CN115014707B - 可模拟海底采矿系统采集排放的试验平台及模拟测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟海底采矿系统采集排放的试验平台及模拟测试方法，试验平台包括供水装置和模拟装置，供水装置通过连接管道向模拟装置供水，连接管道上安装有参数测量装置，模拟装置包括模拟出水器和模拟状态演示容器，模拟出水器上安装有污水排放口和/或高压水射流喷射口，模拟状态演示容器上安装有污泥浓度监测仪和/或图像采集设备，试验平台通过所述污泥浓度监测仪和/或图像采集设备采集的数据进行处理分析并输出模拟海底采矿系统作业的数据反馈结果。该试验平台及相应的模拟测试方法能够准确定量地评估出海底采矿车进行采集作业对海底底质扰动情况及排出污水的量，以为评估海底采矿系统对海底底质环境造成的影响提供支撑。

Description

可模拟海底采矿系统采集排放的试验平台及模拟测试方法

技术领域

本发明属于深海采矿及环境影响研究领域，具体涉及一种可用于模拟采矿系统采集排放的试验平台及其模拟测试方法。

背景技术

深海多金属结核采矿作业时，会扰动海底沉积物并产生大量的沉积物羽状流。海底底层沉积物羽状流主要是由海底采矿车进行采集和进行矿物分离破碎时所产生。海底采矿车利用水力式的集矿方式进行多金属结核开采时，由水力捕捉系统产生的高压水射流会对海底表层面的沉积物进行“剥离”，使大量的海底沉积物受到高压射流的冲击而被搅动抬举起来，多金属结核、海底沉积物和水等经输送系统的吸附运送至矿物分离脱泥装置。同时，在海底采矿车的矿物分离处（脱泥装置处）会有大量的海水和沉积物混合物排出，产生的废水混合物一般由海水、海底沉积物、结核碎屑和海底生物等组成，在水流作用下悬浮颗粒物会扩散到更远的区域，形成大面积的海底沉积物羽状流。大量飘散在水体中的悬浮颗粒物导致相应区域光照的衰减，严重影响浮游植物的光合作用。分析研究海底采矿车对海底底质的扰动机理可知，海底采矿车采集系统进行矿物采集时，捕捉喷嘴产生射流越大，被搅动的沉积物淤泥的量就越大，水体中污泥浓度就会越高，导致沉积物羽状流的扩散范围就会越大，从而对水体环境的影响也就越大。另外，由输送通道将结核、污泥、水等一起输送到筛网处进行脱泥和排污处理，在筛网装置后方排出的水体中含有大量的淤泥和废水。输送喷嘴的射流流量越大，排出污水的量就会越多。

当前，为了保护好海洋环境不因开发而受到影响，《联合国海洋法公约》规定了各国应采取一切必要措施以防止、减少和控制由于在其管辖或控制下使用技术而造成的海洋环境污染。同时，根据国际海底管理局出台的《指导承包者评估“区域”内海洋矿物勘探活动可能对环境造成的影响的建议》中提出必须对深海采矿对水底环境造成影响进行评估。因此，研究深海采矿作业时对水底环境造成的影响成为一个重要的课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种可模拟海底采矿系统采集排放的试验平台及模拟测试方法，该试验平台及模拟测试方法能够准确定量地评估出海底采矿车进行采集作业对海底底质扰动情况及排出污水的量，可用于模拟测量出海底采矿系统采集扰动强度和排污量，以为评估海底采矿系统对海底底质环境造成的影响提供相应的数据和技术支撑。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种可模拟海底采矿系统采集排放的试验平台，包括供水装置和模拟装置，所述供水装置通过连接管道向所述模拟装置供水，所述连接管道上安装有参数测量装置，所述模拟装置包括模拟出水器和模拟状态演示容器，所述模拟出水器上安装有污水排放口和/或高压水射流喷射口，所述模拟状态演示容器上安装有污泥浓度监测仪和/或图像采集设备，所述试验平台通过所述污泥浓度监测仪和/或图像采集设备采集的数据进行处理分析并输出模拟海底采矿系统作业的数据反馈结果。

