使用HydroCAT-EP进行长期水质监测
2020-12-18，星期五
新的Sea-Bird Scientific HydroCAT-EP在一台坚固耐用的仪器里集成了一整套的物理和生态化学传感器，专门的设计使可测量的水质参数达到最大化并获得持久的测量精确度保障。仪器使用由Sea-Bird和WET Labs的依靠其业内领先的CTD和海洋系统的设计开发能力制造的同等高质量的元器件，设计用于在近海环境长期运行的坚固、紧凑的监测传感器。
图1 Sea-Bird Scientific HydroCAT-EP
HydroCAT-EP使用封闭地、带有防生物附着的、泵控的流通通道。防生物附着设计用于保护温度、电导率、溶解氧和pH传感器。光学浊度和叶绿素传感器配备了完全由铜材质保护的光口来保证近乎为零的生物附着。
2015年7月1日，在华盛顿州的Puget Sound的 Shilshole湾进行了一次长期运行的测试。在测试过程中同时使用了一台带有溶解氧传感器的SBE 37 MicroCAT进行长期运行，并进行了定期的水样采集测量。对比数据后可以看到HydroCAT-EP是一个准确和稳定的仪器。测试结果突出了在没有维护的情况下持续获得的高质量数据这一性能表现。HydroCAT-EP从2015年7月1日到2015年10月15日在现场运行了3.5个月，经历了水生生物从温和生长到快速生长产生生物附着的时间。
HydroCAT-EP 溶解氧测量
为了对比溶解氧数据，在HydroCAT-EP的同一抛放地点同时布置了一台装有压力、温度、电导率和溶解氧传感器的SBE37SMP MicroCAT. SBE37所处位置的的平均深度为2.5米，HydroCAT-EP所处位置的平均深度为2.8米。图2显示了15分钟为周期的SBE37和HydroCAT-EP的以ml/l为单位的溶解氧浓度。两个光学溶解氧传感器有着相同的机械和电气结构，不同的校准流程产生了不同的精度参数。
图2: 在Shilshole湾使用HydroCAT-EP(蓝色的点)和SBE37MicroCAT(绿色的点)和搭载在SBE 19plus V2 SeaCAT CTD上的SBE43(红色的点)的每小时的溶解氧数值
HydroCAT-EP的光学溶解氧被校准到200%空气饱和度，初始精度为± 0.14ml/l。SBE37的光学传感器被校准到120%空气饱和度，初始精度为± 0.07ml/l。数据记录包含了显著的光合作用显著活跃的时间和随之而来的溶解氧饱和度接近200%。
SBE 37和HydroCAT-EP的测量值（超过120%空气饱和度的值不计入）如图3所示。 平均误差为0.064 ml/l，标准差为± 0.062 ml/l。两个数值的变化都在各自的精确度指标内。误差带有一致性，在106天的运行当中的线性漂移为0.002 ml/l ，不同校准所产生的的数据差异大于传感器漂移引起的数据差异。
图3：在Shilshole湾由HydroCAT-EP和SBE37（蓝色的点）和 HydroCAT-EP和搭载在SBE19V2 SeaCAT CTD上的SBE43溶解氧传感器（红色的圈）的每小时溶解氧测量值的差异
第二个现场测试的对比实验使用了4套SBE43溶解氧传感器，并被抛放在和HydroCAT-EP的同一个深度位置。HydroCAT-EP和SBE43的溶解氧浓度数据的差距小于0.03 ml/l ，平均误差为0.01 ml/l。在剧烈变化和高初级生产力的环境中运行超过三个月后，溶解氧浓度的漂移程度显著低于传感器初始精度的指标，这一比测结果证明了HydroCAT-EP的长期运行的准确性和稳定性。
HydroCAT-EP的pH测量
HydroCAT-EP使用了玻璃泡电极和可重新填充的参比电极的pH传感器，并将之安装在泵控的流通通道当中。pH传感器位于溶解氧传感器的下游（见图4）。在避光设计和防生物附着措施的保护下，传感器的初始精度为± 0.1 pH单位，在用户进行3点校准的情况下，3个月的最大漂移量为± 0.1 pH单位。
图4: HydroCAT-EP
pH在连续的、原位监测的应用当中一直以困难著称。在Shilshole湾的现场试验当中，使用了3个pH探头并在开始的5周的时间内表现出了非常好的一致性，平均差距仅为0.04pH单位，位于在整体测量精度内。
得到的初始精度位于技术规范之内的结果后，我们试图通过在Shilshole湾在光合作用/呼吸作用旺盛的时间，环境变化强烈的现场实验（图5）当中，对实验中得到的pH和溶解氧浓度的数据使用强力修正的方法来确定影响更长期运行稳定性的问题所在(Frieder et al. 2012)。受浮游植物的光合作用/呼吸作用的影响，在饱和范围内（百分之90-150的饱和度）溶解氧浓度和pH之间存在着线性关系。
图5: Shilshole湾的HydroCAT-EP:pH, 溶解氧浓度[ml/l]和溶解氧的饱和度 (ml/l, % saturation)
图6中的斜率和截距描述了在全部运行周期内每天溶解氧和pH的平均值的线性拟合参数，并且仅使用了介于90%-150%之间的溶解氧饱和值。同时也绘制出了前30天的平均斜率和截距的值。影响DO-pH关系的还有可能有其他的因素。在试验的前两个月内斜率和截距是非常稳定的，但在8月26日之后这一关系变得不稳定了，DO-pH关系变化的原因可能是pH传感器的漂移或是近岸环境当中的生态化学变化。
图6: Shilshole湾中HydroCAT-EP溶解氧和pH之间的线性关系
