近年来近海生态环境逐渐恶化,如何改善近海环境成为科学家们研究的热点。海洋人工上升流作为一种地球工程手段,通过放置人工装备,形成自海底到海面的海水流动,把底部富营养盐海水输送到海面的真光层,促进浮游植物和藻类摄入,可有效增加初级生产力、改善近海生态环境并提高海洋碳汇的能力。我国在人工上升流技术的理论和实验等方面取得了一定研究成果,但还未开展过人工上升流应用技术及其在海域试验等方面的研究。在国家重点研发计划“近海生态系统碳汇过程、调控机制及增汇模式”项目(编号:2016YFA0601400)和国家自然科学基金重点项目“人工上升流技术及其对海洋环境作用的基础性研究”(编号:No.51120195001)的资助下,本文对气力提升式人工上升流关键技术进行了研究,针对不同的应用场合,设计了高效率、强可靠的人工上升流装置。最后本文将气力提升式人工上升流技术与我国近海海洋牧场相结合,开展了人工上升流技术在海洋牧场的试验研究。通过试验研究,不仅可以测试人工上升流技术装备在海上应用的可行性,为今后的工程应用提炼技术和经验,同时也能在人工上升流对养殖产品的增产、营养盐移除和海洋碳汇等应用方面进行探索。本文的主要研究内容如下:1.围绕气力提升式人工上升流中羽流调控的问题,本文分别对气幕式和气举式两种气力提升式人工上升流的理论展开了研究,并提出了通过调节注气量或涌升管的布放深度来控制羽流运动的方法。对于气幕式,本文将静止水体中气泡羽流理论拓展到横流中,研究了横流下气泡羽流的分离现象,并推导了其运动轨迹;对于气举式,本文通过能量守衡的方法全面分析气举系统中各部分的能量收支,得到简化后的气举泵提升流量和注气流量之间的关系式,然后还提出了涌升管最优布放深度的计算方法。2.搭建了一套气泡羽流实验装置,并在循环水槽中开展了相关实验,研究横流中气泡羽流的运动特性以及注气流量和横流速度对气泡羽流分离的影响。实验中通过拍摄示踪剂的方法追踪被提升的羽流轨迹,然后将实验结果与理论计算结果对比,验证了气泡羽流理论模型的正确性和适用性。3.为探索气举式人工上升流技术在提升深层海水应用中的可行性,本文在我国东极岛附近海域开展了试验研究,并对改进后的“上刚下柔”、“浅层注气”式气举上升流装置在海上的工程可靠性进行了验证。此外,本文还利用海试数据和以前的湖试数据,深入研究了不同工程参数(管径、布放深度)和注气方式(喷头形状、注气孔径、潜没比)对气举式人工上升流提升效率的影响。4.为探索气幕式人工上升流技术在近海海域的应用前景,本文将气幕式人工上升流技术与我国近海海洋牧场中藻类(海带)养殖相结合,针对海带生长旺季时营养盐缺乏的问题,设计了基于太阳能浮台原位供能的气幕式人工上升流系统,包括整体方案设计、太阳能供能浮台结构与功能设计以及海上注气系统设计。设计中本文提出了不同的海上注气系统铺设方式,包括海上电缆式、主气管式和单路气管式,并通过海上布放试验对其进行了研究。此外,本文结合气泡羽流理论与近海养殖海域潮流条件,提出了规则半日潮下的高效注气策略以提高气幕式人工上升流的效率。5.最后本文在青岛即墨鳌山湾的海带养殖区开展了气幕式人工上升流试验研究,详细描述了人工上升流试验研究的过程,总结了其中遇到的困难和解决经验,并对不同的注气系统优缺点进行了总结分析并提出优化方法。此外,本文还通过多站点水样采集和物理化学传感器测量的方法,对气幕式人工上升流的效果进行了初步评估,验证了气幕式人工上升流技术应用在海洋牧场中的可行性。气力提升式人工上升流海域试验研究的顺利开展,证明了气力提升式人工上升流应用在近海生态环境工程中的可行性,同时提炼了一定的技术并积累了宝贵的工程经验,为今后开展近海环境改善工程铺平了道路。另外,本文的研究成果在海底资源开采以及湖泊、河道的环境治理等领域同样具有广阔的应用前景。