本发明的试验平台中，模拟出水器可用来模拟海底采矿系统的矿物捕捉喷嘴，由供水装置模拟供水源，经模拟出水器后形成高压射流来冲击底质，从而实现模拟采集系统的捕捉喷嘴对海底底质的采集扰动作用，模拟出水器的排污来模拟海底采矿系统的脱泥装置，以测量排出污水污泥的量和对海底底质环境产生的影响。

上述的试验平台，优选的，所述模拟出水器上同时安装有污水排放口和高压水射流喷射口，所述模拟状态演示容器上安装有污泥浓度监测仪和图像采集设备；所述供水装置包括一通过连接管道向所述模拟装置供水的污水蓄水池，所述污水蓄水池中设有潜水排污泵。通过该优选结构设置，使得该试验平台可以同时模拟污水排放工况与高压水射流喷射工况，模拟装置更加紧凑，功能集约，可实现各种参数和状态的多维度采集。

上述的试验平台，优选的，所述模拟出水器包括进水管组件、出水头和支撑杆件，所述进水管组件连接在所述支撑杆件上，所述进水管组件与所述出水头相连通；所述出水头内设有模拟腔，所述模拟腔同时开设有所述的污水排放口和高压水射流喷射口，且所述模拟腔通过污水排放口和高压水射流喷射口的选择性应用实现污水排放工况与高压水射流喷射工况的选择性替换。通过对模拟出水器结构的优化改进，使得该模拟出水器能够以简单构造同时匹配模拟污水排放工况与高压水射流喷射工况，降低制造成本。

上述的试验平台，优选的，所述出水头的底部设有与模拟腔连通的喷嘴装置，所述出水头的侧部设有与模拟腔连通的污水排放口，所述喷嘴装置外侧设有一可实现喷嘴装置启闭的可拆卸式喷嘴密封板，所述污水排放口外侧设有一可实现污水排放口启闭的可拆卸式污水排放口密封板。通过对模拟出水器的出水头结构的优化改进，使得该模拟出水器能够以一个模拟腔即同时匹配模拟污水排放工况与高压水射流喷射工况，进一步简化构造和优化空间的布置。

上述的试验平台，优选的，所述进水管组件包括上端进水管和下端过渡管，上端进水管通过接头与下端过渡管连通，下端过渡管通过多个开口连通至所述模拟腔。通过对进水管组件结构的改进，使得进入模拟腔的水流分布更加均匀，强化高压水射流喷射工况下的模拟采集效果。

上述的试验平台，优选的，所述连接管道包括金属硬管段和输送软管，所述供水装置通过输送软管与金属硬管段连接，所述金属硬管段通过输送软管与所述模拟出水器的进水口连通；所述参数测量装置安装于金属硬管段上，所述参数测量装置包括流量表和压力表。通过对连接管道的改进，使得参数测量装置的安装与供水装置、模拟出水器装置的灵活操作得到有效平衡，大大提高模拟出水器的活动范围和供水装置的水源来源范围。

更优选的，所述金属硬管段上设置有三通管接头，所述三通管接头的进口通过输送软管连接所述供水装置，所述三通管接头的第一出口连通至所述供水装置，所述三通管接头的第二出口通过输送软管连接所述模拟出水器；所述第一出口、第二出口的下游均安设有流量控制阀。

上述的试验平台，优选的，所述模拟出水器固接在一水平移动的可移动支撑架上，所述可移动支撑架安装在所述模拟状态演示容器上；所述模拟出水器还包括一可垂直升降的支撑杆件；所述图像采集设备安装在可移动支撑架上。通过设置可移动支撑架、可垂直升降的支撑杆件，使得模拟出水器在模拟工况下可以在水平、竖直等多个维度自由移动，更好地模拟海底地活动范围，实现更多工况下羽状流的分布状态的模拟，提高影响结果的评估准确度。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种利用上述的试验平台测试海底采矿系统采集排放对水底环境影响程度的模拟测试方法，包括以下步骤：

