Probleme und Perspektiven der Technologie zur Überwachung der Meereswasserqualität

Probleme und Perspektiven der Technologie zur Überwachung der Meereswasserqualität

Das 21. Jahrhundert ist das Jahrhundert der Ozeane. Angesichts der extremen Verknappung terrestrischer Ressourcen und der fortschreitenden Umweltzerstörung haben viele Länder ihren wirtschaftlichen Entwicklungsschwerpunkt auf die Ozeane verlagert. Die Erschließung von Offshore-Öl- und Gasvorkommen, die Entwicklung von Meeresfarmen und Aquakulturen sind zu wichtigen Wirtschaftszweigen in der maritimen Wirtschaft von Küstenstaaten geworden. Doch neben den wirtschaftlichen Vorteilen hat die Entwicklung der maritimen Industrien auch zahlreiche Umweltprobleme ausgelöst.

Derzeit verschlechtert sich der Zustand der Aquakulturen in den Küstengewässern meines Landes, und die Wasserqualität ist stark beeinträchtigt. Fischer in Küstenstädten stoßen beim Fischen in küstennahen Gewässern häufig auf Algenblüten, die ihre Arbeit erheblich gefährden. Laut Statistiken sind die Hauptquellen der Wasserverschmutzung in den Küstengebieten meines Landes landbasierte Einleitungen, darunter Industrieabfälle, Industrieabwässer, Düngemittel und Pestizide, Erdöl, Schwermetalle und unbehandelte Haushaltsabfälle. Vor den 1970er Jahren traten Algenblüten nur in wenigen Meeresgebieten auf. In den letzten Jahren haben sie jedoch zugenommen, sich über größere Gebiete ausbreiten, länger andauern und schwerwiegendere Schäden verursachen. Dies stellt eine ernsthafte Bedrohung für den Lebensraum der Meereslebewesen dar und behindert die Entwicklung der Meereswirtschaft.

Die Förderung und Verbreitung von Technologien zur Überwachung der Meereswasserqualität in Küstenstädten kann nicht nur enorme wirtschaftliche Verluste verhindern, sondern auch die Entwicklung der Meeresumwelt vorhersagen und Muster von Meereskatastrophen wie Algenblüten frühzeitig erkennen. So können Umwelt- und Fischereibehörden fundierte Entscheidungen treffen. Dies entspricht auch den Anforderungen einer integrierten Land- und Meeresentwicklung, dem Aufbau einer maritimen Macht und der Umsetzung der „Blauen Meer“-Initiative.

Methoden zur Überwachung der Meereswasserqualität in Küstennähe

Herkömmliche Methoden zur Überwachung der küstennahen Meereswasserqualität umfassen die manuelle Probenahme. Dabei werden Schiffe zu festgelegten Probenahmestellen gefahren, um Wasserproben zu entnehmen und diese zur Analyse und Verarbeitung in Labore an Land zu transportieren. Diese manuelle Methode ist durch komplexe Wetter- und Seebedingungen eingeschränkt und daher wenig effizient. Sie birgt zudem Herausforderungen wie hohe Risiken für das Personal, unzureichende Echtzeitüberwachung und begrenzte Überwachungsgebiete. Darüber hinaus erfordert sie einen hohen Personal- und Ausrüstungsaufwand und kann weder Echtzeitdaten gewährleisten noch die dynamischen Veränderungen der Wasserqualität an den Probenahmestellen abbilden.

Mit der rasanten Entwicklung der Meerestechnik und der Technologien des Internets der Dinge (IoT) umfassen die Technologien zur Überwachung der Wasserqualität in Küstennähe meines Landes hauptsächlich die Überwachung mit Bojen, Satelliten, Flugzeugen und unbemannten Oberflächenfahrzeugen (USV).

