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水體富營養(yǎng)化在線觀測預報系統(tǒng)
更新時間：2016-04-12
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水體富營養(yǎng)化在線觀測預報系統(tǒng)由藻類在線觀測模塊、氮磷在線觀測模塊、水體呼吸 在線觀測模塊及污染源熒光示蹤儀組成，可在線監(jiān)測藻類濃度動態(tài)變化及生態(tài)生理狀況、 總氮總磷及營養(yǎng)鹽動態(tài)變化、溶解氧動態(tài)變化及 BOD 等，并通過移動式熒光示蹤測量儀觀 測分析藻類的空間分布狀況、熒光示蹤測量分析污染源分布和時空變化等，全面監(jiān)測和解 析富營養(yǎng)化的時空動態(tài)變化及來源，即時作出預測預報及相應防治對策。
水體富營養(yǎng)化（eutrophication）是指由于人類活動的影響，導致大量外源氮、磷等營養(yǎng)物質進入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質惡化，魚類及其他生物大量死亡的現(xiàn)象。當總磷濃度超過0.1mg/l（如果磷是限制因素）或總氮濃度超過0.3mg/l（如果氮是限制因素）時，藻類會過量繁殖。經濟合作與發(fā)展組織（OECD）提出富營養(yǎng)湖的幾項指標量為：平均總磷濃度大于0.035mg/l；平均葉綠素濃度大于0.008mg/l；平均透明度小于3m。目前一般采用的指標是：水體中氮含量超過0.2-0.3ppm，生化需氧量大于10ppm，磷含量大于0.01-0.02ppm，pH值7-9的淡水中細菌總數(shù)每毫升超過10萬個，表征藻類數(shù)量的葉綠素-a含量大于10μmg/L。
水體富營養(yǎng)化在線觀測預報系統(tǒng)由藻類在線觀測模塊、氮磷在線觀測模塊、水體呼吸在線觀測模塊及污染源熒光示蹤儀組成，可在線監(jiān)測藻類濃度動態(tài)變化及生態(tài)生理狀況、總氮總磷及營養(yǎng)鹽動態(tài)變化、溶解氧動態(tài)變化及BOD等，并通過移動式熒光示蹤測量儀觀測分析藻類的空間分布狀況、熒光示蹤測量分析污染源分布和時空變化等，全面監(jiān)測和解析富營養(yǎng)化的時空動態(tài)變化及來源，即時作出預測預報及相應防治對策。
藻類在線觀測模塊采用葉綠素熒光技術（Technique of chlorophyll fluorescence）原理和葉綠素延遲熒光技術（Delayed fluorescence technique）原理。前者通過脈沖調制熒光方法（Pulse amplitude modulated （PAM）fluorescence methods）,利用調制測量光、持續(xù)光化學光及飽和光閃激發(fā)葉綠素熒光，測量分析Ft、QY及OJIP等快速熒光參數(shù)，以研究藻類及高等植物的光合生理生態(tài)和脅迫生理，如不同除藻劑及不同劑量的QY和OJIP變化，以便找出除藻劑zui低有效劑量及高效無污染除藻劑技術，其中Ft、OJIP固定面積（Fix-area，指OJIP曲線下面的面積）與藻類葉綠素濃度呈相關關系，經校準可以測量藻類密度（藻類葉綠素濃度）；延遲熒光是比快速熒光弱但持續(xù)時間更長的葉綠素熒光，浮游植物延遲熒光與活體藻類濃度相關，不同顏色藻類可以激發(fā)出不同的延遲熒光，依次可以區(qū)分不同藻類的濃度，達到定性、定量監(jiān)測藻類的目的。水體富營養(yǎng)化在線觀測預報系統(tǒng)使用*的實驗室濕化學分光光度法進行樣品分析，水體呼吸采用“間歇式”測量原理，集合了“開放式”（實時測量）和“封閉式”（測量簡單但精度差）的優(yōu)點，同時又克服了開放式測量時間解析度差、封閉式不能連續(xù)長時間測量等缺點，利用光纖熒光氧氣測量技術，在線測量觀測溶解氧及水體呼吸并可求出BOD等。
主要功能特點如下：
1. 可在線分類定量監(jiān)測藍藻和綠藻等其它藻類的動態(tài)變化
2. 在線監(jiān)測光譜性藻類的葉綠素熒光參數(shù)Ft、QY及OJIP-fix area，從而可全面分析藻類的光合生理狀況、脅迫狀況、生長狀況及濃度狀況
3. 在線分析總氮、總磷，并進一步監(jiān)測分析各組分包括磷酸鹽、氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮的動態(tài)變化