通过供水装置向所述模拟装置供水；

通过参数测量装置测量向所述模拟装置供水的污水流量Q；

通过所述模拟状态演示容器上安装的污泥浓度监测仪模拟测量水体的污泥浓度值c；

通过调控所述模拟出水器选择性切换污水排放工况和/或高压水射流喷射工况，分别根据以下三种情形判断海底采矿系统采集排放对水底环境影响程度；

1）当在污水排放工况时，根据下式计算污泥排放量S，并根据污泥排放量的测量结果分级确定污水排放工况时水底环境影响程度：

式中：

；

当污泥排放量S≤9.86t排出污泥量较少，对水底环境影响较轻；

当污泥排放量9.86<S<39.22t，排出污泥量中等，对水底环境影响较重；

当污泥排放量39.22≤S≤93.20t，排出污泥量较多，对水底环境影响严重；

当污泥排放量S＞93.20t，排出污泥量非常多，对水底环境影响非常严重；

2）当在高压水射流喷射工况时，通过测定模拟出水器的喷嘴装置的长度作为采集宽度d，测定模拟出水器在可移动支撑架上的行走速度v，测定模拟状态演示容器中底质淤泥的扰动深度h，根据下式计算冲击扰动的底质淤泥量M，并根据冲击扰动的底质淤泥量结果分级确定污水排放工况时水底环境影响程度：

式中：d-采集宽度为；v-行走速度为，h-对海底底质淤泥的扰动深度；t-冲击时间；

冲击扰动的底质淤泥量M≤4384.8 t，对底质扰动强度较轻，对水底环境影响较轻；

冲击扰动的底质淤泥量4384.8t <M<7830t，对底质扰动强度中度，对水底环境影响中度；

冲击扰动的底质淤泥量7830t≤M≤17121.6t，对底质扰动强度严重，对水底环境影响较重；

冲击扰动的底质淤泥量M＞17121.6t，对底质扰动强度非常严重，对水底环境影响非常严重。

上述的模拟测试方法，优选的，对获得的污泥排放量S和冲击扰动的底质淤泥量值M进行综合判断，定义综合影响程度为I，具体包括：

式中：α-污水排放影响程度系数；β-高压水射流喷射影响程度系数。

取α=0.9，β=0.1，计算得到在模拟污水排放工况下的污泥排放量和高压水射流喷射冲击的底质淤泥量综合影响结果：

当测量的综合影响程度值I≤447.35t，对水底环境综合影响程度较轻，定义为第一类影响；

当测量的综合影响程度值447.35 t＜I<818.30t，对水底环境综合影响程度中度，定义为第二类影响；

当测量的综合影响程度值818.30 t≤I＜1796.04t，对水底环境综合影响程度严重，定义为第三类影响；

当测量的综合影响程度值I≥1796.04t，对水底环境综合影响程度非常严重，定义为第四类影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明既可用来模拟海底采矿系统进行集矿作业对海底底质产生的采集扰动以进行环境影响评价，又可模拟海底采矿系统脱泥装置在排放污水污泥时的工况以进行环境影响评价，还可通过一个试验平台同时模拟、切换前述两种工况，为评估海底采矿系统对环境造成的影响提供相应的数据和技术支撑。

（2）本发明提供的试验平台，海底采矿车在进行海底矿物采集时，扰动深度取决于了p ₀、q ₀喷嘴的压力和流量两个变量，射流压强越大或流量越小，对海底淤泥的冲击扰动深度就会越大，使被搅动起来的沉积物淤泥的量M就越多，导致沉积物羽状流的扩散范围就会越大，可通过利用高清摄像头来长期监测水体中产生的污泥羽流的扩散大致范围和变化过程。

（3）本发明的试验平台可布放多组污泥浓度监测仪来测量采集扰动和脱泥装置排污时水体中污泥的浓度，通过构建一定的数据模型，还可实现量化评估海底采矿系统采集作业对海底底质扰动强度及排出污水量。

