Устройство для повышения продуктивности открытых акваторий морей

Полезная модель относится преимущественно к области марикультуры и может быть использована для поддержания благоприятных условий выращивания ламинарии и других ценных водорослей умеренных широт на шельфе, а также для двустворчатых моллюсков.
Продуктивность водоемов на прямую связана с концентрацией растворенных биогенных элементов, основными из которых лимитирующими первичную продукцию в морях, например, являются фосфор (в виде фосфатов), азот (в виде мочевины, нитритов и нитратов) и кремния (в виде кремниевой кислоты и силикатов) (ссылка: Проект моря. Гидрометеорология и гидрохимия морей. СПб: -Гидрометиздат. 2004. Т. 8. Вып. 2. стр. 103-152). Дальневосточные моря России имеют выраженную сезонную динамику концентрации биогенов в верхнем деятельном слое воды с зимне-весенним максимумом и летним минимумом. Зимой вследствие разрушения вертикальной структурированности водной толщи происходит обогащение верхнего слоя воды биогениами за счет конвекции, сезонных аппвелингов и т.д. Летом, с одной стороны происходит стратификация водной толщи по температуре, и образование пикноклина (жидкого дна), который способствует удерживанию развивающегося фитопланктона в верхнем деятельном слое, а с другой стороны происходит быстрое падение концентрации биогенов выше пикноклина вследствие их потребления этим фитопланктоном в ходе образования первичной продукции и прекращения свободного поступления их из нижележащих слоев. С дальнейшим прогревом воды летом, когда биогенов в деятельном слое становится мало, а через пикноклин их поступление ограничено, цветение водорослей и, следовательно, образование первичной продукции прекращается (Зуенко Ю.И. Элементы структуры вод северо-западной части Японского моря// Изв. ТИНРО. 1998, т 123. с. 262-290; Шунтов В.П. Биология дальневосточных морей России. Владивосток: ТИНРО. 2001, т.1. с. 67-71).
Пикноклин — резкий скачок плотности воды на глубине, расположенный ниже перемешанного слоя. Пикноклин играет важнейшую роль в жизни Мирового океана. В слое скачка плотности (глубина его залегания колеблется от 25 до 100—120 м) вертикальные градиенты плотности могут достигать весьма больших значений, и в этих случаях он играет роль упомянутого «жидкого грунта», на котором могут сосредоточиваться не только планктонные, но и более крупные организмы (https://ru.wikipedia.org/wiki/Пикноклин).
Летняя стратификация водной толщи имеет еще одно негативное последствие при культивировании ламинарии, особенно сильно выраженное в заливе Петра Великого: сильный прогрев поверхностного слоя вплоть до глубин порядка 20-30 м (июль-сентябрь у Южного Приморья). При температурах выше 18 °С ламинария прекращает наращивать биомассу и плохо формирует спороносную ткань (Крупнова Т.Н. 2002 Особенности развития спороносной ткани у ламинарии японской под воздействием изменяющихся условий среды // Известия ТИНРО. т. 130. ч.2. с. 474-482.)
Таким образом, при культивировании ламинарии, в частности в Японском море, существуют следующие основные затруднения: наличие летней стратификации с повышением температур выше оптимальных и конкуренция за ограниченные ресурсы биогенов в деятельном слое с фитопланктоном, который накапливается здесь вследствие стратификации водной толщи и образования пикноклина.
Решить эти проблемы при культивировании ламинарии и увеличить выход товарной продукции возможно с выносом коллекторов для ее выращивания из закрытых мелководных участков побережья на шельф, где температурный режим в течение большего времени остается в благоприятных пределах, а запасы биогенов есть в нижележащих слоях, откуда их можно извлечь.
Предлагаемое устройство предназначено для решения отмеченных выше проблем путем разрушения летнего пикноклина непосредственно в месте расположения установок аквакультуры, вследствие чего, будет обеспечено поступление биогенов в верхий слой водной толщи, прекратится накопление конкурентного (в отношение биогенов) фитопланктона в верхнем деятельном слое моря и, за счет перемешивания водной толщи, будет достигнуто снижение температуры до оптимальных для культивирования ламинарии значений.
Известно устройство для перемешивания слоев воды в водоеме содержащее X-образно соединенные в средней части при помощи шарнира трубы, снабженные выше и ниже шарнира элементами связей жесткости и талреп-домкратом, и имеющее лебедку для перемещения с транспортного средства (п. RU № 2010771, МПК C02F 7/00, опубл. 15.04.1994).
Недостатком данного устройства является то, что оно работает только при буксировке и может перемешивать воду на незначительной глубине.
