深海采矿排放羽流的实验装置及方法

本发明属于羽流动力学，具体涉及一种深海采矿排放羽流的实验装置及方法。

背景技术：

1、由于深海富集镍、钴、铜和锰等稀缺金属资源，多金属结核的海洋采矿活动在全球范围内被视为一种新兴的资源开采方式。但是，深海采矿将潜在地影响广阔海域，并产生起源于近底、中层或近地表的沉积物羽流，包括在海底行驶的结核收集器车辆会改变地表沉积物并排放尾矿污染物产生采矿羽流，经采矿船过滤后的沉积物海水又会重新排放至海中产生的中水层羽流等，这些羽流都会对海洋环境和海底生态系统造成长期且多方面影响，例如对沉积物生物地球化学(生物地球化学过程、通量)的影响、对微生物生态学和功能的影响、对生态系统功能和食物网的影响、采矿车压实效应对沉积物物理性质的影响等，其携带的有害微量元素或细颗粒物将向整片海洋扩散，威胁海洋环境和底栖生物物种多样性。因此，深入了解深海采矿羽流运动规律及其作用机制对环境保护、生态环境评价、工程设计等具有重要的科学意义和实用价值。然而迄今为止，尚无从海上采矿作业中释放尾矿的已知建议，目前迫切需要制定新的框架和准则，以评估深海采矿的潜在影响，以及采矿羽流将如何影响周围的生态系统。

2、水槽实验是研究羽流动力学的经典方法，但现已公布的技术方案中，还不存在针对深海采矿车排放的羽流进行排放及污染强度估计的实验装置系统及方案。本发明的实验装置及方法可以有效模拟采矿车排放尾矿羽流时的运动特征，且制备的两层层化环境流体稳定，可以模拟实际深海水体环境，实验方案简易、可靠，可以定量测算海底采矿羽流的影响因素、扩散机制、动力特性和沉积物沉降规律等水动力特性，进而评估深海采矿的影响范围，优化对多金属结核等矿物的排放技术方案，寻找可用于恢复海底生态环境的可能措施。

技术实现思路

1、本发明为了克服现有技术中的不足，提供了一种深海采矿排放羽流的实验装置及方法。

2、第一方面，本发明提供了一种深海采矿排放羽流实验装置，包括分层环境水体生成装置、采矿羽流出流装置、采矿车运动模拟装置和羽流排放观测系统；

3、所述分层环境水体生成装置用于在试验水箱中生成两层层化环境水体；

4、所述采矿羽流出流装置用于在试验水箱产生羽流；

5、所述采矿车运动模拟装置用于改变所述羽流在试验水箱中的位置；

6、所述羽流排放观测系统包括羽流观测单元和环境流场观测单元。

7、第二方面，本发明提供了一种深海采矿排放羽流实验方法，具体是：

8、分别利用搅拌器和搅拌器于低密度溶液水箱、高密度溶液水箱中制备低密度溶液和高密度溶液，并对高密度溶液水箱中的流体使用染色剂染色；

9、将低密度溶液以a l/h的速率从低密度溶液水箱泵入实验水箱；待上层低密度水体稳定后，将高密度溶液以远小于a l/h的速率通过圆盘出流装置泵入试验水箱，生成稳定的两层层化环境水体；

10、在出流流体水箱中预制染色的出流流体，断开主管道阀门，打开旁通管阀门，之后打开蠕动泵并设置恒定出流流量，让流体从旁通管流出排去管中空气并确定出流流体的稳定性，之后关闭蠕动泵及旁通管阀门，打开主管道阀门并将主管道与出流喷管连接；

11、打开顶部摄像机和正面摄像机，确认区域合适后，同时打开电机箱及蠕动泵，让流体出流的同时，让滑片带动出流喷管运动；

12、利用顶部摄像机和正面摄像机记录试验水箱内流体运动过程及流体与下层高密度水体产生的掺混情况；通过对实际尺寸标定，运用图像分析方法观察排放羽流的垂向及横向流态、位移距离，以确定不同时刻的头部位置、头部速度、羽流扩散面积，并分析羽流的中性浮力层平均侵入深度及最大侵入深度，从而定量判别采矿羽流的关键影响因素对羽流扩散及污染情况的影响。

13、本发明的有益效果如下：

14、1.本发明深海采矿排放羽流实验装置及方法结构简单，使用方便，具有很好的可靠性、准确性和易用性。

15、2.生成两层层化水体的目的是为了模拟实际环境中深海水体环境，出流喷口贴近高密度溶液层释放是为了模拟采矿车羽流排放的过程，从而可以观测到出流流体在接触到高密度溶液层时产生的污染情况。

16、本发明分别利用搅拌器于低密度溶液水箱、高密度溶液水箱中制备低密度溶液和高密度溶液，先将低密度水体泵入试验水箱，再通过置于试验水箱底部的圆盘出流系统，采用溢流的方式缓慢将高密度溶液泵入试验水箱，通过这种方式生成的两层层化环境水体具有很好的稳定性，两层水体不会产生掺混现象，密度分层现象明显。