根据污泥浓度的定义即一定区域中单位体积悬浮混合的干污泥净重，设区域中水体体积为V，α是污泥烘干后系数，污泥浓度c，则被冲击扰动起的污泥量满足：

定义单位时间内被冲击扰动起沉积物淤泥的量为冲击扰动强度I，即可定义冲击扰动强度与污泥泥量的函数关系为：

由上式可知，可将扰动强度转换成与水体污泥浓度见的函数关系，从而用于评估出采集排放模拟装置对底质的扰动强度。

同样，用来模拟排污功能时，根据排污通道的污泥排放量计算公式：

式中：

。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中可模拟海底采矿系统采集排放的试验平台的结构示意图。

图2为本发明实施例中模拟出水器的结构示意图。

图3为本发明实施例中模拟出水器的进水管组件的结构示意图。

图4为本发明实施例中模拟出水器的模拟腔的结构示意图。

图5为本发明实施例中模拟出水器的侧视图。

图6为本发明实施例中模拟出水器的仰视图。

图例说明：

1-供水装置；11-污水蓄水池；12-潜水排污泵；2-模拟出水器；3-模拟状态演示容器；31-污泥浓度监测仪；32-图像采集设备；33-驱动电机；4-流量控制阀；5-金属硬管段；6-流量表；7-压力表；8-输送软管；9-三通管接头；10-可移动支撑架；21-进水管组件；211-上端进水管；212-下端过渡管；213-三通接头；22-出水头；23-支撑杆件；231-固定座；232-支撑杆；233-固定螺栓；234-活动杆；24-模拟腔；241-污水排放口；242-高压水射流喷射口；25-喷嘴密封板；26-喷嘴装置；27-污水排放口密封板。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例：

一种如图1-图6所示本发明的可模拟海底采矿系统采集排放的试验平台，包括供水装置1和模拟装置，供水装置1通过连接管道向模拟装置供水，连接管道上安装有参数测量装置，模拟装置包括模拟出水器2和模拟状态演示容器3，本实施例的模拟出水器2上同时开设有污水排放口241和高压水射流喷射口242（在其他实施例中可以选择开设污水排放口241和高压水射流喷射口242中的一个），本实施例的模拟状态演示容器3上同时安装有污泥浓度监测仪31和图像采集设备32（在其他实施例中可以选择安装污泥浓度监测仪31和图像采集设备32中的一种），试验平台通过污泥浓度监测仪31和图像采集设备32采集的数据进行处理分析并输出模拟海底采矿系统作业的数据反馈结果。供水装置1包括一通过连接管道向模拟装置供水的污水蓄水池11，污水蓄水池11中设有潜水排污泵12。通过配置污水蓄水池11和潜水排污泵12可同时模拟污水排放工况与高压水射流喷射工况，一方面用来模拟海底采矿系统进行集矿作业时对海底底质产生的采集扰动作用，另一方面用来模拟海底采矿系统的脱泥装置进行排放污水污泥的功能。

如图1所示，本实施例上述的试验平台中，连接管道包括金属硬管段5和输送软管8，供水装置1通过输送软管8与金属硬管段5连接，金属硬管段5通过输送软管8与模拟出水器2的进水管组件21的进水口连通。金属硬管段5上设置有三通管接头9，三通管接头9的进口通过输送软管8连接供水装置1，三通管接头9的第一出口同样连通至供水装置1，三通管接头9的第二出口通过输送软管8连接模拟出水器2；第一出口和第二出口的下游位置均安设有流量控制阀4（例如球阀）。其中一个流量控制阀4是用来控制流入模拟出水器2中污水污泥的流量，另一个流量控制阀4是为了控制让多余的污水污泥回流至污水蓄水池11中。

