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使用HydroCAT-EP進行長期水質(zhì)監(jiān)測

2020-12-18，星期五

新的Sea-Bird Scientific HydroCAT-EP在一臺堅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，專門的設(shè)計使可測量的水質(zhì)參數(shù)達到最大化并獲得持久的測量精確度保障。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)計開發(fā)能力制造的同等高質(zhì)量的元器件，設(shè)計用于在近海環(huán)境長期運行的堅固、緊湊的監(jiān)測傳感器。

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)計用于保護溫度、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)保護的光口來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灣進行了一次長期運行的測試。在測試過程中同時使用了一臺帶有溶解氧傳感器的SBE 37 MicroCAT進行長期運行，并進行了定期的水樣采集測量。對比數(shù)據(jù)后可以看到HydroCAT-EP是一個準確和穩(wěn)定的儀器。測試結(jié)果突出了在沒有維護的情況下持續(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)場運行了3.5個月，經(jīng)歷了水生生物從溫和生長到快速生長產(chǎn)生生物附著的時間。

HydroCAT-EP 溶解氧測量

為了對比溶解氧數(shù)據(jù)，在HydroCAT-EP的同一拋放地點同時布置了一臺裝有壓力、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。兩個光學(xué)溶解氧傳感器有著相同的機械和電氣結(jié)構(gòu)，不同的校準流程產(chǎn)生了不同的精度參數(shù)。

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

HydroCAT-EP的光學(xué)溶解氧被校準到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間和隨之而來的溶解氧飽和度接近200%。

SBE 37和HydroCAT-EP的測量值（超過120%空氣飽和度的值不計入）如圖3所示。 平均誤差為0.064 ml/l，標準差為± 0.062 ml/l。兩個數(shù)值的變化都在各自的精確度指標內(nèi)。誤差帶有一致性，在106天的運行當中的線性漂移為0.002 ml/l ，不同校準所產(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（藍色的點）和 HydroCAT-EP和搭載在SBE19V2 SeaCAT CTD上的SBE43溶解氧傳感器（紅色的圈）的每小時溶解氧測量值的差異

第二個現(xiàn)場測試的對比實驗使用了4套SBE43溶解氧傳感器，并被拋放在和HydroCAT-EP的同一個深度位置。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生產(chǎn)力的環(huán)境中運行超過三個月后，溶解氧濃度的漂移程度顯著低于傳感器初始精度的指標，這一比測結(jié)果證明了HydroCAT-EP的長期運行的準確性和穩(wěn)定性。

HydroCAT-EP的pH測量

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中。pH傳感器位于溶解氧傳感器的下游（見圖4）。在避光設(shè)計和防生物附著措施的保護下，傳感器的初始精度為± 0.1 pH單位，在用戶進行3點校準的情況下，3個月的最大漂移量為± 0.1 pH單位。

圖4: HydroCAT-EP

pH在連續(xù)的、原位監(jiān)測的應(yīng)用當中一直以困難著稱。在Shilshole灣的現(xiàn)場試驗當中，使用了3個pH探頭并在開始的5周的時間內(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，我們試圖通過在Shilshole灣在光合作用/呼吸作用旺盛的時間，環(huán)境變化強烈的現(xiàn)場實驗（圖5）當中，對實驗中得到的pH和溶解氧濃度的數(shù)據(jù)使用強力修正的方法來確定影響更長期運行穩(wěn)定性的問題所在(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。在試驗的前兩個月內(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