4. 在線監(jiān)測分析水體溶解氧變化、水體呼吸及BOD狀況
5. 各監(jiān)測模塊自由組合，又可獨立運行
6. 利用熒光示蹤技術，可追蹤污染源的空間分布狀況，可用于地表水污染狀況分布圖繪制、污染狀況監(jiān)測研究、污染源追蹤等
性能指標
1. 高靈敏度在線監(jiān)測廣譜藻類葉綠素熒光特性包括Ft、QY和OJIP-Fix area等，檢測極限達30ng Chl/l，可檢測出10 cells/ml的綠藻或100 cell/ml的藍藻。藍色（455nm）和紅色（630nm）雙色測量光，可選配其它波長測量光
2. 延遲熒光技術分類定量監(jiān)測藍藻、綠藻（包括綠藻、裸藻等）、硅藻（包括硅藻、金藻、黃藻等）和隱藻類4種藻類，可通過USB接口下載數(shù)據(jù)或通過網(wǎng)絡遠程數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)診斷
3. 在線測量監(jiān)測總磷、磷 酸鹽、總氮、氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的動態(tài)變化，超量程自動稀釋；標準檢測范圍：
a） 總磷：0-3ppm-200ppm-P
b） 總氮：0-5 ppm - 1000 ppm – N
c） 氨氮：0-0.2 ppm - 200 ppm - N-NH3
d） 硝 酸鹽＋亞硝 酸鹽：0-5 ppm - 1000 ppm - N-NO3
e） 亞硝 酸鹽：0-0.05 ppm - 20 ppm - N-NO2
f） 磷酸鹽：0-0.2 ppm - 200 ppm - P-PO4
4. 營養(yǎng)鹽測量方式為循環(huán)順序測量，測量間隔程序可調
5. 具備試劑冷藏配置，試劑更換3-6周（取決于測量參數(shù)及方法等因素）
6. 內置時鐘和顯示屏，在線顯示和存儲數(shù)據(jù)包括日期、時間及測量值等
7. Mini型熒光光纖氧傳感器， Mini光纖氧探頭外徑2.8mm，內徑2.0mm，被覆有光隔離材料以避免生物自發(fā)光造成的干擾，因而可以測量藻類等（有葉綠素熒光）具有內部自發(fā)光的生物耗氧；零氧耗、高穩(wěn)定性，響應時間快于6秒（氣相測量）；可測量液相和氣相氧濃度，測量范圍0-50%空氣氧、0 - 22.5 mg/L，測量極限0.15 %空氣氧、15 ppb溶解氧；氧濃度在線溫度補償，不受電磁信號干擾
8. 污染源熒光示蹤儀為帶參考光束的90度濾波式熒光儀，光源、檢測器內置用戶自定義設置的光學濾波器，多廣譜測量，適于葉綠素熒光和其它示蹤熒光如熒光素（光源465nm，檢測器530nm）、若丹明（光源530nm，檢測器580nm）等；測量單位：ppt，ppb，μg/l，μmol等，或者任意單位，靈敏度Chla 0.025μg／l
9. 防水級別:IP65
國內外應用狀況
藻類熒光技術應用于水體藻類監(jiān)測包括水華監(jiān)測預報及藻類生理生態(tài)和防治研究，近些年來在上得到越來越廣泛的重視和應用，成為評估水體生態(tài)系統(tǒng)的重要技術手段和研究領域，對水生態(tài)評估和研究具有劃時代意義。Dijkman等（1999）利用雙調制熒光儀可以檢測到100pM（皮摩爾濃度）葉綠素濃度的藻類。Vera Istvanovics 等（2005）利用延遲熒光技術對匈牙利Balaton湖浮游植物進行了持續(xù)在線監(jiān)測，結果表明延遲熒光數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)顯微鏡計數(shù)法及實驗室葉綠素濃度測量法具有*的吻合性，可以精確監(jiān)測不同藻類的濃度，檢測極限約為1μg Chl/l。Gabriel等（2006）以Ft作為藻類葉綠素濃度指標、QY（Fv/Fm）作為藻類光合效率指標，研究了哥倫比亞安第斯高山帶湖泊藻類動態(tài)，結果顯示6月份深水層藻類葉綠素濃度高但光合效率低，而10月份水體循環(huán)期，藻類葉綠素濃度低但光合效率高，藻類光合效率并不依賴于生物量，而是與營養(yǎng)可獲得性及光輻射情況有關。2007年，*屆“葉綠素熒光技術與水科學”（Aquafluo 2007: chlorophyll fluorescence in aquatic sciences）會議在捷克召開；2010年，《Chlorophyll Fluorescence in Aquatic Sciences: Methods and Applications》（David J.Suggett等，2010）一書正式出版,該書全面介紹了熒光技術包括延遲熒光技術在水體藻類監(jiān)測、研究、水體生產力評估等方面方法、技術和應用等。
