声纳在浒苔沉降灾害中的监测应用
声纳在浒苔沉降灾害中的监测应用
针对浒http://WwW.LWlM.cOm苔的声学特性以及其所处观测环境，采用声纳对沉降浒苔进行探测、获取浒苔分布数据，相比传统手段有着相当的优势。本文对声纳探测浒苔分布的技术进行了探讨，并根据实验结果分析其可行性及应用前景。
为及时有效的应对浒苔爆发，需要对浒苔分布进行有效的监测。目前，对于漂浮在水面的浒苔，已经有了卫星、航拍、水面舰船监测等诸多手段，在时效性及可靠性上都能令人满意。但对于所观测到的浒苔，其分布厚度究竟如何？目前尚无高校的探测手段；而对于水下的浒苔，尚无有效的监测方法，基本没有办法对其进行跟踪。本文探讨并试图解决此问题。 一 浒苔及其危害简介 浒苔（Entermorpha prolifera），属绿藻门石莼目石莼科植物。主要生长在潮间带，在我国野生藻类中存量丰富，尤其在东南沿海一带分布广泛。浒苔常见于浅海水域，但在淡水中也可生长。 浒苔属速生藻类，在适宜水温、光照条件下，生长、繁殖十分迅速，单日净重增加率能够达到15%。爆发增殖的浒苔可在短时间内覆盖大片海域，形成与赤潮相似的"绿潮"。 1.1 浒苔、绿潮的危害 浒苔的爆发性生长，乃至形成绿潮，是近年来逐渐收到关注的新问题。与广为人知的赤潮不同，绿潮本身对所爆发水域并无大的直接破坏；事实上，形成绿潮的缘管浒苔对形成赤潮的赤潮异湾藻还有强烈的抑制作用。浒苔爆发对环境的危害，主要表现在以下几方面： * 破坏水体生态平衡 浒苔爆发、直至形成绿潮后，本身对覆盖水域水质并无直接影响。但大量的浒苔在生长过程中，会大量消耗水体养分；并且形成片漂浮的浒苔会形成遮蔽效应，阻碍海中其它浮游藻类的生长； * 影响海岸景观 大量聚集的浒苔，不仅会覆盖沿海海面，还会随海潮上岸堆积，腐烂后产生大量有害物质，严重影响沿岸的滨海景观； * 破坏沿海养殖业 浒苔在生长周期中，常常发生沉降，从而将上述负面作用带入下层水体，造成沿海水下养殖生物、特别是贝类的大量死亡。 1.1浒苔的沉降 浒苔是一种漂浮藻类，在生长成熟期一般都漂浮于海面。对于漂浮于海面的浒苔，由于景象十分“壮观”，且严重影响海岸景观及水面运动项目的进行（如青岛奥帆赛），近期引起了极大关注，其危害性无需赘言。但对于存在于海面以下的沉降浒苔，目前尚未引起足够的重视。 在浒苔藻体细胞内，有一体积约占细胞体积50%的空泡；浒苔主要依靠改变空泡体积，来调整自身在水体中的分布。根据对浒苔生长史的研究，浒苔在生长初期，合子具有负趋光性，或由配子直接进行单性生长，其生长地点一般位于浅海海床，浒苔多以假根依附于海底礁石上。在生长成熟后，假根消失，浒苔即变为漂浮状态，直至生长周期结束而老化、死亡，最终沉入海中。 处于生长初期的浒苔虽然位于海底，但形体尚小，且处于正常生长期，并不会造成生态灾害。在浒苔大量爆发性生长、聚集于海面时，则能够观测到相当数量的旺盛浒苔发生沉降，并大量聚集于海底。目前，对于浒苔沉降的具体原因，尚未有定论；分析可能与浒苔大量聚集、消耗水面养分，造成部分浒苔生命活动受抑制有一定关系。 传统观点认为，作为可被海洋生物食用的藻类，悬浮于海底水层的浒苔，可以作为海生生物、特别是贝类的食物。但近期在青岛海岸线进行的抽样观测，却发现在海岸沿线的水下，可见大量沉降浒苔；层叠的浒苔覆盖在沿岸海底，引起了养殖贝类（鲍鱼、扇贝等）的成批死亡。究其原因，在于浒苔的大量反常繁殖，造成沉海浒苔数量随之暴增，数量巨大的沉降浒苔耗尽了水层氧气（沉降浒苔光合作用微弱，释放氧气尚不足以支持自身需求），超过了底层水体的承载能力，最终形成生态灾害。
