下文的公開內(nèi)容涉及以可控的方式對在較大水體中形成一區(qū)域的有限體積的水的狀態(tài)進行改變。較大水體可以是海洋、大海、湖泊或水壩的一部分。特別地，本公開涉及一種在水域之間實現(xiàn)高效且環(huán)保的水傳輸以及將所傳輸?shù)乃畱?yīng)用于局部冷卻、施肥、增加初級生產(chǎn)和碳封存(sequester)的方法和系統(tǒng)。此外，本公開提供了一種半自動水下航行器/裝置，該半自動水下航行器/裝置能夠根據(jù)輸入或感測到的參數(shù)至少進行航線航行和預(yù)定的水傳輸。

背景技術(shù)：

1、海洋上升流是一種自然過程，該過程將營養(yǎng)豐富的水從較冷的深度帶到較溫暖的海洋表面，從而形成海洋生物進行繁衍所必須的條件。如果沒有該過程，則海藻森林和其他海洋生物將面臨因缺乏營養(yǎng)和過熱而死亡的威脅。然而，相對較暖的水的表面層目前正在加深。在不希望被理論約束的情況下，相對較暖的水層的加深——被認為是由氣候變化驅(qū)動的——正在阻止或至少顯著抑制自然海洋上升流。

2、自20世紀90年代初以來，低位聲學多普勒水流剖面儀(adcp)一直提供全深度水流剖面，并且建立了對上部季節(jié)層以下的深海進行觀測的方法。雖然目前不像氣流那樣容易利用，但對即時可用的水流剖面的需求正在增長，從科學發(fā)現(xiàn)和海上鉆井到用于碳封存和海洋永續(xù)養(yǎng)殖的海洋技術(shù)，所有這些都利用和觀測對海洋食物鏈至關(guān)重要的深水儲存的氧和營養(yǎng)水平。

3、人工上升流是將海水從深海帶至表面的相對較新的技術(shù)發(fā)展。下降流是使水沿相反的方向傳輸。為浮游植物、魚類和其他海洋生物提供食物的營養(yǎng)物是從被稱為溫躍層的水層輸送的。如果沒有上升流，則這些營養(yǎng)物將仍無法被依賴于這些營養(yǎng)物的海洋生命形式獲取。相反，下降流將溶解的氧帶到深海層，在該深海層處，氧被腐爛物質(zhì)消耗。在某些情況下，需要下降流，從而例如使密度較高的物質(zhì)下沉至密度較低的區(qū)域。

4、人工上升流或?qū)⑺畯妮^低海拔傳輸?shù)捷^高海拔的最新方法涉及空氣提升泵。這些泵是由壓縮空氣驅(qū)動的，可以使用太陽能或風能來產(chǎn)生壓縮空氣。然而，提高這些泵的提升能量效率仍然是持續(xù)的挑戰(zhàn)。替代性地，可以采用其他類型的風驅(qū)動和波浪驅(qū)動的泵來產(chǎn)生人工上升流運動。當前的技術(shù)提供剛性泵結(jié)構(gòu)和撓性泵結(jié)構(gòu)。相對于可獲得的生產(chǎn)力改進而言，構(gòu)造剛性結(jié)構(gòu)往往非常昂貴，而軟管泵僅用于自由漂移應(yīng)用，而不是栓系應(yīng)用。此外，長期來看，環(huán)境影響在很大程度上仍是未知的，并且在上述兩種設(shè)計的目前形式下，上述兩種設(shè)計均不包括環(huán)境緩解策略。用于海洋數(shù)據(jù)收集的數(shù)據(jù)浮標和自動水下航行器(auv)越來越多地被部署成用于研究不同的海洋現(xiàn)象，比如石油泄漏測繪(kinsey等人，2011)、有害藻華(das等人，2010)、浮游植物和浮游動物群落(kalmbach等人，2017)和珊瑚白化(manderson等人，2017)。這些auv可以被分為兩類：1)螺旋槳驅(qū)動式航行器，例如dorado級，該螺旋槳驅(qū)動式航行器可以快速移動并且收集大量傳感器觀測數(shù)據(jù)，但作業(yè)時間被限于數(shù)小時；以及2)最小化致動式航行器，比如漂移器、剖面浮標和滑行器，該最小化致動式航行器移動緩慢，但可以保持作業(yè)達數(shù)十天至數(shù)周。新一代長期自動水下航行器(lrauv)、即tethys結(jié)合了最小化致動式auv和螺旋槳驅(qū)動式auv兩者的優(yōu)點(hobson等人，2012年)。這些lrauv可以快速移動數(shù)百公里，并且可以一次在水中作業(yè)數(shù)周。然而，跨越數(shù)年或甚至數(shù)十年的長期數(shù)據(jù)收集在很大程度上仍是未解決的問題。

