海洋0-10m潜流强度与方向的测量方案研究

牛星

【摘  要】大海表面看似風平浪静、纹丝不动，其实内部并不安分守己，而是时时刻刻都在流动。不同层面水流方向不同，水流强度也不同。海洋0-10m的潜流主要对在海洋上行驶影响较大，顺着潜流方向流速加快，同样逆着潜流方向阻力也会加大。同时潜流的变化也是温度和季候变化的一种体现，因此对地理海洋生物的研究的作用也异常重要。对海洋潜流的测量由于环境的限制，其实并不好测量。采用流速流量测量仪对水流方向和水流速度进行测量，通过伯努利定律测量出水流强度。海洋运输的运用越来越广泛，测量潜流方向和强度的研究也日趋重要。

【关键词】潜流;流速流量测量仪;方向;强度

引言

潜流就是潜水水流，一般不同层面的水流方向和水流速度均不不同。0-10m深度的潜流主要对海洋表面行驶的轮船影响较大，更深的潜流而对潜艇影响较大。所以研究潜流流速和流向对海洋运输意义重大。潜流流向同样也代表着优质海水的流向，其含氧量和含氧量对沿海经济的发展意义重大。同时，潜流流向和水素的变化，也是海洋温度和海洋气候变化的一种体现，对海洋地理和生物的研究也有重大意义。郭绪雷、徐静静等学者通过新型的流速流量仪对地下水流的测量进行了研究，本次研究对其进行了参考借鉴。

早在1886年，在铺设海洋电缆时，有-科学家发现了海洋表面潜流，但并没有对潜流进行了深入研究。过了将近半个多世纪，美国科学家在赤道附近再次发现海洋潜流，苏联科学家在大西洋发现潜流，科学家才真正认识到海洋潜流是真实存在的，“潜流”在真正从被遗忘的角落里走出来。其中最为著名的是太平洋赤道潜流，太平洋赤道潜流以其流速快，流幅狭窄而著名。赤道潜流处在赤道流下部、中层海水上部，温度变化急剧的层次中，与表层南北赤道流流向相反，自大洋西部流向东部，流速比表层流大，流幅比表层流窄。赤道潜流是由于东北信风和东南信风输送的海水在大洋古岸堆积，导致海面由西向东下倾，因此产生回流而形成的。太平洋赤道潜流，又称克伦威尔海流，位于赤道两旁南、北纬2度之间，海面以下100～300米深的水层中，厚度约为200米，宽度300千米左右，从亚洲东部菲律宾外海向东，流到美洲西部加拉帕戈斯岛附近，流长1.4万千米。海流的核心位置自西向东逐渐上升，在东部没有风的时候有时可达到海面。最大流速100～200厘米/秒。并且对海洋南、北半球的热量交换，盐分运输和氧气交换起着重要作用。

1 所用传感器介绍

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的运用日益广泛，在日常生活中随处可见。本文主要运用了新型的流速流量仪，集测量方向和速度与一体。传统的流速流量仪只是对水流速度进行测量，若是测水流方向还要使用别的仪器进行辅助。本文使用的新型的流速流量仪加入了罗盘，可以在测速度的同时进行方向的检测，提高了效率。

2 技术方法原理

众所周知，海洋主要中离子主要是钠离子和氯离子，但是同样存在很多胶粒，也就是一些悬浮物。而流量是一种标量参数，所有测量方法测量出来的结果都是一个标量，随着地球物理和高分辨率一起的发展，测量海洋潜流的强度和方向变成 一种可能，并且正在不断发展。传统的测量方法大多都是电阻率法、自然电位法、充电法、示踪法等[2-7]，但是使用环境有限，不能广发使用。而Aqua Vision流速流量测量仪可以追踪拍摄胶粒的流动轨迹，以其自带的罗盘可以计算出潜流流向，然后传输到计算机上，得到胶粒运动的一些列高分辨率图片，进而可以看出胶粒不同时间运动的点位，然后通过两点位置连线，进而计算出运动速度，通过伯努利定律计算出潜流流速强度。

在工作时，先将流速流量测量仪固定，减少水的流动对仪器的影响，胶粒通过胶粒采集器的胶粒通道，高分辨率摄像机会追踪拍摄胶粒运动图片，将图片传输到高分辨率显示屏上，可以清楚地看到胶粒的运动，根据罗盘测出潜流水流方向，罗盘采用普通罗盘，如图1，罗盘位于胶粒通道下面，以潜流自东向西流动为例，如图2，在通过计算机计算出潜流的运动速度。由于仪器的放置会对水流的运动有影响，所以在进行测试时，要在放置仪器15min之后进行测量，以减少人为干扰和外界干扰。

3 模拟试验

将仪器放置水中，根据罗盘测出水流方向，根据测量出的水流方向调整胶粒通道进水口位置，使进水口与水流方向平行。如图3，在胶粒通道进水口和出水口个放置一个流速流量计，分别测进水口和出水口胶粒速度，如果速度差距过大，则重新调整仪器位置，然后取平均值做为胶粒速度。多次试验测量胶粒速度最后取平均速度作为最终胶粒速度，通过伯努利定理（公式1）计算出潜流强度。

伯努利定理：c=p+（1/2）pv2+pgh

C——常量;ρ——流;体密度v——流体速度;g——重力加速度;h——该点所在高度

尽管伯努利定理适用于理想液体，对于潜流强度我们只需要近似的计算出结果，所以可以把海水近似的看成理想液体。

4 结论

（1）本次设计采用最新的流速流量测量仪较传统仪器相比，测量更方便，结果更准确，所得出的结果能更准确的显示出海洋潜流的方向和强度，对潜流的研究意义重大。（2）海洋潜流的流向代表着优质海水的流向，其含氧量、含盐量和含热量对海洋研究和发展的意义重大。

展望：

本文只是对海洋潜流的方向和强度的测量进行初步设计，其理论和结果还需要进一步的演练和推演，并且缺少具体试验结论作为理论支撑。以后对海洋潜流的研究应该还存在以下问题：（1）本次设计只是对定点定时间进行测量，并且测量出的结果只是平均速度，并不能具体的体现出海洋潜流的方向和强度的具体变化趋势。（2）测量的速度均为水平流速，海洋中不同层面的潜流会互相越流、互相影响，对于越流的影响本文并没有解决。虽然测量仍存在一些问题，但是其研究意义还是非常重大，发展前景还是一片光明。

参考文献：

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