沉降浒苔与漂浮浒苔一样，最终都会进入消亡分解期。由于沉降浒苔在海面上无法观测，有造成突发性生态灾害的可能。近几年来，青岛及周边海域多次发生养殖贝类和海洋生物成批死亡的案例；联系到这些年来浒苔灾害从无到有、由轻至重的发展态势，这些没有明显肇因的生态灾害，很可能就是沉降浒苔的腐烂分解造成。 总之，浒苔爆发时，漂浮浒苔和沉降浒苔都会形成相当程度的生态灾害。由于沉降浒苔发生相对隐蔽，监测控制难度更大，所以其造成的灾害更加难以遏制。 二 浒苔灾害的监测 如前所述，浒苔的爆发，其危害是巨大的。为了能及早发现浒苔爆发的迹象，在出现浒苔爆发、或绿潮征兆时，能够及时进行监控并指挥清除，乃至对绿潮进行系统研究，以期从根本上找到应对策略，这些工作的进行都有赖于对浒苔及时、准确的监测。 2.1 传统浒苔监测手段 作为一种新近受到关注的自然灾害，目前对藻类爆发灾害的监控，多使用应用于其他目的的、较为成熟的观测方式。目前使用较成熟的检测手段主要有： 卫星图像判别 采用卫星传回的海面图像进行分析，对于绿潮区域可见明显的绿色斑块。但卫星受限于海域气候状况，在多云天气基本上失去作用； 航空遥感 派出飞行器携带相关设备进行探查，或直接使用肉眼观察。该方法受天候影响较小，但对大片海域的绿潮进行持续监测，费效比很低；而且由于航空遥感的不连续扫描特性，很难对绿潮的分布、规模等做出精确估计。 海面监测 主要依靠船只搜索观测。该方法成本较低，但受限于海况，海清恶劣时无法使用；且船只机动能力也不强，导致观测时效性较差。 水下监测派出潜水员或ROV观察水下藻类分布状况。该方法效率很低，只能用于特定水域的点观测。 2.2监测沉降浒苔的难度分析 目前，针对浒苔等藻类爆发性灾害的监测手段，主要是卫星照片、航拍、水面监测等。这些手段只能监测海面漂浮的浒苔。而如果使用潜水员下水探测，虽然所得信息翔实、可靠，但效率很低，且代价高昂。浒苔的爆发，往往在夏季6至9月份。此时正值夏季多风期，海水能见度较低；使用传统检测手段，包括潜水员与ROV，都很难得知沉降浒苔的分布状况。监测手段的缺乏，在一定程度上加剧了沉降浒苔的生态危害。 针对沉降浒苔的分布特性，需要考虑有别于传统监测方式的监测手段。对浒苔声学特性研究的结果表明：浸没在水中的浒苔使用水下声探测设备探测浒苔，具有相当的可行性。 三 声纳探测海底浒苔试验 声纳是利用声信号http://WwW.LWlM.cOm在水下的优良传播特性，进行目标探测的一种水声设备。要使用声纳探测浒苔，首先要对浒苔的水声特性进行研究。 3.1实验原理与设备介绍 水体中的浒苔，不论漂浮还是沉降状态，都不是密实、均一的结构体。故对于浒苔声学特性进行分析时，不能简单的将其视为一种材料，而应以实验为基准。 浒苔在水中呈悬浮状态时，所在水体的声阻抗和纯水体不同，但差值应属有限，造成声波在浒苔与水体分界面上部分反射，部分穿透；且由于含浒苔水体的内在不均匀性，造成反射波的杂乱，在声纳上很难得到清晰的回波。 