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EXO在人工水质剖面测量中的应用
发布时间:2017-09-21

YSI是Xylem品牌之一,属于Xylem Analytics,其产品EXO是一款既可以用来便携式测量水质(图1)、也可以用来作人工剖面式测量的水质多参数仪器(图2),所谓剖面式测量,通常的做法是,在主机里装入电池、设置好仪器,将仪器用绳子慢慢深入水中,仪器靠重力作用缓慢从水面深入到水底,然后缓慢将仪器拉出水面,在此过程中,仪器以设置的频率将水质数据记录在仪器本身的内存中,此后,下载数据到计算机,水质数据对深度作图,于是,水质参数的数据在深度上的分布就一目了然,数据呈现的是客观上的水质随深度变化的水质分布。

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通常这是一种无电缆式操作,其特点是测量的水深不受电缆长度的限制,对于仪器的要求是:

仪器可内置电池;

仪器带有内存;

仪器配置了深度传感器,而且深度传感器的最大工作深度大于最大水深;

仪器自身和其他传感器最大工作水深大于实际测量时的水深;

仪器的响应速度足够快;

除仪器本身自重外,当水深深、水体又是咸水时,更可能需要配重。在操作过程中提到的设置好仪器,其含义是:设置仪器以一定的频率自记数据到仪器的内存。所谓缓慢下降和提升仪器,其含义是,一般地,移动仪器的速度约为1米/秒;显然移动的速度越慢,得到的数据越多,剖面上的数据越密。


EXO正是具有上述所有需要的仪器之一:

EXO1可装入两节一号电池,EXO2可装入四节一号电池;两台仪器在满载传感器的情况下,如果以15分钟的间隔自记数据,电池寿命可高达90天;

EXO内存为512M,可存贮的数据量大于100万个读数;

EXO深度传感器可选为10米、100米、250米;请选择带有合适深度传感器的主机完成测量;

EXO的主机和所有的水质传感器最大使用深度为250米,这足以满足一般湖泊水库海洋近岸的测量需要;据文献记载,我国仅有为数甚少的湖泊,如长白山天池部分区域超过350米外,其他超过200米的湖泊较为少见。据中国科学院青藏高原研究所湖泊专家们的实际测量,位于藏北地区的当惹雍错和许如错的最大水深在220米左右,是目前已知青藏高原上最深的两个湖泊,而著名的纳木错最大水深约为100米;

EXO采集水质数据的最大频率为4Hz,如果仪器的移动速度为1米/秒,则相当于每0.25米水深方向上就采集到一组水质数据;假设仪器的移动速度固定,则在一个100米水深的剖面上下降过程或者上升过程中分别将获取高达400组水质数据;这是常规方法难于想象的,这也正是水质多参数仪器用于剖面测量的意义之一;

EXO1带电池和传感器重量为1.65公斤,EXO2带电池和传感器重量为2.65公斤;在实际的作业中请根据水体的深度就地取材,为仪器适当配重(图3)。

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EXO的技术指标列明其最大工作水深为250米,含仪器主机(仪器不带深度传感器或者带有的深度传感器其深度为250米)、所有的水质传感器、清洁刷。要找到一处接近250米水深的湖泊是困难的,Xylem Analytics-YSI的应用工程师有幸跟随中国科学院青藏高原研究所的科学工作者考察了青藏高原上的许如错,在许如安营扎寨与这些科学工作者一起在许如错湖工作生活了8天(图4)。

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许如错(藏文:ཞུ་རུ་མཚོ,威利:zhu ru mtsho,THL:Zhuru Tso)位于中国西藏自治区日喀则昂仁县境内,地处昂仁县北部,冈底斯山北麓,湖面海拔4714米,面积211.1平方公里。湖区年均气温0~2℃,年均降水量200~300毫米。湖水主要依靠冰雪融水径流补给。湖泊为咸水湖,集水面积大约1720平方公里,湖泊长度24.4公里,湖泊长度24.4公里,湖泊宽度最大12.8公里,平均8.65公里。


       在许如错我们测量水质剖面的位置水深为203米,这是科考组到目前为止实际测量水质剖面最深的剖面,也是Xylem Analytics CN应用工程师案例研究中采集到的最大水深的水质剖面(图5)。

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上述测量的结果表明:

1.实际实验证实EXO的传感器和主机可用在200米的水下; 

2.在该测量垂线上水质确实是不均一分布的,这显示了许如错在此季节湖水是分层的,符合温带湖泊常见的分层规律;

3.就单一参数而言,上表面和水底的温度差大约为1°C;电导率数值介于2500~3000uS/cm;水面pH为8.8,底部为9.1;在203米的剖面上浊度值很小而且变化很小(<0.3NTU);溶解氧表面接近6mg/L(气压值为427mmHg柱),DO的最大值出现在25米~50米之间,约7.5mg/L;fDOM(荧光溶解有机物)从上之下接近于零,其变化为0.6QSU;叶绿素水平不高,最大值为2.2微克/升,出现在50米~70米约20米水层里;BGA水平为零。


YSI除了向科学工作者、环境监测者提供可用于人工水质剖面的测量工具EXO外,尚为具有定点、长期监测需要的客户提供水质自动剖面监测仪系统,这种系统可以最小0.5米的垂直梯度为最大水深100米的水质剖面进行连续的长期的水质剖面监测,参数上除EXO可测量监测的参数外,尚可以增加流速、光合有效辐射(PAR)、温度链等等。通常该水质自动剖面仪系统有三种形式(图6):

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参考资料:

1.  王苏民,窦鸿身,中国湖泊志.北京:科学出版社,1988:1-580

2.   王君波,彭萍,马庆峰,朱立平,西藏当惹雍错和扎日南木错现代湖泊基本特征,湖泊科学,2010,22(4):629-632

3.   王君波,朱立平,Gehard Daut等,西藏纳木错水深分布和现代湖沼学特征初步分析,湖泊科学,2009,21(1):129-   135

4.   国家科技基础性工作专项重点项目《青藏高原资料匮乏区综合科学考察》简报 2013年第4期

5.   YSI profiler system User’s Manual 

6.USGS Water Resources Devion,Henderson,Novada, Lake Mead Water Quality Platforms Quality Assurance Plan with Procedures for Operating The Endco/YSI Profiling Syetem 

7.USGS Olathe Kansas, Monititoring the Water Quality of Lake Olath,Johnson County,Kansas

8.USGS, Physical and Chemical Water-Quality Data from Automatic Profiling Systems,Boudler Basin,Lake Mead,Arizona and Nevada Water Years 2001-04 

9.USGS, Techniques and Methods 1-D3, Guidelines and Standard Procedures for Continuous Water-Quality Monitors:Station Operation,Record Computation,and Data Reporting 


致谢:中科院青藏高原研究所湖泊沉积课题组为本文中涉及到的仪器应用在野外测量工作提供了陆地和水上交通、食物、住宿等方面的一切便利,在此表示特别感谢。                                                                        


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