一种气泡幕提升富营养盐深层海水的控制方法

摘要

本发明公开了一种气泡幕提升富营养盐深层海水的控制方法，属于海洋人工上升流技术领域。本发明针对现有人工上升流气力提升理论的不足，提出在流动、不同密度分层的海洋环境下研究气泡幕提升富营养深层海水的控制方法。本发明主要用于控制人工上升流中气泡幕，提升富营养盐深层海水的高度，使之有效地被密度界面捕获，从而使得在实际操作中能够有效地根据不同海域状况调节最佳的注气量，减少能耗提高效益，为科学家开展人工上升流、蓝碳工程、海洋生态牧场等项目提供了帮助。

主权项

一种气泡幕提升富营养盐深层海水的控制方法，其特征在于,该方法包括如下步骤：(1)海域状况的参数获取：利用温盐深仪CTD、声学多普勒流速剖面仪ADCP测量待测海域的温度、盐度剖面以及洋流情况，获得该海域的密度分层的深度H_s、下层密度值ρ_a1以及水平方向洋流速度u_c等参数；(2)计算气泡幕轨迹和深层海水羽流的轨迹：在注气喷头中心处建立x‑z平面坐标系；初设注气量Q_b0，并将密度分层的深度H_s和水平方向洋流速度u_c代入公式(1)和(2)，由公式(1)可得气泡幕与深层海水羽流分离前的气泡幕中心轨迹，简称分离前的气泡幕中心轨迹；由公式(2)可得气泡幕与深层海水羽流分离前的深层海水羽流中心轨迹，简称分离前的深层海水羽流中心轨迹；$\frac{{\mathrm{AB}}^4}{u_c}x=B^{3}z-\frac{3}{2}{B}^2{z}^{\frac{2}{3}}+3{\mathrm{Bz}}^{\frac{1}{3}}+3ln\frac{z^{-\frac{1}{3}}}{z^{\frac{1}{3}}+B}---\left(1\right)$$\frac{A}{u_c}x=\frac{3}{4}{z}^{\frac{4}{3}}---\left(2\right)$其中，系数$A={\left[\frac{25{\mathrm{gQ}}_{b0}{H}_0(1+{\lambda }^2)}{24{\alpha }^2\pi (H_0+Z_0)}\right]}^{1/3},$系数$B=\frac{v_s}{A},$系数H₀＝10.4米，Z₀为注气喷头所在的深度，α为卷吸系数，λ为Schmidt湍流常数，u_c为水平方向洋流速度，v_s为气泡滑差速率，g为重力加速度；(3)计算分离前气泡幕上下边界轨迹和分离前深层海水羽流上下边界轨迹：根据宽度计算公式(3)，并结合公式(1)和(2)，得到分离前气泡幕上下边界轨迹和分离前深层海水羽流上下边界轨迹：$w=\frac{d_N}{2}+z·tan\frac{\theta }{2}---\left(3\right)$其中，w为宽度；θ为锥角；F_rm为修正后的弗劳德数；d_n为喷孔直径,ρ_b为气泡密度，d_N为注气喷头直径；(4)根据步骤(3)得到的分离前气泡幕下边界轨迹和分离前深层海水羽流上边界轨迹，求出分离前气泡幕下边界轨迹和分离前深层海水羽流上边界轨迹的分离点，即交点(x_d,z_d)；(5)计算分离后深层海水羽流中心轨迹：根据步骤(4)得到的分离点(x_d,z_d)，将该分离点带入到公式(4)，得到分离时的羽流中心速度v_pm(z_d)：$v_{pm}={\left[\frac{25{\mathrm{gQ}}_{b0}{H}_0(1+{\lambda }^2)}{24{\alpha }^2\pi (H_0+Z_0)}\right]}^{1/3}·z^{-1/3}---\left(4\right)$根据公式(3)得到分离时的羽流宽度w(z_d)：$w\left(z_d\right)=\frac{d_N}{2}+z_d·tan\frac{\theta }{2}$将分离时的羽流中心速度v_pm(z_d)和分离时的羽流宽度w(z_d)带入到公式(5)，得到分离后深层海水羽流中心轨迹：$z\left(x\right)=z_d+E[M_{p0}.\frac{x-x_d}{u_c}-\frac{G_p-B_p}{2}·{\left(\frac{x-x_d}{u_c}\right)}^2]---\left(5\right)$其中，$M_{p0}=\frac{\pi \left({v_{pm}}^2\right(z_d)+{u_c}^2)·w^2\left(z_d\right)·{\rho }_p\left(z_d\right)}{2}sin\beta \left(z_d\right),$M_p0表示深层海水羽流的动量通量；β(z_d)为分离时的羽流速度与水平方向的夹角；$E=\frac{2}{{\rho }_p\left(z_d\right)·\pi \sqrt{{v_{pm}}^2\left(z_d\right)+{u_c}^2}·w^2\left(z_d\right)}$为系数；$G_p-B_p=\pi \sqrt{{v_{pm}}^2\left(z_d\right)+{u_c}^2}\left({\rho }_p\right(z_d)-{\rho }_{a1}){\mathrm{gw}}^2\left(z_d\right)sin\beta \left(z_d\right),$G_p‑B_p表示深层海水羽流的重力通量G_p与浮力通量B_p的差值；ρ_p(z_d)为分离时羽流密度；(6)求解分离深层海水羽流中心轨迹最高点：当时，深层海水羽流竖直方向的动量M_p变为零，求出分离后深层海水羽流中心轨迹的最高点(x_max,z_max)，$x_{max}=x_d+\frac{M_{p0}{u}_c}{G_p-B_p}$$z_{max}=z_d+\frac{G_p-B_p}{2}·E·{\left(\frac{x-x_d}{u_c}\right)}^2$(7)比较并调节注气量：根据步骤(6)得到的分离后深层海水羽流中心轨迹的最高点(x_max,z_max)；将分离后深层海水羽流中心轨迹所能到达的最高高度z_max与密度分层高度H_s进行比较；若z_max＜H_s，说明注气量Q_b0不够，需要提高注气量Q_b0；若z_max＞H_s，说明注气量Q_b0过剩，可以适当减少注气量Q_b0；若z_max＝H_s说明此时的注气量Q_b0为提升富营养盐深层海水的最佳注气量；(8)求得最佳注气量：重复步骤(2)‑(7)的步骤，反复调节注气量Q_b0，直到求出最佳注气量。