5、人工上升流泵(aup)是下述裝置：該裝置重現(xiàn)海洋上升流的自然過程，以恢復(fù)豎向海洋環(huán)流以及將營養(yǎng)物從溫躍層輸送至位于較溫暖營養(yǎng)層中的生命形式。海洋生物包括但不限于浮游植物、海藻和肌肉類生物(muscle)，海洋生物消耗大氣中的碳并結(jié)合營養(yǎng)物來生長，從而同時封存海水和沉積物。

6、典型的aup包括以下連接的元件：

7、·浮動件——在變化的天氣和波浪狀態(tài)下保持裝置浮力的設(shè)備；

8、·上升流用管狀件——用于對水進行容納并且將水從目標深度輸送至海面的管道；

9、·單向閥，該單向閥通過在aup隨波浪下降時打開并且在aup隨波浪上升時關(guān)閉而操作成防止水通過上升流用管狀件反向流動；以及

10、·入口，該入口與管狀件的下端部相關(guān)聯(lián)并且對閥進行容置。

11、aup可以是錨固的，也可以是自由漂移的。錨固的aup被固定在一位置中，并且可以用于諸如輸送冷水以對珊瑚礁環(huán)境進行冷卻或為海洋永續(xù)養(yǎng)殖場提供營養(yǎng)物等的應(yīng)用。另一方面，自由漂移的aup表現(xiàn)得像海洋中的衛(wèi)星：這些自由漂移的aup穿越廣闊的深海區(qū)域，并且被這些自由漂移的aup部署于其中的水流所約束。自由漂移的aup被構(gòu)造成從特定海洋區(qū)域的中層(mesopelagic)內(nèi)的目標深度泵送水，在該中層處發(fā)現(xiàn)有促進浮游植物生長所需的營養(yǎng)物。

12、上升流用管狀件及其支撐結(jié)構(gòu)——包括浮動件——被制造成達到總目標深度，迫使水從該總目標深度在人工上升流中向上。

13、aup——無論是錨固的還是自由漂移的——的效率都是按照所實現(xiàn)的上升流速率相對于aup生產(chǎn)成本來測量的。

14、對于人工上升流裝置及其應(yīng)用的示例，可以參考專利申請公布us2005155922、us2021301800、us2010300560和wo2021/168125a1。

15、下降流泵以與上升流泵類似的方式進行操作。止回閥不與設(shè)備的管狀件的底端相關(guān)聯(lián)，而是朝向頂端安裝的，從而在管狀件下沉且變得被浸沒時關(guān)閉，并且在頂端露出水面時打開，使得管狀件內(nèi)的水從底端排出。

16、前述對本公開的背景的討論旨在便于理解本文所述的解決方案。然而，應(yīng)當理解的是，該討論并非承認或認可所提及的材料中的任何材料在本技術(shù)的優(yōu)先權(quán)日時是該領(lǐng)域的公知常識的一部分，無論是在澳大利亞還是在世界其他地方都是如此。

17、此外，除非上下文另有明確要求，否則在整個說明書和權(quán)利要求書中，用語“包括”、“包含”等應(yīng)當以“包括但不限于”的包容性含義來解釋，而不是以“僅包括該內(nèi)容但排出其他可能”的排他性或窮盡性含義來解釋。

