一种模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置与控制策略的制作方法

本发明涉及海洋工程，尤其是一种模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置与控制策略。

背景技术：

1、人工建立一种全封闭生态环境开展生命科学研究是一项技术难题，经过海洋科学考察的不断深入，人类发现了在海底存在一种自成体系的独立的生态系统，冷泉生态系统。其具体特征是独立于基于光合作用所形成的地球最大的生态系统的另一种生态体系，其体积规模适中，且生态链组成并不繁琐，具备在陆地条件下构建一套人工重塑的全封闭冷泉生态环境条件。

2、模拟海底冷泉生态系统的最基本条件是人工重塑逼真的冷泉区物理化学环境条件，根据海底时间监测数据，确定海底冷泉区的介质浓度指标如下：水体甲烷背景浓度在5nmol/l，冷泉喷口处附近区域以及沉积物附近区域甲烷浓度约为10μmol/l，冷泉喷口出的甲烷通量变化范围较大，同时冷泉区海水环境中的dic浓度在3000μmol/l所有，具有少量的硫化氢介质溶解在附近。

3、目前，现有技术中暂无可以满足上述海底冷泉区介质浓度指标要求的模拟设备。

技术实现思路

1、本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置与控制策略，从而可通过复杂的工艺控制过程，在冷泉舱内建立稳定且逼真的海底冷泉生态培养环境，通过将海底冷泉区微生物和宏生物的保真运移至冷泉舱内，可建立起自然的发育演化过程，并开展相关的科学试验研究。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置，包括冷泉舱系统，所述冷泉舱系统上依次并联设置有基础背景浓度控制模块、水气循环净化模块、甲烷介质浓度调节模块和物化环境参数监控模块，所述冷泉舱系统上还连接有均质化搅拌设备和温控系统；

4、冷泉舱系统的结构为：包括冷泉舱体结构，冷泉舱体结构内设置有模拟水体，冷泉舱体结构的下方为沉积物，在沉积物的下部设置分流盘，在沉积物的中心位置布置一个裂缝通道，裂隙通道的顶部布置一个曝气头；

5、基础背景浓度控制模块的结构为：在冷泉舱体结构的上侧壁上设置有氧气水溶液注入口和二氧化碳水溶液注入口，氧气水溶液注入口通过管路依次串联有一号注水泵、过滤器、氧气曝气水箱和氧气气源，氧气曝气水箱内安装有氧气曝气膜，二氧化碳水溶液注入口通过管路依次串联有一号注水泵、过滤器、二氧化碳曝气水箱和二氧化碳气源，二氧化碳曝气水箱内安装有二氧化碳曝气膜；

6、水气循环净化模块的结构为：在冷泉舱体结构的上侧壁和下侧壁分别设置有循环水出口和ph盐度水溶液注入口，循环水出口通过管路依次串联有减压罐、袋式过滤器罐、保安过滤器罐和脱气膜组件，脱气膜组件底部连接真空泵，真空泵通过高压泵与ph盐度水溶液注入口连通，脱气膜组件上部通过取样阀连接中间水箱，所述中间水箱与真空泵和高压泵同时连通，中间水箱还连接有ph值盐度调节组件，减压罐还通过减压罐排气管道连接氮气稀释排放端；

7、甲烷介质浓度调节模块的结构为：在冷泉舱体结构底部设置有甲烷水溶液注入口，甲烷水溶液注入口与分流盘连通，甲烷水溶液注入口通过管路依次串联有二号注水泵、水箱和气源，水箱内设置有曝气装置；甲烷水溶液注入口分支有甲烷气注入口，甲烷气注入口通过管路依次串联有流量计和气体增压器，气体增压器输出有两条并联管理，一条为依次连接的进气调压阀、进气过滤器和气源，另一条为依次连接的驱动气体流量调节阀和压缩空气；

8、物化环境参数监控模块的结构为：位于冷泉舱体结构内部设置有拉曼探针、h2s及ph传感器、ch4传感器和ctd及do传感器，冷泉舱体结构外部设置有dic检测仪和拉曼光谱仪，dic检测仪、拉曼光谱仪、拉曼探针和各个传感器同时连接冷泉环境监测系统。

9、其进一步技术方案在于：

10、所述冷泉舱体结构是一个大尺度高压容器，内部的水体高度为15m。

11、所述冷泉舱体结构的顶部安装有安全阀和压力传感器。

12、所述冷泉舱体结构设置呈防腐结构，从外向内依次为冷泉舱基体、耐蚀合金堆焊层和氧化铝陶瓷涂层。

13、分流盘设置成十字形的分流通道，在分流通道上开有渗流孔。

14、所述温控系统对冷泉舱内的水体进行调温控制，并让温度稳定在2～4℃范围内。

15、一种模拟海底冷泉物化环境参数的实验装置的控制策略，

16、s1、准备阶段：

17、在空舱状态下将分流盘、裂隙通道、曝气头提前布置在冷泉舱体结构内，

18、将沉积物布置在冷泉舱体结构内，并预留出注气空腔；

19、s2、注水增压与温度控制：

20、利用高压泵抽取中间水箱中的海水向冷泉舱体结构注入增压，使舱内压力升高至20mpa，同时启动温控系统对冷泉舱系统进行调温控温，是冷泉舱体结构与模拟水体降低至2～4℃，并稳定在这一温度范围；

