河口海岸环境监测技术研究进展

顾靖华; 葛振鹏; 王杰

doi:10.3969/j.issn.1000-5641.201841037

河口海岸环境监测技术研究进展

doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201841037

华东师范大学河口海岸学国家重点实验室, 上海　200241

基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金(41706093); 华东师范大学优秀博士生学术创新能力提升计划(YBNLTS2019-008)

详细信息

作者简介:
顾靖华, 男, 工程师, 研究方向为河口海岸野外观测. E-mail: jhgu@sklec.ecnu.edu.cn

中图分类号: P714
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出版历程
- 收稿日期: 2018-12-21
- 网络出版日期: 2019-12-25
- 刊出日期: 2020-01-01

Review of estuarine and coastal environmental monitoring technologies

State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai　200241, China

摘要

摘要: 河口海岸为陆海耦合作用敏感地带, 是地球系统科学研究的核心对象. 受全球海平面上升、入海泥沙减少、高强度人类活动的多重影响, 河口海岸环境面临严峻的风险和挑战. 加强河口海岸环境监测技术能力建设是理解河口海岸过程与变化机理、提高对其未来变化认识与预测的首要条件. 基于此, 从河口海岸区位特殊性角度对气象、水文、地形地貌、地质、环境共5个方面综合论述河口海岸环境的监测要素与监测方法. 在对比监测手段的基础上, 提出了当前在极端天气下的监测以及长时间尺度的监测中存在不足, 亟须全面改善.
- 河口海岸 /
- 监测手段 /
- 监测指标
Abstract: Estuaries and coasts are the most sensitive zones in land-sea interaction-these zones have now become the core of earth system science research. In recent years, estuarine and coastal environments are facing serious challenges from rises in both sea level and high-intensity human activities. Strengthening the capacity of estuarine coastal environmental monitoring technology is essential for understanding the process and change mechanisms of the estuarine and coastal environments and improving our prediction of future changes. In this paper, monitoring elements, methods, common instruments, and equipment for estuarine and coastal monitoring are discussed holistically based on five aspects: meteorology, hydrology, topography, geology, and environment. Given the uniqueness of estuarine and coastal locations, we show that current monitoring of extreme weather and long time series data is particularly inadequate and needs to be improved holistically.
- estuary and coast /
- monitoring technologies /
- monitoring indexes

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图 1 水文监测技术

注: (A) 验潮站, (B) OBS-3A浊度仪, (C) Argo浮标, (D) 近岸海底监测三脚架; 图1A引自http://www.ntjczxz.com/, 图1C引自https://planet-ocean.co.uk

Fig. 1 Hydrological monitoring technologies

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图 2 地形、地貌监测技术

注: (A) 实时动态载波相位差分技术, (B) RIEGL三维地面激光扫描仪, (C) 多波束测深系统; 图2A引自http://www.channelcoast.org/, 图2C引自https://www.dredgemag.com/

Fig. 2 Topography and geomorphology monitoring technologies

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图 3 地质监测技术

注: (A)浅地层剖面仪, (B)沉积物取样; 图3A引自https://www.edgetech.com/, 图3B引自http://www.sciencenet.cn/

Fig. 3 Geological monitoring technology

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表 1 常规气象监测技术

Tab. 1 Conventional meteorological monitoring technologies

监测手段	监测载体	监测项目	特点
气象站	自动气象站	环境温度、湿度、露点温度、风速、风向、气压等	单点测量、测量精确、自动化程度高、连续数据
岸基站、海岛测站、浮标站	海洋气象观测平台	海面气温、降水、气压、风速、风向、表面温度、表面辐射收支等	单点测量、测量精确、自动化程度高、连续数据
卫星遥感	气象卫星	温度场、气压场、风场、降水场等	覆盖范围大、时效性强、像元分辨率较低

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表 2 极端天气监测技术

Tab. 2 Monitoring technologies for extreme weather

监测对象	监测手段	手段目的
台风	气象卫星	图像、移动路径、降水
	地基多普勒天气雷达	风速、气压、移动路径
	地面自动气象站	风速、气压、降水
	高空探测	移动路径
寒潮	地面自动气象站	温度下降过程

