海洋0-10m潛流強(qiáng)度與方向的測量方案研究

牛星

【摘? 要】大海表面看似風(fēng)平浪靜、紋絲不動，其實(shí)內(nèi)部并不安分守己，而是時時刻刻都在流動。不同層面水流方向不同，水流強(qiáng)度也不同。海洋0-10m的潛流主要對在海洋上行駛影響較大，順著潛流方向流速加快，同樣逆著潛流方向阻力也會加大。同時潛流的變化也是溫度和季候變化的一種體現(xiàn)，因此對地理海洋生物的研究的作用也異常重要。對海洋潛流的測量由于環(huán)境的限制，其實(shí)并不好測量。采用流速流量測量儀對水流方向和水流速度進(jìn)行測量，通過伯努利定律測量出水流強(qiáng)度。海洋運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)用越來越廣泛，測量潛流方向和強(qiáng)度的研究也日趨重要。

【關(guān)鍵詞】潛流;流速流量測量儀;方向;強(qiáng)度

引言

潛流就是潛水水流，一般不同層面的水流方向和水流速度均不不同。0-10m深度的潛流主要對海洋表面行駛的輪船影響較大，更深的潛流而對潛艇影響較大。所以研究潛流流速和流向?qū)Ｑ筮\(yùn)輸意義重大。潛流流向同樣也代表著優(yōu)質(zhì)海水的流向，其含氧量和含氧量對沿海經(jīng)濟(jì)的發(fā)展意義重大。同時，潛流流向和水素的變化，也是海洋溫度和海洋氣候變化的一種體現(xiàn)，對海洋地理和生物的研究也有重大意義。郭緒雷、徐靜靜等學(xué)者通過新型的流速流量儀對地下水流的測量進(jìn)行了研究，本次研究對其進(jìn)行了參考借鑒。

早在1886年，在鋪設(shè)海洋電纜時，有-科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了海洋表面潛流，但并沒有對潛流進(jìn)行了深入研究。過了將近半個多世紀(jì)，美國科學(xué)家在赤道附近再次發(fā)現(xiàn)海洋潛流，蘇聯(lián)科學(xué)家在大西洋發(fā)現(xiàn)潛流，科學(xué)家才真正認(rèn)識到海洋潛流是真實(shí)存在的，“潛流”在真正從被遺忘的角落里走出來。其中最為著名的是太平洋赤道潛流，太平洋赤道潛流以其流速快，流幅狹窄而著名。赤道潛流處在赤道流下部、中層海水上部，溫度變化急劇的層次中，與表層南北赤道流流向相反，自大洋西部流向東部，流速比表層流大，流幅比表層流窄。赤道潛流是由于東北信風(fēng)和東南信風(fēng)輸送的海水在大洋古岸堆積，導(dǎo)致海面由西向東下傾，因此產(chǎn)生回流而形成的。太平洋赤道潛流，又稱克倫威爾海流，位于赤道兩旁南、北緯2度之間，海面以下100～300米深的水層中，厚度約為200米，寬度300千米左右，從亞洲東部菲律賓外海向東，流到美洲西部加拉帕戈斯島附近，流長1.4萬千米。海流的核心位置自西向東逐漸上升，在東部沒有風(fēng)的時候有時可達(dá)到海面。最大流速100～200厘米/秒。并且對海洋南、北半球的熱量交換，鹽分運(yùn)輸和氧氣交換起著重要作用。

1 所用傳感器介紹

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器的運(yùn)用日益廣泛，在日常生活中隨處可見。本文主要運(yùn)用了新型的流速流量儀，集測量方向和速度與一體。傳統(tǒng)的流速流量儀只是對水流速度進(jìn)行測量，若是測水流方向還要使用別的儀器進(jìn)行輔助。本文使用的新型的流速流量儀加入了羅盤，可以在測速度的同時進(jìn)行方向的檢測，提高了效率。

2 技術(shù)方法原理

眾所周知，海洋主要中離子主要是鈉離子和氯離子，但是同樣存在很多膠粒，也就是一些懸浮物。而流量是一種標(biāo)量參數(shù)，所有測量方法測量出來的結(jié)果都是一個標(biāo)量，隨著地球物理和高分辨率一起的發(fā)展，測量海洋潛流的強(qiáng)度和方向變成 一種可能，并且正在不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的測量方法大多都是電阻率法、自然電位法、充電法、示蹤法等[2-7]，但是使用環(huán)境有限，不能廣發(fā)使用。而Aqua Vision流速流量測量儀可以追蹤拍攝膠粒的流動軌跡，以其自帶的羅盤可以計算出潛流流向，然后傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上，得到膠粒運(yùn)動的一些列高分辨率圖片，進(jìn)而可以看出膠粒不同時間運(yùn)動的點(diǎn)位，然后通過兩點(diǎn)位置連線，進(jìn)而計算出運(yùn)動速度，通過伯努利定律計算出潛流流速強(qiáng)度。