21、s3、冷泉舱内介质背景浓度初始化：

22、通过引入氧气气源，注入至氧气曝气膜，利用曝气膜破碎氧气气泡实现快速溶解，在氧气曝气水箱内配置规定浓度的氧气水溶液，经过滤器过滤后，由一号注水泵，由冷泉舱系统顶部的氧气水溶液注入口注入到舱内；同样的引入二氧化碳气源，用同样的流程完成二氧化碳的注入；为模拟氧气与二氧化碳介质的实际扩散状态，注入口确定在冷泉舱系统的顶部，可真实模拟实际海洋中氧气与溶解碳的扩散方向；

23、s4、水气循环净化模拟：

24、在冷泉舱系统顶部设置循环水出口，通过控制循环流量，将含有高浓度废料的海水输送至减压罐内，通过减压罐降压至1mpa以内，在降压过程中可能存在溶解气析出问题，因此析出气体可通过减压罐排气管道排放至氮气稀释排放端内，完成气体后处理；减压罐内的海水继续经过袋式过滤器罐和保安过滤器罐充分过滤后，进入脱气膜组件，进行多级脱气处理，在脱气膜中，利用真空泵形成抽吸负压，实现海水内溶解的各种废料的脱离排出，脱气处理后的海水各种气体介质浓度可控制10ppb以内；净化后海水流入中间水箱待循环使用；

25、s5、冷泉羽状流模拟：

26、通过甲烷气源，向曝气装置注入甲烷气体，在水箱内形成一定浓度的甲烷溶液，利用注水泵将甲烷水溶液经甲烷水溶注入口注入到冷泉舱系统内的分流盘，经分流后，均匀扩散至注气空腔内，利用浓度差驱动甲烷水溶液渗透过沉积物，在沉积物上表面形成一层较高浓度的甲烷溶液层，从而为冷泉生态系统提供能量供给；

27、s6、模拟冷泉物理化学环境监测：

28、在模拟海底冷泉区物理化学环境全过程，启动拉曼光谱仪，利用拉曼探针测量舱内各类介质浓度，同时启动h2s及ph传感器，ch4传感器，ctd及do传感器对舱内介质浓度、温度、压力场进行实时监测，同时对舱内介质进行定期取样，利用dic检测仪检测舱内溶解碳浓度；通过上述监测结果，实时指导上述五个步骤中各项工艺参数的控制，以达到舱内物理化学参数稳定在合理范围。

29、s3中，在背景浓度初始化过程中，如果需要加速初始化过程，可通过启动均质化搅拌设备实现舱内介质浓度加速均匀。

30、s4中，考虑到净化过程中会对海水实际ph值和盐度造成影响，因此利用ph值和盐度调节组件完成对中间水箱内海水的重新调节，以达到回注要求；在利用高压泵实现净化后海水的回注，保证冷泉舱系统压力稳定，压力波动不大于2.5％。

31、即建立了一套人工模拟海水强大自净化能力的开放式循环系统。

32、s5中，针对中速冷泉模拟方式，通过甲烷气源，经气体增压器增压，利用流量计监控气体流量，经甲烷气注入口，注入到分流盘内，并进一步扩散至注气空腔内，持续性渗透过沉积物，在沉积物表面形成小规模羽状流，这一模式是冷泉生态系统的最常见模式。

33、针对快速冷泉模拟方式，主要是模拟地层失稳后甲烷大规模溢出所造成的甲烷剧烈喷发的状态。

34、经气体增压器增压，利用流量计监控气体流量，经甲烷气注入口，注入到裂隙通道由曝气头实现甲烷气体破碎，形成大规模甲烷喷发，建立快速冷泉状态。

35、本发明的有益效果如下：

36、本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过冷泉舱系统与各个模块之间的互相配合工作，构建一套开式循环系统，可人工模拟海水强大的自净化能力，从而实现模拟冷泉舱内各类废料的净化，维持环境稳定。并建立甲烷介质注入系统，可模拟甲烷水溶液、甲烷气体渗漏以及甲烷大规模喷发，从而实现模拟满足冷泉、中速冷泉和快速冷泉的物理状态。另外，构建温度与压力控制系统，可实现模拟实验舱内压力场与温度场的稳定，即使压力场维持在目标水深状态下，温度场维持在2～4℃范围内。

37、本发明可以模拟海底冷泉区物理化学参数稳定维持的人工重塑冷泉舱，可实现人工模拟海水自净化能力以及各类介质浓度的稳定控制的实验装置，通过海底原位保真取样获取沉积物、水体样本、微生物以及宏生物，开展长期的模拟冷泉生态环境实验研究工作。

38、本发明可以在陆地上人工重塑冷泉区物理化学环境参数的高压模拟装置，可为海底冷泉区微生物与宏生物构建一种逼真的生存环境，使其能够在此类人工培育环境进行生长发育与繁衍，帮助科学家针对海底冷泉区具体特征开展生命、化学、地质等科学试验，属于特种实验装置领域。