17、3.使用电动滑轨带动喷口运动的目的是为了模拟实际海底采矿车的运动时排放过程，在实际采矿过程中采矿车排放污染物羽流时往往处于运动状态，而电动滑轨可以实现不同方向、速度的运动，蠕动泵也可以调节出流流量，以应对采矿车不同情况下的羽流排放。

18、4.蠕动泵后部连接缓冲装置的目的是为了减少震动，控制出流流体流量稳定。蠕动泵的工作原理导致了蠕动泵泵出的流体流量具有周期性，而并非恒定，因此加入缓冲装置可以有效控制出流流体流量恒定。

19、5.本发明控制出流流体密度大于上层低密度水体，而小于或等于底层高密度水体也是为了与实际采矿车排出的尾矿羽流情况相对应，代表采矿车排出的羽流密度大于深海海水密度，而小于或等于深海海水密度。

20、6.本发明采用了两套观测设备，其一是利用双相机观测羽流形态，此时对流体采用两种不同颜色的染色剂进行染色的目的是为了从多角度更清晰拍摄海底采矿排放羽流的扩散机制及物理特性，例如运用图像分析方法可以观察排放羽流的垂向及横向流态、位移距离，以确定不同时刻的头部位置、头部速度、羽流扩散面积等，且可以对羽流的整体运动过程进行记录；

21、7.本发明还采用激光源、高速相机、高性能计算机构成的粒子图像观测系统，可以进行细部环境流场及涡度场观测，不采用有颜色流体的原因是有色液体会加速激光衰减，导致高速相机无法捕捉激光照射在示踪粒子上产生的反射光而导致拍摄图像不完全或失败。

技术特征：

1.深海采矿排放羽流实验装置，其特征在于，包括分层环境水体生成装置、采矿羽流出流装置、采矿车运动模拟装置和羽流排放观测系统；

2.根据权利要求1所述的深海采矿排放羽流实验装置，其特征在于，所述分层环境水体生成装置包括低密度溶液水箱和高密度溶液水箱，低密度溶液水箱和高密度溶液水箱分别用于制备上层低密度水体和下层高密度水体。

3.根据权利要求2所述的深海采矿排放羽流实验装置，其特征在于，通过低密度溶液水箱制备上层低密度水体，再通过高密度溶液水箱采用圆盘出流装置的圆盘出流方式，缓慢出流以制备下层高密度水体，从而形成稳定的两层层化环境水体。

4.根据权利要求1所述的深海采矿排放羽流实验装置，其特征在于，所述采矿羽流出流装置包括出流流体水箱、蠕动泵、缓冲装置和出流喷管，所述出流流体水箱连接可调节流量的蠕动泵，流体通过蠕动泵经过缓冲装置由出流喷管喷出，形成所述羽流。

5.根据权利要求4所述的深海采矿排放羽流实验装置，其特征在于，所述采矿车运动模拟装置包括电动滑轨和可调节支架，所述出流喷管连接于电动滑轨的滑片上，所述电动滑轨固定可调节支架上。

6.根据权利要求4或5所述的深海采矿排放羽流实验装置，其特征在于，所述出流喷管可自由调节高度，出流方向与水平方向平行，且出流喷管位于上层低密度水体中，接近但不能没入下层高密度水体。

7.根据权利要求1所述的深海采矿排放羽流实验装置，其特征在于，所述羽流观测单元包括顶部摄像机和正面摄像机，顶部摄像机用于观测出流羽流展向扩散及形态，正面摄像机用于观测出流羽流对下层高密度水体的侵入深度及强度。

8.根据权利要求1所述的深海采矿排放羽流实验装置，其特征在于，所述环境流场观测单元包括激光源和高速相机和计算机，用于计算分析细部出流羽流对环境流场的影响。

9.深海采矿排放羽流实验方法，采用权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于包含以下步骤：

10.根据权利要求9所述的深海采矿排放羽流实验方法，其特征在于：还包括将出流流体水箱和高密度溶液水箱中的流体换为无色，并加入示踪粒子，打开激光源和高速相机，拍摄并分析出流羽流与环境流体的流速场、涡度场。

技术总结本发明涉及一种深海采矿排放羽流的实验装置及方法。本发明包括溶液密度不同的两个水箱、试验水箱、采矿羽流出流系统、电机滑轨系统。采矿羽流出流系统由出流水体水箱、可控流量的蠕动泵、缓冲装置及出流喷管组成，出流喷管连接电动滑轨，通过电机程序设定不同运动方式带动喷口以模拟深海采矿车采矿羽流排放过程，排放过程通过相机及粒子图像测速系统记录。该实验装置可以生成实际深海水体环境，开展采矿车在不同运动方式及排放量下的排放羽流实验，能够对采矿排放羽流的扩散及强度进行定量预测并估计污染扩散情况，结构简单，使用方便，具有很好的可靠性、准确性和易操作性。技术研发人员：贺治国,张浩阳,夏琳怡,张祎阳,夏乐章受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5