在工作時，先將流速流量測量儀固定，減少水的流動對儀器的影響，膠粒通過膠粒采集器的膠粒通道，高分辨率攝像機(jī)會追蹤拍攝膠粒運(yùn)動圖片，將圖片傳輸?shù)礁叻直媛曙@示屏上，可以清楚地看到膠粒的運(yùn)動，根據(jù)羅盤測出潛流水流方向，羅盤采用普通羅盤，如圖1，羅盤位于膠粒通道下面，以潛流自東向西流動為例，如圖2，在通過計算機(jī)計算出潛流的運(yùn)動速度。由于儀器的放置會對水流的運(yùn)動有影響，所以在進(jìn)行測試時，要在放置儀器15min之后進(jìn)行測量，以減少人為干擾和外界干擾。

3 模擬試驗(yàn)

將儀器放置水中，根據(jù)羅盤測出水流方向，根據(jù)測量出的水流方向調(diào)整膠粒通道進(jìn)水口位置，使進(jìn)水口與水流方向平行。如圖3，在膠粒通道進(jìn)水口和出水口個放置一個流速流量計，分別測進(jìn)水口和出水口膠粒速度，如果速度差距過大，則重新調(diào)整儀器位置，然后取平均值做為膠粒速度。多次試驗(yàn)測量膠粒速度最后取平均速度作為最終膠粒速度，通過伯努利定理（公式1）計算出潛流強(qiáng)度。

伯努利定理：c=p+（1/2）pv2+pgh

C——常量;ρ——流;體密度v——流體速度;g——重力加速度;h——該點(diǎn)所在高度

盡管伯努利定理適用于理想液體，對于潛流強(qiáng)度我們只需要近似的計算出結(jié)果，所以可以把海水近似的看成理想液體。

4 結(jié)論

（1）本次設(shè)計采用最新的流速流量測量儀較傳統(tǒng)儀器相比，測量更方便，結(jié)果更準(zhǔn)確，所得出的結(jié)果能更準(zhǔn)確的顯示出海洋潛流的方向和強(qiáng)度，對潛流的研究意義重大。（2）海洋潛流的流向代表著優(yōu)質(zhì)海水的流向，其含氧量、含鹽量和含熱量對海洋研究和發(fā)展的意義重大。

展望：

本文只是對海洋潛流的方向和強(qiáng)度的測量進(jìn)行初步設(shè)計，其理論和結(jié)果還需要進(jìn)一步的演練和推演，并且缺少具體試驗(yàn)結(jié)論作為理論支撐。以后對海洋潛流的研究應(yīng)該還存在以下問題：（1）本次設(shè)計只是對定點(diǎn)定時間進(jìn)行測量，并且測量出的結(jié)果只是平均速度，并不能具體的體現(xiàn)出海洋潛流的方向和強(qiáng)度的具體變化趨勢。（2）測量的速度均為水平流速，海洋中不同層面的潛流會互相越流、互相影響，對于越流的影響本文并沒有解決。雖然測量仍存在一些問題，但是其研究意義還是非常重大，發(fā)展前景還是一片光明。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭緒磊，朱靜靜，陳乾龍，等.新型地下水流速流向測量技術(shù)及其在巖溶區(qū)調(diào)查中的應(yīng)用[J].地質(zhì)科技情報，2019，38（1）：243-249.

[2] 谷現(xiàn)平，聶新恕，周江，等.利用高密度電法儀探測地下水流速流向[J].中國煤炭地址，2010，22（S1）：83-85.

[3]劉靜，劉盛東，曹煜，等.地下水滲流與地電場參數(shù)響應(yīng)的定量研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32（5）：986-993.

[4]Nassir SSA，Loke M H，Lee CY，et al.Salt-water intrusion mapping by geoelectrical imaging surveys [J].Geophysical Prospecting，2010，48（4）：647-661.

[5]Revil A，Cary L，F(xiàn)anQ，et al.Self- potential signals associated with preferential ground water flow pathways in a buried pale channel[J].Geophysical Research Letters，2005，32（7）：303-341.

[6]Sheffer M R.Response of the self-potential method to changing seepage conditions in embankment dams[ D].Vancouver Canada：The University of Columbia British，2002.

[7]孫建平，周建偉，劉存富，等.河北平原地下水He年齡初探：以滿城一任丘剖面為例[J].地質(zhì)科技情報，2006，25（6）：77-81.