Известно снабжаемое энергией от волн нагнетательное устройство, предназначенное для размещения в водном пространстве, причем указанное нагнетательное устройство содержит: погружаемый цилиндр, прикрепленный к дну водного пространства; указанный цилиндр имеет отверстие; подводный поплавок, воздействующий на цилиндр; указанный подводный поплавок выполнен так, чтобы удерживать цилиндр в вертикальной ориентации в воде; поверхностный поплавок, выполненный так, что в рабочем состоянии он плавает на поверхности водного пространства или достаточно близко от нее, чтобы перемещаться вверх и вниз в водном пространстве в соответствии с движением волны и с приливно-отливным движением; удлиненный элемент, отходящий вниз от поверхностного поплавка, причем указанный удлиненный элемент входит телескопически в отверстие погружаемого цилиндра, чтобы образовать нагнетательную камеру внутри цилиндра; причем: объем нагнетательной камеры изменяется при движении волны в нагнетательном цикле, чтобы всасывать флюид в нагнетательную камеру при ходе вверх удлиненного элемента и откачивать флюид из нагнетательной камеры при ходе вниз удлиненного элемента (п. RU № 2584743, МПК F03B 13/18, опубл. 20.05.16).
Недостатками этого устройства являются его относительная сложность: наличие подвижных частей, подверженных механическому воздействию, истиранию и ограничение применения, т.к. он предназначен для работы в открытых водоемах с небольшими глубинами - устройство крепится к его дну. В целях марикультуры это устройство может быть использовано только в узкой прибрежной зоне и не применимо для подъема глубинной морской воды с целью обогащения биогенами поверхностных вод.
Известен волновой водоподъемник, включающий водозаборный трубопровод, укрепленный на поплавке. Верхняя часть трубопровода заужена в виде сопла малым диаметром вверх, в широкой части сопла установлен обратный клапан (п. РФ № 2057230, МПК E02B 9/04, опубл. 27.03.1996 г.).
Недостатком такого устройства также является малая эффективность, в виду наличие сопла малого диаметра, снижающего пропускную способность устройства и свободное перемещение всего устройства на волнах, что не дает возможность полностью использовать их энергию для подъема воды из нижележащих слоев.
К недостатку этого и двух других, нижеупомянутых устройств является, то, что наиболее эффективно они могут использовать энергию волн в свободном состоянии (без закрепления якорем), поскольку, в условиях ветрового волнения на якоре устройство будет неизбежно вытянуто в линию и это ограничит амплитуду движения поплавка с рабочей цилиндрической камерой. Без якоря, с другой стороны, эти устройства невозможно удержать в заданной точке хозяйства аквакультуры. Кроме того, данное устройство не разрушает пикноклин, что является особенно актуально при выращивании ламинарии.
Известно устройство для перемешивания и насыщения кислородом воды в водоеме, содержащее ветряной двигатель с установленной на понтоне по его оси вращения вертикальной трубой, нижний конец которой погружен в глубинные слои водоема. Внутренняя полость водовыпускной части трубы имеет переменное сечение с сужением на участке гребня, а выходное отверстие водовыпускной части трубы заглублено под уровень воды водоема. Перекрытие водовыпускной части трубы в зоне минимального сечения, расположенной выше уровня воды водоема, снабжено каналообразующими элементами, соединенными полостью с воздушной средой (п. RU 2050337, МПК C02F 7/00, опубл. 20.12.1995).
Данное устройство достаточно сложно по конструкции, не пригодно для установки на открытых акваториях с сильным ветровым волнением и так же не способно выполнить задачу по разрушению пикноклина.
Прямых аналогов предлагаемого заявителем устройства по совокупности технических признаков в патентной литературе не обнаружено. Однако наиболее близким по функциям к предлагаемому изобретению является «аэратор», использующий для перемешивания водной толщи энергию ветровых волн. Устройство состоит из поплавкового элемента, приспособления для перемешивания воды, которое прикреплено к поплавковому элементу, груза-противовеса и якоря, соединенного с передней частью устройства. Приспособление для перемешивания воды включает емкость-накопитель с бортиками, при этом передняя часть емкости-накопителя снабжена волновым приемником, а в днище емкости-накопителя выполнено отверстие, соединенное гибким патрубком с желаемым горизонтом водной толщи. При волнении вода с поверхности заплескивается в плавающую на поверхности емкость-накопитель по волновому приемнику, через находящийся выше уровня моря бортик и за счет образующейся разности давления поступает по патрубку в нижележащий слой, обогащая его кислородом и способствуя перемешиванию воды по водной толще (А.с. СССР № 1599321 кл. А1, опубл. 15.10.1990, Бюл. № 38).
Недостатком данного устройства является ограничение в его работе по силе волн: при незначительном волнении вода может перестать поступать в накопитель. Кроме того, при работе устройства вода с поверхности поступает лишь в тот слой водной толщи до которого доходит патрубок, а глубина залегания пикноклина в течение теплого времени года постоянно изменяется и появляется риск, что, например, при слишком коротком патрубке устройство не будет способствовать его разрушению и поднятию богатых биогенами глубинных вод, находящихся летом ниже пикноклина, а при слишком длинном патрубке есть риск, что поступающие на глубину поверхностная вода, перемешавшись с глубинной водой и охладившись, не создаст достаточной подъемной силы конвекционного перемешивания для разрушения стратификации водной толщи.
Технической проблемой является обеспечение высокой эффективности гомогенизации заданной водной толщи для повышения продуктивности открытых акваторий морей.
