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使用HydroCAT-EP進(jìn)行長(zhǎng)期水質(zhì)監(jiān)測(cè)

2020-12-18，星期五

新的Sea-Bird Scientific HydroCAT-EP在一臺(tái)堅(jiān)固耐用的儀器里集成了一整套的物理和生態(tài)化學(xué)傳感器，專門(mén)的設(shè)計(jì)使可測(cè)量的水質(zhì)參數(shù)達(dá)到最大化并獲得持久的測(cè)量精確度保障。儀器使用由Sea-Bird和WET Labs的依靠其業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的CTD和海洋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力制造的同等高質(zhì)量的元器件，設(shè)計(jì)用于在近海環(huán)境長(zhǎng)期運(yùn)行的堅(jiān)固、緊湊的監(jiān)測(cè)傳感器。

圖1 Sea-Bird Scientific HydroCAT-EP

HydroCAT-EP使用封閉地、帶有防生物附著的、泵控的流通通道。防生物附著設(shè)計(jì)用于保護(hù)溫度、電導(dǎo)率、溶解氧和pH傳感器。光學(xué)濁度和葉綠素傳感器配備了完全由銅材質(zhì)保護(hù)的光口來(lái)保證近乎為零的生物附著。

2015年7月1日，在華盛頓州的Puget Sound的 Shilshole灣進(jìn)行了一次長(zhǎng)期運(yùn)行的測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中同時(shí)使用了一臺(tái)帶有溶解氧傳感器的SBE 37 MicroCAT進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)行，并進(jìn)行了定期的水樣采集測(cè)量。對(duì)比數(shù)據(jù)后可以看到HydroCAT-EP是一個(gè)準(zhǔn)確和穩(wěn)定的儀器。測(cè)試結(jié)果突出了在沒(méi)有維護(hù)的情況下持續(xù)獲得的高質(zhì)量數(shù)據(jù)這一性能表現(xiàn)。HydroCAT-EP從2015年7月1日到2015年10月15日在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行了3.5個(gè)月，經(jīng)歷了水生生物從溫和生長(zhǎng)到快速生長(zhǎng)產(chǎn)生生物附著的時(shí)間。

HydroCAT-EP 溶解氧測(cè)量

為了對(duì)比溶解氧數(shù)據(jù)，在HydroCAT-EP的同一拋放地點(diǎn)同時(shí)布置了一臺(tái)裝有壓力、溫度、電導(dǎo)率和溶解氧傳感器的SBE37SMP MicroCAT. SBE37所處位置的的平均深度為2.5米，HydroCAT-EP所處位置的平均深度為2.8米。圖2顯示了15分鐘為周期的SBE37和HydroCAT-EP的以ml/l為單位的溶解氧濃度。兩個(gè)光學(xué)溶解氧傳感器有著相同的機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)，不同的校準(zhǔn)流程產(chǎn)生了不同的精度參數(shù)。

圖2: 在Shilshole灣使用HydroCAT-EP(藍(lán)色的點(diǎn))和SBE37MicroCAT(綠色的點(diǎn))和搭載在SBE 19plus V2 SeaCAT CTD上的SBE43(紅色的點(diǎn))的每小時(shí)的溶解氧數(shù)值

HydroCAT-EP的光學(xué)溶解氧被校準(zhǔn)到200%空氣飽和度，初始精度為± 0.14ml/l。SBE37的光學(xué)傳感器被校準(zhǔn)到120%空氣飽和度，初始精度為± 0.07ml/l。數(shù)據(jù)記錄包含了顯著的光合作用顯著活躍的時(shí)間和隨之而來(lái)的溶解氧飽和度接近200%。

