一種氣泡幕提升富營(yíng)養(yǎng)鹽深層海水的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及海洋人工上升流技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氣泡幕提升富營(yíng)養(yǎng)鹽深層海 水的控制方法，主要用于控制人工上升流中氣泡幕，提升富營(yíng)養(yǎng)鹽深層海水的高度，使之有 效地被密度界面捕獲。
【背景技術(shù)】
[0002] 深層海水（DOW)中有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如能將其帶入海洋有光層，被浮游植物所 攝入，連同溶解的二氧化碳以及太陽(yáng)光能，通過(guò)光合作用即可生產(chǎn)出有機(jī)物。無(wú)論在任何海 域和季節(jié)，上升到有光層的氮和磷等營(yíng)養(yǎng)鹽成分都能使浮游植物增殖，以自然之力就可以 推動(dòng)向浮游動(dòng)物及魚(yú)類的轉(zhuǎn)換。海洋人工上升流技術(shù)就是這樣一種通過(guò)在海上布放海洋裝 備，形成自海底到海面的海水流動(dòng)的一種技術(shù)。海洋人工上升流作為有利于修復(fù)海洋生態(tài) 環(huán)境的一種方法，不僅能調(diào)節(jié)海水的營(yíng)養(yǎng)狀況，提升海洋生產(chǎn)力，還能增加碳匯，改善全球 變暖。目前海洋人工上升流實(shí)現(xiàn)方式主要有水栗式、波浪栗式、豎管式以及氣力提升式。開(kāi) 式氣力提升人工上升流技術(shù)屬于一種未含涌升管的開(kāi)式注氣系統(tǒng)，它是利用氣栗直接將空 氣壓到深層海水中，通過(guò)氣泡幕帶動(dòng)周圍的富營(yíng)養(yǎng)鹽海水到表層，與前面幾種人工上升流 技術(shù)相比，氣力提升有著多種供選能源、布放方便、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)勢(shì)。氣力提升的缺點(diǎn)是 易受注氣量、注氣深度、洋流速度等因素的影響，帶動(dòng)DOW羽流上升的高度難以控制。注氣 量過(guò)低或注氣深度太深或洋流速度過(guò)大，都可能導(dǎo)致DOW羽流未能穿過(guò)密度界面，從而未 能夠被密度界面捕獲而停留在表層，如此，人工上升流就未能達(dá)到提升深層海水到表層的 目的。因此如何有效地調(diào)節(jié)注氣量和注氣深度以控制被提升DOW羽流的高度，是開(kāi)式氣力 提升人工上升流的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003] 目前關(guān)于氣泡幕帶動(dòng)周圍水體的理論研究比較成熟，但是大多局限于靜止或未分 層的水體中，對(duì)于流動(dòng)或不同密度分層的海水環(huán)境下的研究尚無(wú)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種氣泡幕提升富營(yíng)養(yǎng)鹽深層海水的 控制方法。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：一種氣泡幕提升富營(yíng)養(yǎng)鹽深 層海水的控制方法，包括以下步驟：
[0006] (1)海域狀況的參數(shù)獲?。豪脺佧}深儀CTD、聲學(xué)多普勒流速剖面儀ADCP測(cè)量待 測(cè)海域的溫度、鹽度剖面以及洋流情況，獲得該海域的密度分層的深度H s、下層密度值P al 以及水平方向洋流速度u。；
[0007] (2)計(jì)算氣泡幕軌跡和深層海水羽流的軌跡：在注氣噴頭中心處建立x-z平面坐 標(biāo)系；初設(shè)注氣量Q m，并將密度分層的深度Hs和水平方向洋流速度u。代入公式（1)和（2)， 由公式（1)可得氣泡幕與深層海水羽流分離前的氣泡幕中心軌跡，簡(jiǎn)稱分離前的氣泡幕中 心軌跡；由公式（2)可得氣泡幕與深層海水羽流分離前的深層海水羽流中心軌跡，簡(jiǎn)稱分 離前的深層海水羽流中心軌跡；
[0008] CD
[0009] (!) '