我國營養(yǎng)鹽測量監(jiān)測多采取采樣實驗室分析的方法（劉信安等，2005；李哲等，2009；），與實驗室分析相比，原地（in-situ）在線監(jiān)測具有即時（real-time）持續(xù)監(jiān)測動態(tài)變化等*的優(yōu)點，而且可以與藻類在線監(jiān)測等數(shù)據(jù)耦合分析，因此成為研究的熱點。歐盟于2007年啟動了WARMER 項目（Water Risk Management in EuRope），其目標為在海濱地帶及大江大湖區(qū)建立一個水質即時（real-time）監(jiān)測系統(tǒng)，作為本項目的內容，Gunatilaka等（2009）利用原位監(jiān)測技術，對威尼斯瀉湖磷酸鹽、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮進行了監(jiān)測，監(jiān)測結果比起抽樣實驗室分析法（如每周或每月抽樣）更精確系統(tǒng)地反映了營養(yǎng)鹽的日變化、月變化等動態(tài)。
參考文獻：
1. Kijkman，N., D. Kaftan and M. Trtilek. Measurements of phytoplankton of sub-nanomolar chlorophyll concentrations by a modified double-modulation fluorometer. Photosynthetica, 37（2）: 249-254, 1999
2. Istvanovics, Vera, Mark Honti, Andras Osztoics, etc. Continuors monitoring of phytoplankton dynamics in Lake Balaton （Hungary） using on-line delayed fluorescence excitation spectroscopy. Freshwater Biology, 50: 1950-1970, 2005
3. Gabriel A., John C. and Carlos A. Photosynthetic efficiency of Phytoplankton in a Tropical Mountain Lake. Caldasia 28（1）: 57-66, 2006
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5. David J., Borowitzka, Michael A, etc. Chlorophyll a Fluorescence in Aquatic Sciences: Methods and Applications. Springer Dordrecht Heidelberg London New York, 2010.
6. Gunatilaka, A., P. Moscetta, L. Sanfilippo, etc. Observations on Continuous Nutrient Monitoring in Venice Lagoon. IEEE Oceans’09 conference, Biloxi（USA）, 26-29, 2009
7. Moscetta, P., L. Sanfilippo, E. Savino, etc. Instrumentation for continuous monitoring in marine environment. IEEE Oceans’09 conference. Biloxi（USA）, 2009
8. 李哲、方芳、郭勁松等，三峽小江回水段2007年春季水華與營養(yǎng)鹽特征。湖泊科學，21（1）：36-44，2009
9. 劉信安、湛敏、馬艷娥，三峽庫區(qū)流域藻類生長與營養(yǎng)鹽吸收關系。環(huán)境科學，26（4）：95-99，2005
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