本实施例的参数测量装置安装于金属硬管段5上，参数测量装置包括流量表6和压力表7。

如图2、图3所示，本实施例上述的试验平台中，模拟出水器2包括进水管组件21、出水头22和支撑杆件23，进水管组件21连接在一可垂直升降的支撑杆件23上，进水管组件21与出水头22相连通；如图4所示，出水头22内设有模拟腔24，模拟腔24同时开设有的污水排放口241和高压水射流喷射口242，且模拟腔24通过污水排放口241和高压水射流喷射口242的选择性应用实现污水排放工况与高压水射流喷射工况的选择性替换。出水头22的底部设有与模拟腔24连通的喷嘴装置26，出水头的侧部设有与模拟腔24连通的污水排放口241，喷嘴装置26外侧设有一可实现喷嘴装置启闭的可拆卸式喷嘴密封板25，污水排放口241外侧设有一可实现污水排放口启闭的可拆卸式污水排放口密封板27（参见图2、图4和图6）。进水管组件21包括上端进水管211和下端过渡管212，上端进水管211通过三通接头213与下端过渡管212连通，下端过渡管212通过两个开口连通至模拟腔24。

本实施例上述的试验平台中，模拟出水器2固接在一水平移动的可移动支撑架10上，可移动支撑架10安装在模拟状态演示容器3上；图像采集设备32安装在可移动支撑架10上。

通过驱动电机33可驱动可移动支撑架10水平移动，从而实现模拟出水器2的水平移动。同时如图5所示，可升降的支撑杆件23可实现模拟出水器2的垂直升降功能。具体的，支撑杆件23通过固定座231安装在可移动支撑架10上，支撑杆件23由支撑杆232和活动杆234内嵌，支撑杆232连接固定座231，支撑杆232和活动杆234利用固定螺栓233进行固定，从而在不同高度位置来实现升降功能。

另外，本发明提供的采集排放模拟装置还可以用来模拟海底采矿系统脱泥装置，关闭模拟矿物捕捉喷嘴通道后，打开脱泥装置通道，污水经过脱泥通道排放至水体中，从而实现排放污泥功能。

本发明试验平台的工作过程如下：

开启潜水排污泵12，使其从污水蓄水池11中抽吸汲取污水，经输送软管8将污水输送至三通管接头9处，在三通管接头9的两个出口下游分别安装了流量控制阀4，其中一个流量控制阀是用来控制流入模拟出水器2中污水污泥的流量，另一个流量控制阀是为了控制让多余的污水污泥回流至污水蓄水池11中。在流量控制阀4至模拟出水器2的金属硬管段5（不锈钢材质）上安装了流量表6和压力表7，以用来测量流向模拟出水器2中污水污泥的流量和压力值；金属硬管段5和模拟出水器2再利用输送软管8进行串联，抽取的污水污泥经输送软管8最终输送至模拟出水器2中。

模拟出水器2可以根据试验需要分别实现高压水射流采集海底矿样和海底污水排放扰动两种工况的监测模拟。当模拟出水器2用来模拟海底采矿系统采矿系统的矿物采集捕捉时，由潜水排污泵12吸汲的污水污泥由输送软管8运输至进水管组件21，而后进入至模拟腔24中；进水管组件21中的上端进水管211与输送软管8相连接，流入的污水污泥进入上端进水管211后，经三通接头213将其分成两个水流通道进入下端过渡管212，下端过渡管包括90°弯通和进水管接头，并利用进水管接头将整个进水管组件21焊接固定在模拟腔24上。

此时，如果模拟出水器2的出水头22用连接螺栓将污水排放口密封板27密闭上污水排放口241，那么从进水管组件21流入的污水污泥只能流到底部的喷嘴装置26形成高压射流来模拟冲击海底底质，从而实现模拟海底采矿系统的矿物捕捉喷嘴对海底底质的采集扰动作用；当模拟出水器2用来模拟海底采矿系统进行污水排放时，取下喷嘴装置26和污水排放口密封板27，用连接螺栓和喷嘴密封板25对高压水射流喷射口242进行密闭，打开污水排放口241，污水污泥经过污水排放口241排放至水体中，从而实现排污功能的模拟。

本实施例的试验平台通过布放多组污泥浓度监测仪31来实时测量模拟采集扰动和排污时水体中污泥的浓度，从而实现量化地评估出海底采矿系统采集作业对海底底质扰动强度及排出污水的量，并利用图像采集设备32（例如高清摄像头）来监测水体中污泥羽流的扩散范围和变化过程。

