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。
1.一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)待测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，获得待测海域的密度分层的深度Hs、下层密度值ρa1以及水平方向洋流速度uc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Qb0，并将密度分层的深度Hs和水平方向洋流速度uc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；
其中，(x1，z)为分离前气泡幕中心轨迹，(x2，z)为分离前深层海水羽流中心轨迹，系数系数 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，uc为水平方向洋流速度，vs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：分离前，气泡幕和深层海水羽流的宽度相同，根据宽度计算公式(3)得：其中，w为宽度； θ为锥角； Frm
为修正后的弗劳德数；dn为喷孔直径,ρb为气泡密度，dN为注气喷头直径；
再结合公式(1)和(2)，通过数值计算的方法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；
(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(xd,zd)；
根据步骤(4)得到的分离点(xd,zd)，将该分离点带入到公式(4)，得到分离时的羽流中心速度vpm(zd)：根据公式(3)得到分离时的羽流宽度w(zd)：
将分离时的羽流中心速度vpm(zd)和分离时的羽流宽度w(zd)带入到公式(5)，得到分离后深层海水羽流中心轨迹：其中， Mp0表示深层海水羽流的动量通
量；β(zd)为分离时的羽流速度与水平方向的夹角； 为系数； Gp-Bp表示深层海水羽流的重力
通量Gp与浮力通量Bp的差值；ρp(zd)为分离时羽流密度；
当 时，深层海水羽流竖直方向的动量Mp变为零，求出分离后深层海水羽流中心轨迹的最高点(xmax,zmax)，(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(xmax,zmax)；将分离后深层海水羽流中心轨迹所能到达的最高高度zmax与密度分层的深度Hs进行比较；若zmaxHs，说明注气量Qb0过剩，减少注气量Qb0；若zmax＝Hs说明此时的注气量Qb0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Qb0，直到求出最佳注气量。
一种气泡幕提升富营养盐深层海水的控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及海洋人工上升流技术领域，尤其涉及一种气泡幕提升富营养盐深层海水的控制方法，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。
背景技术
[0002] 深层海水(DOW)中有丰富的营养物质，如能将其带入海洋有光层，被浮游植物所摄入，连同溶解的二氧化碳以及太阳光能，通过光合作用即可生产出有机物。无论在任何海域和季节，上升到有光层的氮和磷等营养盐成分都能使浮游植物增殖，以自然之力就可以推动向浮游动物及鱼类的转换。海洋人工上升流技术就是这样一种通过在海上布放海洋装备，形成自海底到海面的海水流动的一种技术。海洋人工上升流作为有利于修复海洋生态环境的一种方法，不仅能调节海水的营养状况，提升海洋生产力，还能增加碳汇，改善全球变暖。目前海洋人工上升流实现方式主要有水泵式、波浪泵式、竖管式以及气力提升式。开式气力提升人工上升流技术属于一种未含涌升管的开式注气系统，它是利用气泵直接将空气压到深层海水中，通过气泡幕带动周围的富营养盐海水到表层，与前面几种人工上升流技术相比，气力提升有着多种供选能源、布放方便、经济效益高等优势。气力提升的缺点是易受注气量、注气深度、洋流速度等因素的影响，带动DOW羽流上升的高度难以控制。注气量过低或注气深度太深或洋流速度过大，都可能导致DOW羽流未能穿过密度界面，从而未能够被密度界面捕获而停留在表层，如此，人工上升流就未能达到提升深层海水到表层的目的。因此如何有效地调节注气量和注气深度以控制被提升DOW羽流的高度，是开式气力提升人工上升流的关键技术之一。
[0003] 目前关于气泡幕带动周围水体的理论研究比较成熟，但是大多局限于静止或未分层的水体中，对于流动或不同密度分层的海水环境下的研究尚无。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种气泡幕提升富营养盐深层海水的控制方法。
[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种气泡幕提升富营养盐深层海水的控制方法，包括以下步骤：
[0006] (1)待测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，获得待测海域的密度分层的深度Hs、下层密度值ρa1以及水平方向洋流速度uc；
[0007] (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Qb0，并将密度分层的深度Hs和水平方向洋流速度uc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；
[0008]
[0009]
[0010] 其中，(x1，z)为分离前气泡幕中心轨迹，(x2，z)为分离前深层海水羽流中心轨迹，系数 系数 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，uc为水平方向洋流速度，vs为气泡滑差速率，g为重力加速度；
[0011] (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：
[0012] 分离前，气泡幕和深层海水羽流的宽度相同，根据宽度计算公式(3)得：
[0013]
