连续监测与保真采样机理及其在人工上升流环境效应研究中的应用

Artificial upwelling has an important significance in repairing marine ecological environment, promoting marine carbon sink, inhibiting red tide and so on. Obtaining high quality marine environmental parameters and seawater samples is the premise and necessary mean in the study of environmental effect of the artificial upwelling. This project combines the principles of continuous monitoring and preserving sampling together and takes fully advantage of real-time monitoring and sampling analysis. System integration method will be adopted to install sensors and water samplers in vertical profile measurement system to compose a new monitoring and sampling platform for the study of the artificial upwelling's marine enviromental effect. Continuous and real-time of the multi-parameter marine environment monitoring will be realized by studying multi-parameter data acquisition, control method and theory of low power electronic design. By studing the mechanism of underwater sealing and pressure compensation, a new preserving sampler will be designed. Ocean primary productivity will be estimated by adopted the method of chlorophyll assimilation index. The temporal and spatial evolution models of ocean current,chlorophyll, nutrients, temperature, salinity and other marine environment elements will be established. And a method of marine environment effect evaluation of artificial upwelling will be set up. This project will study the processes, mechanism and law of the artificial upwelling and build the foundation and provide technical supports to Chinese research of marine ecological environment, marine carbon cycle and marine disaster prevention and mitigation, ect.

人工上升流对修复海洋生态环境、促进海洋碳汇和抑止赤潮等具有重要意义。获取高质量的海洋环境参数和海水样品，是进行人工上升流环境效应研究的前提和必要手段。本项目把连续监测和保真采样机理有机结合，充分发挥实时监测和采样分析两者的优势。通过系统集成的方法，把传感器与采样器一起安装在垂直剖面移动平台中，构建新型人工上升流海洋环境效应监测与采样平台；通过多参数数据采集和控制方法、低功耗电子设计理论的研究，实现海洋环境多参数的连续实时监测；通过水下密封技术和压力补偿机理研究，设计新型保真采样器；采用叶绿素同化指数法估算海洋初级生产力，建立海流、叶绿素、营养盐、温度和盐度等海洋环境要素的时空演化模型，建立一种人工上升流海洋环境效应评价方法。本项目将探明人工上升流海洋环境效应的过程、机制和规律，为我国海洋生态环境、海洋碳循环和海洋防灾减灾等领域的研究奠定基础和提供技术支撑。

人工上升流对修复海洋生态环境、促进海洋碳汇和抑止赤潮等具有重要意义。深层海水温度低且含有丰富的营养盐，上升流可将其提升至表层，这样可以改变周围海域水体温度和营养盐等的分布，从而改善海洋生态环境，提高海洋初级生产力。关于人工上升流环境效应的研究，以及如何监测和评估的文献较少。本项目针对气力人工上升流技术，围绕环境效应的监测和评估，主要研究内容如下：.一是气力人工上升流环境效应的湖试研究。在千岛湖地区进行了两次湖试监测研究，试验过程中采用单点和立体监测相结合的方法，成功测得了在不同喷嘴形状、注气量和管径条件下的温度、溶解氧、叶绿素a和pH等参数随时间的变化。试验结果进行分析发现：上升流周围水体的温度、溶解氧、叶绿素a等参数会因上升流过程而改变，并且与喷嘴形状、喷嘴数目、上升流流量等有关系。.二是气力人工上升流影响水域温度和营养盐变化仿真研究。运用计算流体力学对上升流系统周围水体温度和营养盐进行了仿真模拟研究。仿真时水体分为湖水和海水两种情况。在湖水中，运用fluent中的VOF模型分析上升流过程中温度的变化，温度仿真结果与湖试监测结果基本吻合，仿真模型能够很好地预测周围水体的温度；在海水中，运用组分传输模型分析温度和营养盐的变化，通过改变上升流速度和洋流速度等，可以控制混合层温度和营养盐的变化。.三是气力人工上升流影响水域叶绿素a浓度建模研究。运用4种建模方法对叶绿素a进行建模，探讨叶绿素a与溶解氧、深度、温度、盐度和pH值之间的关系，建立了4种叶绿素a浓度模型，并比较这4种模型的精度，确定了最佳预测模型。GA-BP神经网络的预测精度优于其他模型，非线性模型对于复杂的动态系统（如人工上升流系统）的建模具有稳定的低预测误差。.四是气力人工上升流环境效应的海试研究。在舟山东福山及庙子湖周围海域布放涌升管及海洋实验浮台，利用浮台提供的能量给涌升管注气提升深层海水，并利用漂流浮标成功跟踪羽流，分析上升流对海洋环境的影响。.本项目提出一套人工上升流海洋环境效应监测方案，建立一种人工上升流海洋环境效应评价方法，开展了湖试监测、仿真研究、建模研究以及海试研究，初步探明人工上升流海洋环境效应的过程、机制和规律，为我国海洋生态环境、海洋碳循环和海洋防灾减灾等领域的研究奠定基础和提供技术支撑。