（1）当模拟污水排放工况时，设污泥浓度c，污水流量Q，排放时间t，则可计算出t时间内排污通道的排放的污泥量：

可以利用试验平台测量污水排放量和污泥浓度值，结合高清摄像头监测到水体中污泥排放扩散情况，结合三者共同来确定环境影响程度。根据《GB/T 19485-2014 海洋工程环境影响评价技术导则》中规定海洋矿产资源勘探开发时不同污水排放量对应着不同的海洋环境影响评价等级。因此，可以根据污水排放量和污泥排放量的分级确定污水排放工况时水底环境影响程度：

1）测量污水排放量Q=312m³/h，污泥浓度约为c=3161mg/L，排放时间10s。此时，通过高清摄像头监测到水体中污泥排放情况，排出污泥量较少，污泥羽流扩散范围较小，对水底环境影响较轻。当污水连续排放时间为10h，计算出排放的污泥量S=9.86t，可定义当污泥排放量S≤9.86t时，对水底环境影响较轻。

2）测量污水排放量Q=660m³/h，污泥浓度约为c=5943mg/L，排放时间10s。此时，通过高清摄像头监测到水体中污泥排放情况，排出污泥量适中，污泥羽流扩散范围适中，对水底环境产生影响适中。当污水连续排放时间为10h，计算出排放的污泥量S=39.22t，可当污泥排放量9.86<S<39.22t时，对水底环境影响适中。

3）测量污水排放量Q=1290m³/h，污泥浓度约为c=7225mg/L，排放时间10s。此时，通过高清摄像头监测到水体中污泥排放情况，排出污泥量较多，污泥羽流扩散范围较大，对水底环境产生较严重影响。当污水连续排放时间为10h，计算出排放的污泥量S=93.20t定义当污泥排放量39.22≤S≤93.20t时，对水底环境影响较为严重。

4）测量污水排放量Q=1520m³/h，污泥浓度约为c=9309mg/L，排放时间10s。此时，通过高清摄像头监测到水体中污泥排放情况，排出污泥量非常多，污泥羽流扩散范围非常大，对水底环境产生严重影响。定义当污泥排放量S＞93.20t时，对水底环境影响非常严重。

（2）当在高压水射流喷射工况时，设采集宽度为d，行走速度为v，对海底底质淤泥的扰动深度为h，则可计算出t时间内冲击扰动的底质淤泥量M：

式中：海底底质淤泥的密度取ρ ₁=1450kg/m³；

采集宽度d是根据海底采矿集矿喷嘴的长度进行确定，取d=2m；

行走速度是指海底采矿车行走速度，设定为v=1m/s；

对海底底质淤泥的扰动深度h可直接测量获得。

海底采矿车在进行海底矿物采集时，在海底采矿车采集喷嘴处形成的高压水射流会直接冲击扰动海底底质，考虑到绝大部分的海底底栖生物和微生物生活在10~20cm区间范围内，冲击深度越大，被搅动的底质淤泥量和形成的污泥浓度就会越大，根据污泥浓度值c的测量结果和高压水射流冲击的深度来分级确定高压水射流喷射工况时对水底环境影响程度：

1）当测量的污泥浓度为370.8mg/L，冲击深度约为42mm，此时高压水射流对底质冲击扰动强度较轻，对水底环境影响较轻。当污水连续排放时间为10h，计算出冲击扰动的底质淤泥量为4384.8t，定义冲击扰动的底质淤泥量M≤4384.8t时，对水底环境影响较轻。

2）当测量的污泥浓度为552.1mg/L，冲击深度约为75mm，此时高压水射流对底质冲击扰动强度中度，对水底环境影响中度。当污水连续排放时间为10h，计算出冲击扰动的底质淤泥量为7830t，定义冲击扰动的底质淤泥量4384.8 t <M<7830t时，对水底环境影响适中。