[0014] 其中，w为宽度； θ为锥角；Frm为修正后的弗劳德数；dn为喷孔直径,ρb为气泡密度，dN为注气喷头直径；
[0015] 再结合公式(1)和(2)，通过数值计算的方法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；
[0016] (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(xd,zd)；
[0017] (5)计算分离后深层海水羽流中心轨迹：
[0018] 根据步骤(4)得到的分离点(xd,zd)，将该分离点带入到公式(4)，得到分离时的羽流中心速度vpm(zd)：
[0019]
[0020] 根据公式(3)得到分离时的羽流宽度w(zd)：
[0021]
[0022] 将分离时的羽流中心速度vpm(zd)和分离时的羽流宽度w(zd)带入到公式(5)，得到分离后深层海水羽流中心轨迹：
[0023]
[0024] 其中， Mp0表示深层海水羽流的动量通量；β(zd)为分离时的羽流速度与水平方向的夹角；
为系数； Gp-Bp表示深层海水羽流的
重力通量Gp与浮力通量Bp的差值；ρp(zd)为分离时羽流密度；
[0025] (6)求解分离深层海水羽流中心轨迹最高点：
[0026] 当 时，深层海水羽流竖直方向的动量Mp变为零，求出分离后深层海水羽流中心轨迹的最高点(xmax,zmax)，
[0027]
[0028]
[0029] (7)比较并调节注气量：
[0030] 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(xmax,zmax)；将分离后深层海水羽流中心轨迹所能到达的最高高度zmax与密度分层的深度Hs进行比较；若zmaxHs，说明注气量Qb0过剩，减少注气量Qb0；若zmax＝Hs说明此时的注气量Qb0为提升富营养盐深层海水的最佳注气量；
[0031] (8)求得最佳注气量：重复步骤(2)-(7)的步骤，反复调节注气量Qb0，直到求出最佳注气量。
[0032] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了一种气泡幕提升富营养盐深层海水的控制方法，可以根据不同海域的洋流以及密度分层的状况，计算出最佳注气量，使得能够以最低能耗将富营养盐深层海水提升到密度界面之上，并被密度界面所捕获，从而极大地减少能耗并提高效益，为科学家开展人工上升流、蓝碳工程、海洋生态牧场以及港口化冰等工程项目提供了帮助。
附图说明
[0033] 图1是开式气力提升人工上升流整体示意图；
[0034] 图中，Qb0为注气流量，uc为水平方向洋流速度，Z0为注气口所在的深度，Hs为密度分层的深度，zd为分离点的深度，dN为注气喷头直径，zmax为分离后DOW羽流中心轨迹最高高度；
[0035] 图2是注气量控制流程图。
具体实施方式
[0036] 下面结合说明书附图对本发明做进一步地说明。
[0037] 为了能将深层海水的富营养盐提升到密度界面之上，本发明提供一种气泡幕提升富营养盐深层海水的控制方法，具体包括以下步骤：
[0038] (1)待测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，获得待测海域的密度分层的深度Hs、下层密度值ρa1以及水平方向洋流速度uc；
[0039] (2)计算气泡幕轨迹和DOW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Qb0，并将密度分层的深度Hs和水平方向洋流速度uc代入公式(1)和(2)，由公式(1)可得气泡幕与DOW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DOW羽流分离前的DOW羽流中心轨迹，简称分离前的DOW羽流中心轨迹；
[0040]
[0041]
[0042] 其中，(x1，z)为分离前气泡幕中心轨迹，(x2，z)为分离前深层海水羽流中心轨迹，系数 系数 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，uc为水平方向洋流速度，vs为气泡滑差速率，g为重力加速度；
[0043] (3)计算分离前气泡幕上下边界轨迹和分离前DOW羽流上下边界轨迹：
[0044] 分离前，气泡幕和深层海水羽流的宽度相同，根据宽度计算公式(3)得：
[0045]
[0046] 其中，w为宽度； θ为锥角；Frm为修正后的弗劳德数；dn为喷孔直径,ρb为气泡密度，dN为注气喷头直径；
[0047] 再结合公式(1)和(2)，通过数值计算的方法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；
[0048] (4)根据步骤(3)得到的分离前气泡幕下边界轨迹和分离前DOW羽流上边界轨迹，求出分离前气泡幕下边界轨迹和分离前DOW羽流上边界轨迹的分离点，即交点(xd,zd)；
[0049] (5)计算分离后DOW羽流中心轨迹：
[0050] 根据步骤(4)得到的分离点(xd,zd)，将该分离点带入到公式(4)，得到分离时的羽流中心速度vpm(zd)：
[0051]
[0052] 根据公式(3)得到分离时的羽流宽度w(zd)：
[0053]
[0054] 将分离时的羽流中心速度vpm(zd)和分离时的羽流宽度w(zd)带入到公式(5)，得到分离后DOW羽流中心轨迹：
[0055]
[0056] 其中， Mp0表示DOW羽流的动量通量；β(zd)为分离时的羽流速度与水平方向的夹角； 为系
数； Gp-Bp表示DOW羽流的重力通量Gp
与浮力通量Bp的差值；ρp(zd)为分离时羽流密度；
[0057] (6)求解分离DOW羽流中心轨迹最高点：
[0058] 当 时，DOW羽流竖直方向的动量Mp变为零，求出分离后DOW羽流中心轨迹的最高点(xmax,zmax)，
[0059]
[0060]
[0061] (7)比较并调节注气量：
[0062] 根据步骤(6)得到的分离后DOW羽流中心轨迹的最高点(xmax,zmax)；将分离后DOW羽流中心轨迹所能到达的最高高度zmax与密度分层的深度Hs进行比较；若zmaxHs，说明注气量Qb0过剩，减少注气量Qb0；若zmax＝Hs说明此时的注气量Qb0为提升富营养盐深层海水的最佳注气量；
[0063] (8)求得最佳注气量：重复步骤(2)-(7)的步骤，反复调节注气量Qb0，直到求出最佳注气量。