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表 3 水文监测技术

Tab. 3 Hydrological monitoring technologies

监测方式	载体	位置	时间长度	观测项目	常用仪器	优点	缺点
水文站点	国家水文站	通常位于岸边	除部分临时站, 大部分为长期站, 持续监测水文指标	水位	水位计	提供长时间序列数据, 监测几乎不受外力影响	数据密度不高, 点位过于固化
				流速、流量	转子式流速计
				泥沙量	OBS
				水质	OBS
				降水	雨量计
				蒸发	蒸发器
定期巡航观测	人工	岸边及人能活动的水深处	短期	波浪、潮汐	浪潮仪	灵活, 一般用于工程需要, 类似临时水文站	活动范围小
				流速	声学点流速仪
				泥沙量	采水器或OBS
				水质	采水器或OBS
				粒度	采泥器、粒度仪
	测船	水上	短期	波浪、潮汐	浪潮仪	活动范围大, 数据密度高	受天气影响极大
				流速	ADCP
				泥沙量	OBS
				水质	CTD
				粒度	LISST
				降水	雨量计
近底三脚架监测	水下近底三脚架	水下	短期	波浪、潮汐	浪潮仪	空间相关性好, 系统姿态稳定, 数据分辨率高	系统姿态难以调整, 数据实时检查难以进行
				流速	ADCP
				泥沙量	OBS
				水质	OBS
				粒度	LISST
浮标系统	浮标	漂移或锚于海中	长期	波浪	SBE26	提供长时间序列数据, 监测受外力影响小, 监测过程自动化	维护成本高, 损坏难以及时修理
				流速	Valeport
				泥沙量	OBS
				水质	CTD
				降水	雨量传感器
卫星遥感	地球卫星	太空	长期但存在时间间隔	流场	微波传感器	覆盖面积大、同步性好	只能反演海表情况, 分辨率低
				盐度场	微波传感器
				温度	水色传感器
				悬沙量	水色传感器

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表 4 陆地地形监测技术

Tab. 4 Terrestrial topography monitoring technologies

测量手段	载具平台	常用系统	精度	优点	缺点
普通测量	人工	全站仪系统	厘米级	控制网平差精度较高	耗时耗力较大
普通测量	人工	RTK系统	厘米级	测量便捷、快速	精度依赖于GPS信号
航空测量	飞机、无人机	航空摄影测量系统	厘米级	覆盖范围大, 数据细化程度高	受制于天气, 费用昂贵, 数据处理难度高
		SAR/InSAR系统
		LiDAR系统
航天测量	卫星、航天飞机	光学系统	米级	空间分辨率高, 覆盖范围大, 时效性强, 便于海岸线分析	无法获取高程信息, 只能获取地面水平信息
航天测量	卫星、航天飞机	INSAR系统	几十米	覆盖范围大, 时效性强, 能获取三维信息	分辨率与精度较低

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表 5 水下地形监测技术

Tab. 5 Underwater topography monitoring technologies

测量方式	常用仪器	精度	适用范围	优点	缺点
人工测量	测深杆、测深锤	受测量环境影响, 精度一般	水草繁茂处, 浅滩	直观	手段原始, 人为影响太大
人工测量	RTK、全站仪	受测量环境影响, 精度一般	受限于RTK与全站仪工作范围, 一般在离岸较近处	便捷	有效测量范围较小
声呐测量	单波束测深仪	纠正完成后, 精度较高	水草等遮蔽物较少的水体环境	图像直观, 易于处理	覆盖范围小且单一
声呐测量	多波束测深仪	纠正完成后, 精度较高	水草等遮蔽物较少的水体环境	覆盖范围大, 分辨率高	图像复杂, 数据量庞大, 处理难度高
激光测量	蓝、绿波段激光扫描仪	精度较高	海岛测量, 5 m 以下浅滩测量	数据细化程度高	技术成熟度有待论证
机器人测量	水下机器人	精度较高	近岸地区	代替人类, 直观	价格昂贵, 系统稳定性差

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表 6 地质监测主要指示物及其意义

Tab. 6 Main indicators for geological monitoring and their significance

地质指示物	指示物主要意义
有孔虫	古海温, 海平面上升, 古潮流体系
孢粉	海岸地区古气候
硅藻	现代表层沉积过程, 再造古环境及古海流范围与强弱等
沉积物粒度	基本指示物, 沉积环境, 是其他指示物的对比与补充
沉积物磁性	气候周期特征, 陆源物质注入量及还原作用
贝壳沙堤	古海岸线, 古人类文明遗迹

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表 7 测年技术

Tab. 7 Dating technologies

测年技术	常用标志物
放射成因惰性气体方法	K-Ar 和 U-He
铀系方法	²³⁰Th/²³⁴U、²³⁴U/²³⁸U、²¹⁰Pb、²²⁶Rn、²²⁸Th/²²⁸Rn等
宇宙核素方法	³H、³He、¹⁰Be、¹⁴C、²⁶Al、³²Si
粒子径迹方法	裂变径迹、反冲径迹
辐射剂量学方法	热释光法、光释光法、电子自旋共振法
地层学方法	纹泥、树轮、米氏周期、氧同位素、冰心地层、孢粉
古地磁方法	磁性

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