SBE 37和HydroCAT-EP的測(cè)量值（超過(guò)120%空氣飽和度的值不計(jì)入）如圖3所示。 平均誤差為0.064 ml/l，標(biāo)準(zhǔn)差為± 0.062 ml/l。兩個(gè)數(shù)值的變化都在各自的精確度指標(biāo)內(nèi)。誤差帶有一致性，在106天的運(yùn)行當(dāng)中的線性漂移為0.002 ml/l ，不同校準(zhǔn)所產(chǎn)生的的數(shù)據(jù)差異大于傳感器漂移引起的數(shù)據(jù)差異。

圖3：在Shilshole灣由HydroCAT-EP和SBE37（藍(lán)色的點(diǎn)）和 HydroCAT-EP和搭載在SBE19V2 SeaCAT CTD上的SBE43溶解氧傳感器（紅色的圈）的每小時(shí)溶解氧測(cè)量值的差異

第二個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的對(duì)比實(shí)驗(yàn)使用了4套SBE43溶解氧傳感器，并被拋放在和HydroCAT-EP的同一個(gè)深度位置。HydroCAT-EP和SBE43的溶解氧濃度數(shù)據(jù)的差距小于0.03 ml/l ，平均誤差為0.01 ml/l。在劇烈變化和高初級(jí)生產(chǎn)力的環(huán)境中運(yùn)行超過(guò)三個(gè)月后，溶解氧濃度的漂移程度顯著低于傳感器初始精度的指標(biāo)，這一比測(cè)結(jié)果證明了HydroCAT-EP的長(zhǎng)期運(yùn)行的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

HydroCAT-EP的pH測(cè)量

HydroCAT-EP使用了玻璃泡電極和可重新填充的參比電極的pH傳感器，并將之安裝在泵控的流通通道當(dāng)中。pH傳感器位于溶解氧傳感器的下游（見(jiàn)圖4）。在避光設(shè)計(jì)和防生物附著措施的保護(hù)下，傳感器的初始精度為± 0.1 pH單位，在用戶進(jìn)行3點(diǎn)校準(zhǔn)的情況下，3個(gè)月的最大漂移量為± 0.1 pH單位。

圖4: HydroCAT-EP

pH在連續(xù)的、原位監(jiān)測(cè)的應(yīng)用當(dāng)中一直以困難著稱。在Shilshole灣的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)當(dāng)中，使用了3個(gè)pH探頭并在開(kāi)始的5周的時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出了非常好的一致性，平均差距僅為0.04pH單位，位于在整體測(cè)量精度內(nèi)。

得到的初始精度位于技術(shù)規(guī)范之內(nèi)的結(jié)果后，我們?cè)噲D通過(guò)在Shilshole灣在光合作用/呼吸作用旺盛的時(shí)間，環(huán)境變化強(qiáng)烈的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)（圖5）當(dāng)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)中得到的pH和溶解氧濃度的數(shù)據(jù)使用強(qiáng)力修正的方法來(lái)確定影響更長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性的問(wèn)題所在(Frieder et al. 2012)。受浮游植物的光合作用/呼吸作用的影響，在飽和范圍內(nèi)（百分之90-150的飽和度）溶解氧濃度和pH之間存在著線性關(guān)系。

圖5: Shilshole灣的HydroCAT-EP:pH, 溶解氧濃度[ml/l]和溶解氧的飽和度 (ml/l, % saturation)

圖6中的斜率和截距描述了在全部運(yùn)行周期內(nèi)每天溶解氧和pH的平均值的線性擬合參數(shù)，并且僅使用了介于90%-150%之間的溶解氧飽和值。同時(shí)也繪制出了前30天的平均斜率和截距的值。影響DO-pH關(guān)系的還有可能有其他的因素。在試驗(yàn)的前兩個(gè)月內(nèi)斜率和截距是非常穩(wěn)定的，但在8月26日之后這一關(guān)系變得不穩(wěn)定了，DO-pH關(guān)系變化的原因可能是pH傳感器的漂移或是近岸環(huán)境當(dāng)中的生態(tài)化學(xué)變化。

圖6: Shilshole灣中HydroCAT-EP溶解氧和pH之間的線性關(guān)系