一種用于注氣人工上升流的深層海水提升流量控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及海洋工程領(lǐng)域和海洋生態(tài)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于注氣人工上升流的 深層海水提升流量控制方法。 技術(shù)背景
[0002] 由于遭受過度捕魚和環(huán)境退化的威脅，全球主要的魚類儲量正處于危險狀態(tài)。據(jù) 估計全球商業(yè)魚類儲量中的百分之七十五正在被過渡捕殺。因此，急需通過發(fā)展技術(shù)找到 一種可持續(xù)的方法來增加魚類儲量。
[0003] 海洋中百分之九十的生物生活在海洋的透光層，因為這些透光層卻缺少營養(yǎng)物 質(zhì)，所以作為海洋食物鏈最低端的浮游植物的初級生產(chǎn)力很低。然而，在海洋中兩百米以下 的黑暗區(qū)域，比上層海水富含更多的營養(yǎng)物質(zhì)。
[0004] 過去幾年的人工上升流研究使得將深層海水提到表層來增加浮游植物初級生產(chǎn) 力成為可能，從而促進(jìn)開放海域的海洋生物繁殖。
[0005] 注氣人工上升流作為一種通過栗送富含營養(yǎng)的深層海水到表層幫助浮游植物生 長來增加海洋初級生產(chǎn)力的方法，得到越來越多的應(yīng)用。并且氣幕和海水混合后提升大量 富含營養(yǎng)的海水到透光層，提供了一個適合有益藻類生長的環(huán)境。
[0006] Stommel提出了一種永鹽泉的概念，在熱帶地區(qū)熱鹽水覆蓋在較冷海水的上面，其 垂直方向上處于穩(wěn)定狀態(tài)。用一根管道連接深層海水和表面海水，則管道內(nèi)充滿低鹽度的 深層海水，管內(nèi)海水鹽度低于管口處表層海水，低鹽度海水會向高鹽度海水自由擴(kuò)散。因此 只要管內(nèi)和管口的鹽度差存在，管內(nèi)海水可以不斷的往上涌。在馬里亞納附近海域進(jìn)行的 永鹽泉試驗，使用了 300m的軟塑料管作為涌升管。試驗中，管道能每天提升45立方米的水， 效率較低，這樣的結(jié)果表明，必須大量布放涌升管才能達(dá)到建立海洋牧場的要求。
[0007] John D. Isaacs提出了波浪栗的概念，利用海洋中的重力波來提供能量。波浪栗由 浮子、活塞、涌升管組成，當(dāng)浮子在波浪作用下上下運(yùn)動時，帶動活塞將深層海水抽吸到表 層。據(jù)估計，對于波高1.9m周期12s的波浪，海水提升流量為0.45到0.95m 3/s。但是這種 裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在一些環(huán)境惡劣的海域無法進(jìn)行人工上升流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是針對注氣人工上升流現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于注氣人工上 升流的深層海水提升流量控制方法，該控制方法簡單可靠，操作方便，在海洋和湖泊中都可 以應(yīng)用。
[0009] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：一種用于注氣人工上升流的 深層海水提升流量控制方法，具體包括以下步驟：
[0010] ⑴布放涌升管：
[0011] 將涌升管運(yùn)到指定海域后，利用起重機(jī)將其放入海水中，管口浸沒在海平面以下； 涌升管分為上下兩段，上段為注氣管，由不銹鋼制成，下段為吸水管，由尼龍布加不銹鋼加 強(qiáng)圈制成；其中，注氣管中鋪設(shè)有注氣管道，注氣口位于注氣管和吸水管的連接處；注氣管 上端安裝有第一壓力傳感器，注氣管與吸水管的連接處安裝有第二壓力傳感器，吸水管下 端安裝有第三壓力傳感器；電磁流量計設(shè)置在注氣管與吸水管的連接處；注氣管道通過控 制閥與注氣栗相連，氣體流量通過控制閥調(diào)節(jié)；第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓 力傳感器和電磁流量計均與上位機(jī)相連；
[0012] (2)獲取涌升管尺寸和海域狀況的參數(shù)：
[0013] 利用卷尺和游標(biāo)卡尺測得注氣管的長度hu、吸水管的長度hd、涌升管直徑D和管口 浸沒深度h。;利用溫鹽深儀測量得到海水密度的垂直分布情況P (1)，其中，1為海水深度； 利用第二壓力傳感器測得注氣口壓力Ρε，利用第一壓力傳感器和第三壓力傳感器測得壓力 降Pd;
[0014] (3)計算涌升管中的氣體孔隙率：
[0015] 將注氣氣體和被提升海水體積計算公式（2)和（3)代入氣體孔隙率計算公式（1) 中，得到涌升管中的氣體孔隙率ε，如式（4);
[0020] 其中：VdP V w分別為注氣管中氣體和液體占據(jù)的體積；Q 3和Q w分別為大氣壓下的 空氣和液體的體積流量，液體體積流量由公式％= (π/4)D2 得到；u 3和u w分別為注氣 管中氣體和液體沿管向上運(yùn)動的平均流速，氣體垂向速度由公式Ua= uw+〇. 25得到，0.25 為靜態(tài)液體中氣泡的終端上升速度；D為涌升管直徑，1:3和tw分別為氣體和液體通過注氣 管的通過時間，η為涌升管中空氣壓縮系數(shù)，由公式η = 〇. 1〇1。+〇. 5hu)/\+l確定，匕為 注氣管的長度，h。為涌升管口離海平面的距離，h。為深度常數(shù)（h。= lm) ;A為涌升管橫截面 積，由公式A = π D2/4確定；