18、本公開的目的在于至少在一定程度上緩解本領(lǐng)域中的上述缺點中的一些缺點。

19、目的在于提供一種將通過上升流和/或下降流的水傳輸與數(shù)據(jù)捕獲相結(jié)合的裝置。

20、另一目的在于提供一種上升流或下降流裝置，該裝置是計算機操作的，并且該裝置的操作能夠通過陸上指令、傳入的感測數(shù)據(jù)和算法的組合進行編程，所述算法包括但不限于通過人工智能(ai)生成的算法。

21、另外的目的在于在上升流/下降流裝置的操作中利用一種或更多種形式的可再生能源。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本文公開了能夠進行上升流操作或下降流操作的泵送裝置的實施方式：錨固或栓系式的方案以及自由漂移式的方案。在下文的實施方式中，兩個方案均可以包括內(nèi)嵌數(shù)據(jù)線纜以及遠程控制能力。

2、本公開提出了一種智能且環(huán)保的系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于利用數(shù)據(jù)收集和可編程操作控制以在較大水體中的不同高度處的區(qū)域之間豎向地輸送水。為方便起見，當提及人工引起上升流或下降流的水輸送裝置以及數(shù)據(jù)捕獲和智能特征時，將使用術(shù)語“豎向輸送裝置”(縮寫為vtd)。

3、下面公開的vtd可以單獨地或以與其他vtd配合的方式使用，以形成用于藍碳封存、魚類種群補充和近海海洋永續(xù)養(yǎng)殖且同時還支持珊瑚礁冷卻的可擴展解決方案。

4、本文中的公開內(nèi)容利用了vtd，該vtd可以自由漂移，但該vtd的行進方向能夠通過作用于該裝置的結(jié)構(gòu)特征部上的機載計算機來改變。機載計算機可以響應(yīng)于由機載數(shù)據(jù)收集裝置、遠程指令或算法收集的數(shù)據(jù)而起作用。機載計算機的響應(yīng)可以包括以可控的方式實時地對水的上升流速率和下降流速率進行調(diào)節(jié)、預(yù)定操作時段和非操作時段以使環(huán)境效益最大化同時使風險最小化、以及幫助排空該vtd的水柱以進行回收過程。

5、根據(jù)第一公開方面，提供了一種豎向傳輸裝置(vtd)，該vtd能夠被操作成將水從水體中第一深度處的第一水區(qū)域傳輸?shù)剿w中第二深度處的第二水區(qū)域，該vtd包括：

6、a.浮動式上部結(jié)構(gòu)，該上部結(jié)構(gòu)包括計算機、電源、以及操作性互連的一個或更多個數(shù)據(jù)收集裝置，

7、b.水輸送用管狀件，該管狀件具有上端部和下端部，該上端部連接至上部結(jié)構(gòu)，該下端部連接至管道端部部件，該管狀件具有分段式結(jié)構(gòu)，該分段式結(jié)構(gòu)包括中空的、可軸向折疊的多個部段，從而在上部結(jié)構(gòu)與管道端部部件之間建立流體連通，以及

8、c.管道端部部件具有位于第一端部處的開口以及位于第二端部處的開口，該第一端部連接至管狀件的下端部，該第二端部遠離管狀件，第二端部處的開口比第一端部處的開口寬。

9、在實施方式中，管道端部部件的第一端部和第二端部通過具有傾斜部分的側(cè)壁連接，該傾斜部分在所述端部的中間的位置處相對于管道端部部件在第二端部處的縱向軸線形成(subtend)在5°至40°的范圍內(nèi)的傾斜角度。

10、所形成的角度可以在27°至34°的范圍內(nèi)。在一實施方式中，該角度為30°。

11、在實施方式中，當vtd被栓系時，管道端部部件被構(gòu)造成是自定向的，以使得第二端部處的較寬開口自動地定向成面向入射水流。管道端部部件可以被栓系至錨固件。