3）当测量的污泥浓度为1014mg/L，冲击深度约为164mm，此时高压水射流对底质扰动强度严重，对水底环境影响较重。当污水连续排放时间为10h，计算出冲击扰动的底质淤泥量为17121.6t，定义冲击扰动的底质淤泥量7830 t≤M≤17121.6t时，对水底环境影响较为严重。

4）当测量的污泥浓度为2176mg/L，冲击深度约为191mm，此时高压水射流对对底质扰动强度非常严重，对水底环境影响非常严重。定义冲击扰动的底质淤泥量M＞17121.6t时，对水底环境影响非常严重。

（3）考虑到海底采矿车是同时由捕捉喷嘴高压水射流和输送通道污水排放共同影响海底水体，通过对计算出污泥排放量S和冲击扰动的底质淤泥量值M和进行综合判断，模拟得到海底采矿系统在采集排放同时进行时对水底环境影响程度评价结果。

上述的模拟测试方法，优选的，所述对获得的污泥排放量S和冲击扰动的底质淤泥量值M和进行综合判断，定义综合影响程度为I，具体包括：

式中：α-污水排放影戏程度系数；β-高压水射流喷射影响程度系数。

现取α=0.9，β=0.1，计算得到在模拟污水排放工况下的污泥排放量和高压水射流喷射冲击的底质淤泥量综合影响结果，可得出：

1）当综合影响程度I≤447.35t，对底质扰动强度较轻，定义为第一类影响；

当测量的污泥浓度值447.35 t＜I<818.3t，对底质扰动强度中度，定义为第二类影响；

当测量的污泥浓度值818.3 t≤I＜1796.04t，对底质扰动强度严重，定义为第三类影响；

当测量的污泥浓度值I≥1796.04t，对底质扰动强度非常严重，定义为第四类影响。

本发明提供的模拟海底采矿系统采集扰动的试验平台还可根据用户需求来调节采集扰动强度、脱泥排污量、污水流量等参数，以用于试验对比。

Claims (9)

1.一种基于试验平台测试海底采矿系统采集排放对水底环境影响程度的模拟测试方法，其特征在于，所述试验平台包括供水装置和模拟装置，所述供水装置通过连接管道向所述模拟装置供水，所述连接管道上安装有参数测量装置，所述模拟装置包括模拟出水器和模拟状态演示容器，所述模拟出水器上安装有污水排放口和高压水射流喷射口，所述模拟状态演示容器上安装有污泥浓度监测仪和图像采集设备，所述试验平台通过所述污泥浓度监测仪和图像采集设备采集的数据进行处理分析并输出模拟海底采矿系统作业的数据反馈结果；

所述模拟测试方法包括以下步骤：

通过供水装置向所述模拟装置供水；

通过参数测量装置测量向所述模拟装置供水的污水流量Q；

通过所述模拟状态演示容器上安装的污泥浓度监测仪模拟测量水体的污泥浓度值c；

通过调控所述模拟出水器选择性切换污水排放工况和/或高压水射流喷射工况，分别根据以下三种情形判断海底采矿系统采集排放对水底环境影响程度；

1）当在污水排放工况时，根据下式计算污泥排放量S，并根据污泥排放量的测量结果分级确定污水排放工况时水底环境影响程度：

式中：

；

当污泥排放量S≤9.86t，排出污泥量较少，对水底环境影响较轻；

当污泥排放量9.86t <S<39.22t，排出污泥量中等，对水底环境影响较重；

当污泥排放量39.22t≤S≤93.20t，排出污泥量较多，对水底环境影响严重；

当污泥排放量S＞93.20t，排出污泥量非常多，对水底环境影响非常严重；

（2）当在高压水射流喷射工况时，通过测定模拟出水器的喷嘴装置的长度作为采集宽度d，测定模拟出水器在可移动支撑架上的行走速度v，测定模拟状态演示容器中底质淤泥的扰动深度h，根据下式计算冲击扰动的底质淤泥量M，并根据冲击扰动的底质淤泥量结果分级确定污水排放工况时水底环境影响程度：