[0021] (4)計算注氣流量和海水提升流量關(guān)系式：
[0022] 將公式（6) (7)⑶（9) (10) (11) (12) (13)代入公式能力平衡公式（5)，即可得到人 工上升流的注氣流量仏和海水提升流量Q "的關(guān)系式（14);
[0023] Ei= E ,,+Ek+E^+E^+Ej+E^E^^+E, (5)
[0024] 其中=E1為進(jìn)氣能量，E。為密度差水頭造成的能量損失，E k為上升流動能，E 為注 氣管中的摩擦造成的能量損失，艮,為吸水管中的摩擦造成的能量損失，E 由于注氣噴頭 堵塞和生物附著等造成的當(dāng)?shù)厮^能量損失，1為入口水頭能量損失，E 為涌升海水噴出 后造成的管口處海面上升所需的能量，1為氣體和液體相對運(yùn)動造成的摩擦損失能量，研 究表明Es占所有摩擦損耗的0. 2%，因此忽略不計；
[0026] 其中：Pe為注氣口壓力，P。為大氣壓，P "為氣液混合體的密度由公式
確定，P d為吸水管下端入口處水密度， P a為空氣密度，g為重力加速度；
[0028] 其中：hd為吸水管的長度，g' (1)為海水中的相對重力加速度，由^ (1)= g(p (I)-P 0)/p。確定，p。為注氣管上端出口處海水密度，p (1)為海水深度1處的海水 密度；
[0031] 其中：λ為摩擦系數(shù)，由公式
定，υη為氣體和液體混合后的垂直上升速度；Re為雷諾數(shù)，由公式
確定；V為運(yùn)動粘性系數(shù)；
[0034] 其中：k為局部水頭損失系數(shù)，由公式
?角定，Pd為壓 力降；
[0036] 其中：ξ 6為入口摩擦損失系數(shù)；
[0038] 其中屯為由于管口海水噴出造成的局部海面升高，由公式
[0041] (5)控制海水提升流量：
[0042] 在已知海水密度垂直分布、壓力分布、吸水口深度、出水口深度的情況下，將預(yù)設(shè) 的海水提升流量％代入公式（14)，從而給出相應(yīng)的預(yù)設(shè)注氣流量Q a;
[0043] 通過電磁流量計測量海水的實(shí)際提升量；當(dāng)海水的實(shí)際提升量小于預(yù)設(shè)的海水提 升流量％時，調(diào)節(jié)控制閥增大注氣流量；當(dāng)海水的實(shí)際提升量大于預(yù)設(shè)的海水提升流量Q w 時，調(diào)節(jié)控制閥減小注氣流量，從而實(shí)現(xiàn)對深層海水提升流量的控制。
[0044] 本發(fā)明的有益效果是：
[0045] 1、本發(fā)明可以在已知海洋的密度垂直分布、吸水口深度、出水口深度和涌升流量 的情況下，給出合理的注氣流量，營造有利于藻類生長的環(huán)境。
[0046] 2、本發(fā)明的提升流量控制方法用途廣泛，在海洋和湖泊中都可以應(yīng)用。
[0047] 3、利用能量平衡公式將已知量和未知量聯(lián)系起來，充分考慮了各個細(xì)節(jié)的能量損 耗，并且整個公式中不含有復(fù)雜的偏微分方程，使得該控制方法的計算過程簡單可靠。
[0048] 4、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的提升流量方法更準(zhǔn)確，經(jīng)實(shí)驗驗證，理論值與實(shí)驗值 基本相符。
【附圖說明】
[0049] 圖1為注氣人工上升流過程圖，其中，i為由于管口海水噴出造成的管口處海面升 高，h。為涌升管口離海平面的距離，h u為噴頭以上部分即注氣部分管道長度，h d為注氣口以 下涌升管長度；
[0050] 圖2為溫鹽深儀測得的海水密度分布；
[0051] 圖3為注氣流量和海水提升流量的理論計算值和實(shí)驗值。
【具體實(shí)施方式】
[0052] 下面結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0053] 為了在進(jìn)行人工上升流時提升可控制的深層海水流量，為藻類生長提供更好的環(huán) 境，本發(fā)明提出一種注氣人工上升流的海水提升流量控制方法，該控制方法簡單可靠，操作 方便，在海洋和湖泊中都可以應(yīng)用。具體包括以下步驟：
[0054] (1)布放涌升管：
[0055] 將涌升管運(yùn)到指定海域后，利用起重機(jī)將其放入海水中，管口浸沒在海平面以下； 涌升管分為上下兩段，上段為注氣管，由不銹鋼制成，下段為吸水管，由尼龍布加不銹鋼加 強(qiáng)圈制成；其中，注氣管中鋪設(shè)有注氣管道，注氣口位于注氣管和吸水管的連接處；注氣管 上端安裝有第一壓力傳感器，注氣管與吸水管的連接處安裝有第二壓力傳感器，吸水管下 端安裝有第三壓力傳感器；電磁流量計設(shè)置在注氣管與吸水管的連接處；注氣管道通過控 制閥與注氣栗相連，氣體流量通過控制閥調(diào)節(jié)；第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓 力傳感器和電磁流量計均與上位機(jī)相連；
[0056] (2)獲取涌升管尺寸和海域狀況的參數(shù)：
[0057] 利用卷尺和游標(biāo)卡尺測得注氣管的長度hu、吸水管的長度hd、涌升管直徑D和管口 浸沒深度h。;利用溫鹽深儀測量得到海水密度的垂直分布情況P (1)，其中，1為海水深度； 利用第二壓力傳感器測得注氣口壓力Ρε，