[0010] 其中，J ，系數(shù)5.口」·1，系數(shù)H。= 10. 4米，Z。為注氣噴 A 頭所在的深度，α為卷吸系數(shù)，λ為Schmidt湍流常數(shù)，u。為水平方向洋流速度，Vs為氣泡 滑差速率，g為重力加速度；
[0011] (3)計(jì)算分離前氣泡幕上下邊界軌跡和分離前深層海水羽流上下邊界軌跡：
[0012] 根據(jù)寬度計(jì)算公式（3)，并結(jié)合公式（1)和（2)，得到分離前氣泡幕上下邊界軌跡 和分離前深層海水羽流上下邊界軌跡：
"為修正后的弗勞德數(shù)；dn為噴孔直徑，P b為氣泡密度，dN為注 氣噴頭直徑；
[0015] (4)根據(jù)步驟（3)得到的分離前氣泡幕下邊界軌跡和分離前深層海水羽流上邊界 軌跡，求出分離前氣泡幕下邊界軌跡和分離前深層海水羽流上邊界軌跡的分離點(diǎn)，即交點(diǎn) (x d, zd);
[0016] (5)計(jì)算分離后深層海水羽流中心軌跡：
[0017] 根據(jù)步驟（4)得到的分離點(diǎn)（xd，zd)，將該分離點(diǎn)帶入到公式（4)，得到分離時(shí)的羽 流中心速度Vpm(Zd):
[0019] 根據(jù)公式⑶得到分離時(shí)的羽流寬度W(Zd):
[0018] ⑷
[0020]
[0021] 將分離時(shí)的羽流中心速度Vpni(Zd)和分離時(shí)的羽流寬度W(Z d)帶入到公式（5)，得 到分離后深層海水羽流中心軌跡：
[0022] (0 CN 105093924 A 說(shuō)明書(shū) 3/5 頁(yè)
[0028] (7)比較并調(diào)節(jié)注氣量：
[0029] 根據(jù)步驟（6)得到的分離后深層海水羽流中心軌跡的最高點(diǎn)（x_，z_);將分離 后深層海水羽流中心軌跡所能到達(dá)的最高高度z_與密度分層高度H s進(jìn)行比較；若z _ < Hs，說(shuō)明注氣量Qm不夠，需要提高注氣量Q ^若z _> H s，說(shuō)明注氣量Qm過(guò)剩，可以適當(dāng) 減少注氣量z _= Hs說(shuō)明此時(shí)的注氣量Qm為提升富營(yíng)養(yǎng)鹽深層海水的最佳注氣量；
[0030] (8)求得最佳注氣量：重復(fù)步驟（2)-(7)的步驟，反復(fù)調(diào)節(jié)注氣量Qb。，直到求出最 佳注氣量。
[0031] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出了一種氣泡幕提升富營(yíng)養(yǎng)鹽 深層海水的控制方法，可以根據(jù)不同海域的洋流以及密度分層的狀況，計(jì)算出最佳注氣量， 使得能夠以最低能耗將富營(yíng)養(yǎng)鹽深層海水提升到密度界面之上，并被密度界面所捕獲，從 而極大地減少能耗并提高效益，為科學(xué)家開(kāi)展人工上升流、藍(lán)碳工程、海洋生態(tài)牧場(chǎng)以及港 口化冰等工程項(xiàng)目提供了幫助。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1是開(kāi)式氣力提升人工上升流整體示意圖；
[0033] 圖中，Qm為注氣流量，U。為水平方向洋流速度，Z。為注氣口所在的深度，H s為密度 分層的深度，Zd為分離點(diǎn)的深度，dN為注氣噴頭直徑，Z nax為分離后DOW羽流中心軌跡最高 高度；
[0034] 圖2是注氣量控制流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地說(shuō)明。
[0036] 為了能將深層海水的富營(yíng)養(yǎng)鹽提升到密度界面之上，本發(fā)明提供一種氣泡幕提升 富營(yíng)養(yǎng)鹽深層海水的控制方法，具體包括以下步驟：
[0037] (1)海域狀況的參數(shù)獲取：利用溫鹽深儀CTD、聲學(xué)多普勒流速剖面儀ADCP測(cè)量待 測(cè)海域的溫度、鹽度剖面以及洋流情況，獲得該海域的密度分層的深度H s、下層密度值P al 以及水平方向洋流速度u。；
[0038] (2)計(jì)算氣泡幕軌跡和DOW羽流的軌跡：在注氣噴頭中心處建立x-z平面坐標(biāo)系； 初設(shè)注氣量Q M，并將密度分層的深度Hs和水平方向洋流速度u。代入公式（1)和（2)，由公 式（1)可得氣泡幕與DOW羽流分離前的氣泡幕中心軌跡，簡(jiǎn)稱分離前的氣泡幕中心