式中：ρ ₁为海底底质淤泥的密度，d-采集宽度；v-行走速度，h-扰动深度；t-冲击时间；

冲击扰动的底质淤泥量M≤4384.8 t，对底质扰动强度较轻，对水底环境影响较轻；

冲击扰动的底质淤泥量4384.8 t <M<7830t，对底质扰动强度中度，对水底环境影响中度；

冲击扰动的底质淤泥量7830 t≤M≤17121.6t，对底质扰动强度严重，对水底环境影响较重；

冲击扰动的底质淤泥量M＞17121.6t，对底质扰动强度非常严重，对水底环境影响非常严重。

2.根据权利要求1所述的模拟测试方法，其特征在于，所述模拟出水器上同时安装有污水排放口和高压水射流喷射口，所述模拟状态演示容器上安装有污泥浓度监测仪和图像采集设备；所述供水装置包括一通过连接管道向所述模拟装置供水的污水蓄水池，所述污水蓄水池中设有潜水排污泵。

3.根据权利要求2所述的模拟测试方法，其特征在于，所述模拟出水器包括进水管组件、出水头和支撑杆件，所述进水管组件连接在所述支撑杆件上，所述进水管组件与所述出水头相连通；所述出水头内设有模拟腔，所述模拟腔同时开设有所述的污水排放口和高压水射流喷射口，且所述模拟腔通过污水排放口和高压水射流喷射口的选择性应用实现污水排放工况与高压水射流喷射工况的选择性替换。

4.根据权利要求3所述的模拟测试方法，其特征在于，所述出水头的底部设有与模拟腔连通的喷嘴装置，所述出水头的侧部设有与模拟腔连通的污水排放口，所述喷嘴装置外侧设有一可实现喷嘴装置启闭的可拆卸式喷嘴密封板，所述污水排放口外侧设有一可实现污水排放口启闭的可拆卸式污水排放口密封板。

5.根据权利要求3所述的模拟测试方法，其特征在于，所述进水管组件包括上端进水管和下端过渡管，上端进水管通过接头与下端过渡管连通，下端过渡管通过多个开口连通至所述模拟腔。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的模拟测试方法，其特征在于，所述连接管道包括金属硬管段和输送软管，所述供水装置通过输送软管与金属硬管段连接，所述金属硬管段通过输送软管与所述模拟出水器的进水口连通；所述参数测量装置安装于金属硬管段上，所述参数测量装置包括流量表和压力表。

7.根据权利要求6所述的模拟测试方法，其特征在于，所述金属硬管段上设置有三通管接头，所述三通管接头的进口通过输送软管连接所述供水装置，所述三通管接头的第一出口连通至所述供水装置，所述三通管接头的第二出口通过输送软管连接所述模拟出水器；所述第一出口、第二出口的下游均安设有流量控制阀。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的模拟测试方法，其特征在于，所述模拟出水器固接在一水平移动的可移动支撑架上，所述可移动支撑架安装在所述模拟状态演示容器上；所述模拟出水器还包括一可垂直升降的支撑杆件；所述图像采集设备安装在可移动支撑架上。

9.根据权利要求1所述的模拟测试方法，其特征在于，对获得的污泥排放量S和冲击扰动的底质淤泥量值M进行综合判断，定义综合影响程度为I，具体包括：

式中：α-污水排放影响程度系数；β-高压水射流喷射影响程度系数；

取α=0.9，β=0.1，计算得到在模拟污水排放工况下的污泥排放量和高压水射流喷射冲击的底质淤泥量综合影响结果：

当测量的综合影响程度值I≤447.35t，对水底环境综合影响程度较轻，定义为第一类影响；

当测量的综合影响程度值447.35 t＜I<818.30t，对水底环境综合影响程度中度，定义为第二类影响；

当测量的综合影响程度值818.30 t≤I＜1796.04t，对水底环境综合影响程度严重，定义为第三类影响；

当测量的综合影响程度值I≥1796.04t，对水底环境综合影响程度非常严重，定义为第四类影响。

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