(jí)過(guò)濾器后, 通過(guò)過(guò)濾裝置中的濾膜(濾膜孔徑最小一般為0.22 μm), 相應(yīng)尺寸范圍內(nèi)的懸浮物就富集在相應(yīng)濾膜上, 裝置提升至甲板后, 取出濾膜, 即可獲得樣品。

圖3 深海原位微孔過(guò)濾裝置結(jié)構(gòu)與原理圖

注: CTD指水溫、鹽度和深度; DO指溶解氧濃度

此裝置部分地改進(jìn)了國(guó)外裝置的缺點(diǎn): 增大了濾膜面積(直徑為200 mm), 對(duì)濾膜堵塞有所改善; 過(guò)濾裝置的密封圈改成“T”型滿槽式, 取換濾膜時(shí)不會(huì)脫落, 已在海上開展了多次測(cè)試應(yīng)用, 如在卡洛琳海山海域, 使用深海原位微孔過(guò)濾裝置獲得的樣品經(jīng)過(guò)分析, 與使用采水器取水到甲板進(jìn)行過(guò)濾的傳統(tǒng)方法相比, 原位抽濾可獲得更多的物種。并且隨深度增加, 原位抽濾所獲得的物種相比較更多, 凸顯了原位過(guò)濾取樣的優(yōu)勢(shì)。前期測(cè)試應(yīng)用是將其綁縛到船載絞車上, 由船載絞車預(yù)估其下放到某一深度進(jìn)行高通量海水采集及分級(jí)過(guò)濾, 可在船載絞車的纜系上分層敷設(shè)多個(gè)原位微孔過(guò)濾取樣器, 來(lái)同步獲取多層(如水下100 m、水下1 000 m、水下2 000 m等)足夠數(shù)量的深海懸浮顆粒或浮游微生物樣本(圖4)。

原位抽濾方法有效覆蓋了受壓變化易裂解的微生物類群, 降低了海洋水體樣品在抽濾過(guò)程對(duì)群落結(jié)構(gòu)的有偏好影響。原位抽濾技術(shù)對(duì)還原深海微生物的真實(shí)群落結(jié)構(gòu)具有重要意義。采樣深度越深, 傳統(tǒng)方法造成的損耗越大; 并且這種損耗是有偏好的, 會(huì)導(dǎo)致近50%的微生物種類缺失。

基于船載絞車的深海海水原位微孔過(guò)濾系統(tǒng), 由于是自容工作, 受海流等作用, 其采樣位置很難精準(zhǔn)確定; 尤其是對(duì)近海底的冷泉和熱液羽流等深海研究的熱點(diǎn)區(qū)域無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和原位取樣, 更沒有辦法對(duì)這些感興趣的研究區(qū)域分時(shí)間或空間梯度進(jìn)行原位采樣及過(guò)濾, 無(wú)法對(duì)這些區(qū)域的微生物等生態(tài)環(huán)境開展精細(xì)化研究。

圖4 深海原位過(guò)濾垂直剖面多層同步實(shí)施方案圖

3.3 基于水下機(jī)器人(ROV)平臺(tái)的深海原位微孔過(guò)濾技術(shù)

上述原位抽濾采樣應(yīng)用基本都是圍繞CTD絞車或地質(zhì)絞車開展的, 即在CTD采水架上固定此單通道海水采樣及分級(jí)過(guò)濾裝置, 或者綁縛在絞車?yán)|線的不同位置上, 由絞車釋放纜線, 預(yù)估采樣深度, 事先設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間和采樣時(shí)間間隔, 進(jìn)行盲采。無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確位置的采樣, 無(wú)法對(duì)特點(diǎn)鮮明的海洋取樣區(qū)(如冷泉或熱液噴口)進(jìn)行精細(xì)化取樣(按多個(gè)時(shí)次或采樣地點(diǎn)錯(cuò)落分梯度取樣)[72]。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)深海原位微孔過(guò)濾很少有實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、分梯度多濾膜原位采樣的[73-76], 而基于深海ROV平臺(tái)的原位過(guò)濾取樣是可行的方法之一。目前, 只有美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所研制了基于ROV的原位過(guò)濾取樣設(shè)備[77], 但也沒有實(shí)現(xiàn)高通量采樣。

近幾年, 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所探索基于深海原位微孔分時(shí)空梯度取樣過(guò)濾技術(shù)和原位精準(zhǔn)取樣過(guò)濾技術(shù)的結(jié)合, 裝置(圖5)自身改造后, 可以實(shí)現(xiàn)深海原位分時(shí)空梯度取樣過(guò)濾, 搭載深海ROV平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)取樣過(guò)濾技術(shù), 將二者進(jìn)行結(jié)合, 可以實(shí)現(xiàn)一次下潛, 在船上ROV操控實(shí)驗(yàn)室內(nèi), 人為監(jiān)測(cè)和操控下, 對(duì)感興趣海區(qū)分時(shí)空梯度的精準(zhǔn)取樣過(guò)濾, 一次獲取多個(gè)連續(xù)樣品, 有利于開展海洋科學(xué)研究, 發(fā)現(xiàn)海洋中新的現(xiàn)象和資源等, 同時(shí), 其分時(shí)次原位過(guò)濾技術(shù)也可以應(yīng)用到近海小流量(比如數(shù)升的水樣過(guò)濾量)的原位過(guò)濾中, 具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

圖5 基于ROV的海水采樣及分級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)