12、管道端部部件可以限定有彎曲的內(nèi)部流動通道，以用于在使用時使流體穿過該內(nèi)部流動通道。

13、計算機可以被編程為響應(yīng)于由收集裝置收集的數(shù)據(jù)而使vtd進行自主的操作。

14、在實施方式中，數(shù)據(jù)收集裝置包括能夠?qū)εc水狀況有關(guān)的數(shù)據(jù)進行收集的傳感器。

15、優(yōu)選地，計算機被編程為通過對管狀件的長度進行調(diào)節(jié)來使vtd航行。計算機可以替代性地或還可以被編程為通過對管狀件的至少一部分的橫截面輪廓進行調(diào)節(jié)來使vtd航行。

16、在另外的實施方式中，在使用中能夠通過計算機發(fā)出用于使管狀件部段至少部分地折疊的編程指令，而以遠程的方式改變管狀件的長度。

17、在實施方式中，vtd能夠借助于計算機可操作的方向控制表面來航行，該方向控制表面根據(jù)編程指令而在水中或空中部署或定向。

18、在另外的實施方式中，vtd的管狀件部段具有織物壁，并且在制造時數(shù)據(jù)線纜被結(jié)合到該壁中。

19、此外，根據(jù)本公開的方面，vtd包括安裝于上部結(jié)構(gòu)的鳥類檢測系統(tǒng)和包括噴灑器的清潔設(shè)備，鳥類檢測系統(tǒng)被構(gòu)造成：對上部結(jié)構(gòu)上鳥類的存在進行檢測，并且響應(yīng)于上部結(jié)構(gòu)上鳥類的存在而對噴灑器進行致動，以對排泄物進行清潔并促使鳥類遠離vtd。

20、根據(jù)本公開的第二方面，提供了一種自由漂移的豎向傳輸裝置(vtd)，該vtd包括：水用管道，該管道用于將水從水體中的第一區(qū)域傳輸至第二區(qū)域；可遠程控制的閥，該閥以可操作的方式與管道相關(guān)聯(lián)，以對通過管道的水傳輸速率進行調(diào)節(jié)；一個或更多個機載數(shù)據(jù)收集裝置；以及機載計算機，該機載計算機被編程為通過借助于閥對在vtd中通過的水的上升流速率和下降流速率進行調(diào)節(jié)來響應(yīng)于所述裝置收集的數(shù)據(jù)，從而改變vtd的行進方向。

21、在實施方式中，管道包括通過連結(jié)件連接的兩個或更多個部段，連結(jié)件被加重，以在使用中保持該連結(jié)件上方部段的浸沒深度。部段中的至少一些部段可以具有與其相關(guān)聯(lián)的閥。

22、根據(jù)本公開的第三方面，提供了一種海洋碳捕獲的方法，該方法包括：

23、a.提供vtd，該vtd具有浮動式上部結(jié)構(gòu)，該浮動式上部結(jié)構(gòu)對具有可調(diào)節(jié)長度的上升流用管狀件進行支撐；

24、b.將vtd定位在開放水域中；

25、c.對vtd進行操作，以捕獲和/或接收與水體的生物化學以及水流方向和速度有關(guān)的數(shù)據(jù)；

26、d.響應(yīng)于所述數(shù)據(jù)，識別vtd待被重新定位的目標水域；

27、e.對管狀件的長度進行調(diào)節(jié)，從而利用當前水流而使vtd行駛至目標區(qū)域；以及

28、f.從該區(qū)域引起水的上升流，以改變目標區(qū)域中的營養(yǎng)物分布，以及在空氣/水界面處捕獲大氣碳化合物。

29、在實施方式中，vtd的管狀件具有入口端口，喇叭狀輪廓的管道端部部件連接至該入口端口，該管道端部部件具有比管狀件寬的喇叭狀端部。

30、在本公開的第四方面，提供了一種自航行式豎向輸送裝置(vtd)，該vtd能夠被操作成將水從水體中第一深度處的第一水區(qū)域輸送至水體中第二深度處的第二水區(qū)域，該vtd包括：