Поставленная техническая проблема решается тем, что в известном устройстве для перемешивания воды в заданной водной толще, использующим энергию ветровых волн, которое содержит поплавковый элемент, груз-противовес, приспособление для перемешивания воды, и якорь, согласно полезной модели, приспособление для перемешивания воды выполнено в виде подвесной конструкции, состоящей из гирлянды чередующихся, соединенных между собой пластиковых элементов в форме архимедова винта, при этом её верхний конец прикреплен к поплавковому элементу, а нижний снабжен грузом-противовесом и прикреплен к якорю, выполненному, в частности, в виде железобетонного блока.
Выполнение приспособления для перемешивания воды в виде подвесной конструкции, состоящей из гирлянды чередующихся, соединенных между собой пластиковых элементов в форме архимедова винта обеспечивает достижение заявленного технического результата - высокую эффективность перемешивания заданной водной толщи.
Чередующиеся пластиковые элементы соединяются между собой такелажными скобами, что позволяет собрать подвесную конструкцию любой необходимой длины непосредственно в месте размещения установок марикультуры. Пластиковые элементы целесообразно изготавливать из полиэтилена или другого пластика с низкой плотностью и устойчивого к коррозии.
Прикрепление верхнего конца подвесной конструкции к поплавковому элементу и снабжение её нижнего конца грузом-противовесом, который прикрепляется к якорю, обеспечивает вертикальное размещение подвесной конструкции в заданной точке акватории при любом волнении моря, вследствие чего, достигается высокая эффективность перемешивания заданной водной толщи.
Масса груза-противовеса, изготовленного, например, из чугуна, подбирается так, чтобы поплавок оставался на поверхности воды, обеспечивал натяжение и возврат всей подвесной конструкции в вертикальное положение. Длина якорного торса, с помощью которого груз-противовес крепится к якорю, подбирается так, чтобы после постановки устройства он обеспечивал свободное движение поплавка по максимальной амплитуде волн в месте его установки.
Использование формы архимедова винта для пластиковых элементов позволяет создать дополнительную жесткость их рабочей плоскости из тонкого пластика, предназначенной для создания турбулентных потоков вокруг гирлянды из этих элементов.
Выполнение пластиковых элементов в гирлянде в форме архимедова винта с правой и левой спиралью поочередно, т.е. с различным направлением закручивания спирали предотвращает вращение и закручивание всей подвесной конструкции при ее вертикальном перемещении в водной толще. Отливка пластиковых элементов подвесной конструкции может осуществляться в формах вокруг осевого металлического или прочного синтетического тросика, снабженного с обоих концов металлическими проушинами для соединения с последующими элементами, что обеспечит дополнительную прочность и долговечность этих элементов.
Изготовление гирлянды подвесной конструкции сборной из набора унифицированных элементов дает возможность составлять гирлянды любой необходимой длины так, чтобы ее нижний конец всегда находился ниже границы пикноклина (на глубине примерно до 60-70 м в условиях Японского моря), для обогащения поверхностного слоя воды биогенными элементами, необходимыми для выращивания марикультуры. Кроме того, это обеспечивает упрощение доставки подвесной конструкции и её установку в заданной точке открытой акватории.
Устройство устанавливается в выбранной точке акватории рядом с коллекторами для выращивания, например, ламинарии, двустворчатых моллюсков и других гидробионтов в поликультуре с ламинарией. На фигуре показано устройство в сборе после закрепления его на дне, которое работает за счет колебания уровня водоема при ветровом волнении.
Устройство для перемешивания воды в заданной водной толще, использующее энергию ветровых волн состоит из поплавкового элемента 1, который размещается на поверхности воды. К нему снизу крепится сборная подвесная конструкция, включающая гирлянду 2, выполненную  в виде чередующихся, соединенных между собой пластиковых элементов 3 в форме архимедова винта, с правой и левой спиралью поочередно. Нижний конец гирлянды 2 снабжают грузом-противовесом 4, также снизу к гирлянде 2 прикрепляют якорный трос 5, при этом другой конец якорного троса 5 присоединяют к якорю 6.
Устройство работает следующим образом: гирлянда 2 сборной подвесной конструкции, состоящая из пластиковых элементов 3 в форме архимедова винта, прикрепленная верхним концом к поплавковому элементу 1, а нижним концом с помощью якорного троса 5 к якорю 6, совершает поступательно-возвратные движения в водной толще вслед за поплавковым элементом 1 на волнах, создавая вокруг себя зону турбулентности. За счет этого происходит перемешивание воды по вертикали, обогащение верхних слоев биогенами и выравнивание температуры по всей зоне перемешивания. Устойчивость пикноклина будет нарушаться, а, следовательно, фитопланктон будет выводиться из фотического слоя и будет создавать меньшую конкуренцию за биогены культивируемым водорослям-макрофитам.
Эффективность данного устройства зависит от шага и высоты спирали пластиковых элементов, создающих турбулентность и повторяемости ветрового волнения в местах постановки предлагаемого устройства. Эффективность также зависит от общего количества подобных устройств, установленных по периметру установок марикультуры.