基于深海ROV平臺(tái)的深海原位精準(zhǔn)過(guò)濾關(guān)鍵技術(shù)主要包括: 實(shí)現(xiàn)一次下放多點(diǎn)(12個(gè)點(diǎn)位以上)分時(shí)或分區(qū)域精準(zhǔn)采樣和過(guò)濾(即可實(shí)現(xiàn)時(shí)空梯度取樣); 深海高通量采樣及過(guò)濾裝置與深海ROV平臺(tái)的結(jié)構(gòu)、電源和通信控制的完整對(duì)接; 形成基于深海ROV平臺(tái)的深海原位采樣及過(guò)濾應(yīng)用方案。開展此平臺(tái)裝置的深海實(shí)踐應(yīng)用, 以及在與傳統(tǒng)的下潛采水后甲板過(guò)濾進(jìn)行比對(duì)測(cè)試的基礎(chǔ)上, 評(píng)價(jià)其高通量原位精準(zhǔn)采樣及過(guò)濾的性能, 并總結(jié)形成基于深海ROV平臺(tái)的深海原位采樣及過(guò)濾應(yīng)用方案。

4 結(jié)論

海水懸浮物濃度的測(cè)量, 無(wú)論是傳統(tǒng)方法還是現(xiàn)代方法都有一定的不足, 目前采用的原位過(guò)濾技術(shù)較好解決了上述方法存在的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外開展了有關(guān)海水原位采樣與過(guò)濾技術(shù)和設(shè)備研發(fā)的探索[78-82], 但目前系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式單一, 沒有分時(shí)選通的功能, 通道單一, 沒有實(shí)現(xiàn)多時(shí)次過(guò)濾,國(guó)內(nèi)尚無(wú)比測(cè)應(yīng)用先例; 且依據(jù)其已有的優(yōu)勢(shì), 主要用在深水海域, 整體偏笨重[WTS-LV尺寸: 92cm× 60cm×33 cm, 總重量: 51 kg; 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研制的深海海水原位采樣與分級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)相應(yīng)設(shè)備尺寸: 90cm×57cm×26 cm, 總重量: 35kg][72]。國(guó)內(nèi)外有關(guān)深海原位微孔過(guò)濾很少有實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、分梯度多濾膜原位采樣的, 而基于深海ROV平臺(tái)的原位過(guò)濾取樣是可行的方法。

目前, 海水懸浮物原位過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展方向是建立全新的海水懸浮物多通道(如26通道)原位過(guò)濾裝置, 建立一種基于海水原位過(guò)濾并適用于多種海域的多站位、多水層、多時(shí)次海水懸浮顆粒物原位立體取樣方法。主要解決以下三個(gè)關(guān)鍵技術(shù): 實(shí)現(xiàn)原位過(guò)濾系統(tǒng)的精確測(cè)量, 解決流量計(jì)數(shù)、濾膜過(guò)流能力與壓力損失等因素造成的誤差問(wèn)題; 形成立體式、多層、多通道原位過(guò)濾裝置, 解決原位過(guò)濾與其他水體環(huán)境參數(shù)一致的立體式、同步測(cè)量問(wèn)題; 建立多種間接觀測(cè)海水懸浮物濃度方法的校正方案, 利用原位過(guò)濾方式快速獲取測(cè)量水體的特征顆粒物, 解決間接觀測(cè)方式校正繁瑣的問(wèn)題。

海水懸浮物原位過(guò)濾裝置可以與垂直立體監(jiān)測(cè)浮標(biāo)載體相結(jié)合, 構(gòu)建一定海域范圍內(nèi)多個(gè)站點(diǎn)、每個(gè)站點(diǎn)在垂直剖面錨系上懸掛若干個(gè)原位取樣裝置的海水懸浮物原位同步取樣系統(tǒng)。能夠避免眾多水樣獲取、運(yùn)輸和實(shí)驗(yàn)室逐個(gè)過(guò)濾等繁瑣的程序, 多點(diǎn)多層同步自動(dòng)過(guò)濾提高效率, 以簡(jiǎn)約的方式實(shí)現(xiàn)海水懸浮物的立體同步自動(dòng)測(cè)量。

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In-situ measurement technology of suspended particle concentration of seawater

CHEN Yong-guo1, 2, ZHANG Tao1, LIU Zhi-kui2, CHEN Yong-hua3, ZOU Bao-ping1, YE Liang1

(1. School of Civil and Architectural Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China; 2. School of Civil and Architectural Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 3. Institute of Oceanography, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

Suspended particle concentration in seawater indicates the amount of suspended particles and planktonic microorganisms in seawater. Accurate measurement of their concentration is of considerable importance. The measurement methods of these suspended particle concentrations, whether traditional methods (i.e., on-site water collection) or modern ones (i.e., indirect measurement methods, including optical and acoustic methods), suffer from several shortcomings. This paper summarizes several indirect measurement methods for estimating suspended particle concentration, advances in the research and development of in-situ seawater filtration measurement technology at home and abroad, and an in-situ deep-sea microporous filtration technology. Finally, the direction for developing an in-situ technique for measuring the suspended particle concentration in the deep sea is also discussed.

suspended particles concentration of the seawater; measurement method; in-situ filtration technology; deep sea in situ microporous filtration

Nov. 7, 2021

[National Natural Science Fund, No.42076194]

O432

A

1000-3096(2023)8-0120-11

10.11759/hykx20211107001

2021-11-07;

2022-02-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(42076194)

陳永國(guó)(1979—), 男, 山東棗莊人, 博士, 講師, 主要從事海洋工程地質(zhì)方面的研究, E-mail: 108016@zust.edu.cn; 劉之葵(1968—), 通信作者, 男, 江西興國(guó)人, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要從事巖土工程及地質(zhì)工程方面的研究, E-mail: liuzhikui@126.com; 陳永華(1976—), 通信作者, 男, 山東棗莊人, 博士, 研究員, 主要從事海洋裝備研發(fā)與系統(tǒng)集成技術(shù)研究, E-mail: chenyonghua@qdio.ac.cn

(本文編輯: 楊 悅)