图示设备即为浒苔探测试验管。该设备可以模拟浒苔的漂浮和沉降状态，使用示波器配合声纳，可以完成 探测海底沉降浒苔 和 声纳测定漂浮浒苔厚度 两项试验。 3.2 海底沉降浒苔声反射实验 将湿润的浒苔装入鱼线材质的网兜内，加配重放置在水池底部，利用浒苔本身的浮力特性，可以控制网兜中浒苔的悬浮形态。改变浒苔富集密度和厚度，使用可变频声纳探头，在不同频段对浒苔进行扫描。 考虑到浒苔在海底的富集程度可能有相当大的差异，实验取定若干组厚度值，使用不同频率超声对其进行测定。 首先记录无浒苔分布时的声纳回波状况。当声纳工作频率200KHz、灵敏度为6时，可以观测到清晰的水底回波。而当频率更换为50MHz时，由于回波干扰较严重，则观察不到明显回波。根据对浒苔升学特性的分析，可以认为50KHz超声不适合探测浅水区的浒苔分布。 当投放10cm厚的沉降浒苔后，声纳回波发生了变化，在相同频率、灵敏度下不再能检测到水底回波。提高灵敏度后，在灵敏度10时开始出现水底回波，11时开始出现浒苔回波；当灵敏度16时，可以观测到明显的浒苔回波。值得注意的是浒苔的回波并不是窄带，而是在分界线下有连续的中等回波强度区，这一反射特性，对于通过屏幕显示判定海底状况很有帮助。 投放20cm厚沉降浒苔的结果，与前述有所不同。在灵敏度11时出现浒苔回波，但水底回波直到灵敏度13时才出现；灵敏度17时回波稳定，此时浒苔回波的强度超过了水底回波。出现这样的回波，与浒苔吸收声波、产生对水底的遮蔽有关。 通过对实验结果进行分析，可以看出声纳对水底浒苔的探测效果是较好的。在200KHz工作频率下，声纳对海底的浒苔分布探测的灵敏度较高，海底分布少量浒苔即可从显示变化上检出；且随着浒苔分布密度的增加，声纳回波也相应发生变化，从而为定量分析海底浒苔分布状况提供了较好的分析依据。 3.2 水面浒苔厚度测量实验 测量漂浮浒苔的厚度，是依据浒苔在水中的声反射原理，使用水下垂直于海面的声纳探头向上探测，从而根据洁净水体-含漂浮浒苔水体反射面及海面反射面之间的差值，得到漂浮浒苔的厚度。实际操作中，还可以用实测的声纳探头距海面深度代替海面反射测量值，从而得到更精确的结果。 使用直径约12cm的有机玻璃圆管，底部垂直向上放置声纳探头，注水后，投入浒苔，即可模拟浒苔漂浮于海面的状态，可以使用声纳自水下对其厚度进行测量。由于给定厚度的浒苔漂浮状态唯一，故只对不同设定厚度的浒苔，用不同频率进行测试。 四、结论与探讨 本文所探讨的两种http://WwW.LWlM.cOm基于声纳的浒苔监测方法，设备复杂度低、操作简单，具有较强实用性，可以迅速应用于海洋绿潮灾害的监测与防控，具备较高实用价值。在此基础上，还可以进一步发展简便易用的水下超声监测装置，用于目的更广泛的水下监测任务，以覆盖ROV、潜水员等光学探测技术的盲区。 在方法的可靠性方面，目前尚待解决的，主要是淤泥质海底的探测问题。由于淤泥的声反射特性与沉降浒苔相似，可能会对浒苔监测产生一定干扰。虽然目前浒苔危害海域主要为礁石、沙质海床，但这一问题仍然需要足够的重视。 此外，利用声纳探测的方法，还可以用于海面漂浮浒苔的厚度监测，可以快速得知漂浮浒苔的准确厚度，为准确统计灾害严重程度、定量安排清除提供决策依据。