31、a.浮動式上部結(jié)構(gòu)，該上部結(jié)構(gòu)包括以可操作的方式連接以實現(xiàn)vtd的操作的計算機、電源、數(shù)據(jù)收集裝置和電動馬達，以及

32、b.水輸送用管狀件，該管狀件具有上端部和下端部，該上端部連接至上部結(jié)構(gòu)，該下端部連接至管道端部部件，該管狀件具有分段式結(jié)構(gòu)，該分段式結(jié)構(gòu)包括中空、可軸向折疊且徑向可壓縮的多個部段，從而經(jīng)由管道端部部件而在第一區(qū)域與第二區(qū)域之間建立流體連通，

33、其中，計算機被編程為通過對管狀件的長度進行調(diào)節(jié)來使vtd航行，以到達或避開洋流。

34、在該方面的實施方式中，計算機被編程為通過對管狀件的至少一部分的橫截面輪廓進行調(diào)節(jié)來使vtd進行航行。

35、在本公開的另外方面中，設(shè)想了一種利用可再生能源的vtd在為海洋植物施肥、增加魚類資源、封存碳和捕獲相關(guān)數(shù)據(jù)的方法中的用途，其中，vtd包括可浸沒的水輸送用管狀件，該管狀件以可操作的方式連接至包括可再生能量捕獲裝置的上部結(jié)構(gòu)，并且該方法包括以下步驟：

36、a.將vtd引入水體中，

37、b.通過來自能量捕獲裝置的能量來為vtd提供動力，以將水從所述水體中第一深度處的第一水區(qū)域傳輸至水體中第二深度處的第二水區(qū)域，

38、由此使第二區(qū)域中的營養(yǎng)物含量增加，從而為第二區(qū)域中的初級生產(chǎn)者提供食物，以及促進在所述區(qū)域的空氣/水界面處捕獲大氣碳化合物。

39、vtd的管狀件可以包括遠端的管道端部部件，該管道端部部件被構(gòu)造成在水流中自定向并且具有縱向軸線。

40、在該方面的實施方式中，提供了位于水域中的多個vtd，所述多個vtd由該區(qū)域中的傳感器進行監(jiān)測，該傳感器將數(shù)據(jù)傳輸至遠程計算機，該計算機被編程為使用人工智能來對vtd進行管理，該計算機被編程為通過對該區(qū)域中的單個vtd的至少一個功能進行調(diào)節(jié)來對傳輸至該計算機的數(shù)據(jù)作出響應(yīng)，所述功能涉及平衡能量需求、節(jié)能、漂移規(guī)劃和單個vtd配置。

41、在本公開的另外方面，提供了一種促進海洋生態(tài)系統(tǒng)安全的方法，該方法包括以下步驟:

42、d.以可操作的方式將遠程控制的vtd定位在海洋環(huán)境中，該vtd包括多個數(shù)據(jù)收集裝置，該數(shù)據(jù)收集裝置被安裝vtd上并且被配置成從至少一個外部第三方源接收數(shù)據(jù)；

43、e.對由數(shù)據(jù)收集裝置捕獲的以及從所述至少一個第三方源接收到的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測；以及

44、f.使計算機將智能感測和控制算法應(yīng)用于數(shù)據(jù)并且基于參數(shù)組合對狀態(tài)進行檢測，并且對這些狀態(tài)作出響應(yīng)，以使vtd的操作發(fā)生改變。

45、下文的描述和所附的參考附圖是說明性的，并且不應(yīng)當被解釋為限制性的。對許多具體細節(jié)進行了描述，以提供對當前公開的實施方式的透徹理解。然而，在某些情況下，沒有對公知或常規(guī)的細節(jié)進行描述，以避免使描述模糊。對本公開中的一個實施方式或一實施方式的引用不一定是對同一實施方式的引用；并且這種引用意味著至少一個實施方式。