①Bojenüberwachung

Die Echtzeitüberwachung der Wasserqualität und Meeresströmungen in Küstengewässern mithilfe von IoT- und intelligenten Sensortechnologien liefert Daten für die Forschung zur marinen Wasserqualität und ihren hydrodynamischen Eigenschaften. An ausgewählten Messpunkten werden verankerte Bojensysteme mit verschiedenen Parametersensoren installiert. Die Instrumente auf der Bojenplattform können an festen Punkten positioniert und mittels eines vertikalen Hebesystems bewegt werden, was eine schichtweise Überwachung im Meerwasser ermöglicht. Wie in der Abbildung dargestellt, integriert das Bojenüberwachungssystem ein Stromversorgungssystem sowie ein Datenerfassungs- und -übertragungssystem. Mithilfe von GPRS/BeiDou-Satelliten überträgt es die überwachten Wasserqualitätsdaten in Echtzeit an die landbasierte Managementstation. Das System verfügt zudem über Sicherheits- und Selbsttestfunktionen, um einen stabilen Betrieb der Wasserqualitätsüberwachung im unbemannten Modus zu gewährleisten. Die Vorteile der Bojenüberwachung liegen in der hohen Automatisierung, der kontinuierlichen Überwachung, dem geringen Bedarf an Personal und Material sowie der einfachen Wartung und Verwaltung. Zu den Nachteilen zählen die Beschränkung auf feste Messpunkte, die begrenzte Überwachung der Wasserqualität in kleinen Meeresgebieten und die mögliche Beschädigung der Oberflächenausrüstung durch Taifune.

②Satellitenüberwachung

Die Satellitenüberwachung hat sich in den letzten Jahren zu einer beliebten Methode zur Überwachung der Meereswasserqualität entwickelt. Im Vergleich zur Bojenüberwachung bietet sie die Vorteile einer schnellen, kontinuierlichen und großflächigen Überwachung. Diese Methode ist ein effektives Mittel, um Zeitpunkt, Ausdehnung, Ausbreitungsgrad und -richtung sowie das Auftretensmuster von Algenblüten auf See zu untersuchen. Alle Substanzen in der Natur besitzen spektrale Eigenschaften. Unterschiedliche Substanzen weisen unterschiedliche spektrale Eigenschaften auf, und die Unterschiede in den Spektren korrelieren positiv mit den Unterschieden zwischen den Substanzen. Das Prinzip der Fernerkundung der Meereswasserqualität basiert auf der Tatsache, dass reines Wasser und andere Wasserkörper unterschiedliche spektrale Eigenschaften aufweisen. Sensoren auf Satelliten empfangen Strahlungswerte in einem bestimmten Wellenlängenbereich, analysieren die Absorption und Streuung von Wasserqualitätsparametern im Licht spezifischer Wellenlängen und nutzen die mathematische Beziehung zwischen Spektrum und Konzentration der Wasserqualitätsparameter, um schließlich die Konzentrationswerte verschiedener Wasserqualitätsparameter abzuleiten. Wie in Abbildung 2 dargestellt, empfangen die Sensoren auf dem Satelliten während der Satellitenfernerkundung drei Anteile der Sonnenstrahlung:

(1) Von der Wasseroberfläche reflektierte Strahlung;

(2) Von der Atmosphäre gestreute Strahlung;

(3) Strahlung, die vom Sonnenlicht nach dem Eintritt in das Meerwasser gestreut und reflektiert wird.

③Luftüberwachung

Die luftgestützte Überwachung nutzt Luftfahrzeuge wie Hubschrauber als Sensorträger, um die Wasserqualität aus der Luft ferngesteuert zu überwachen. Vorteile wie hohe Empfindlichkeit, Genauigkeit und Auflösung haben zu ihrer rasanten Entwicklung in der Wasserqualitätsüberwachung geführt. Dank ihrer hohen Mobilität und Flexibilität eignet sie sich für großflächige Inspektionen und gezielte Untersuchungen wichtiger Gebiete. Luftgestützte Überwachungssysteme können flexibel verschiedene Sensortypen, darunter Mikrowellen-, Infrarot-, Ultraviolett- und Lidar-Sensoren, tragen, um zeitnah Informationen zur Wasserqualität in Meeresgebieten zu erfassen. Sie werden heute häufig in der Meeresumweltüberwachung eingesetzt. Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) stellen derzeit eine neue Richtung in der Entwicklung der luftgestützten Überwachung dar. Diese Methode ist zuverlässig, kann verschiedene hochauflösende Detektionsgeräte tragen und bietet Vorteile wie hohe Mobilität und geringe Kosten. Sie wird bereits in der küstennahen Meereswasserqualitätsüberwachung und Küstenüberwachung eingesetzt und wird zukünftig eine wichtige Rolle bei der Überwachung von Meereskatastrophen in Küstennähe spielen.

④ Überwachung unbemannter Schiffe

Die Überwachung mit unbemannten Oberflächenfahrzeugen (USV) ist eine mobile Überwachungsmethode, bei der ein Wasserqualitätsüberwachungssystem auf einem unbemannten Oberflächenfahrzeug montiert und die Überwachungsergebnisse in Echtzeit mittels drahtloser Kommunikationstechnologie an eine landgestützte Basisstation übertragen werden.