本发明属于海底环境观测和海洋工程地质，涉及一种基于电阻率测量深海采矿羽流浓度的三维分布原位监测装置与监测方法。
背景技术：
1、深海采矿一般深度在4000-6000m水深，具有极端高压、低温、高盐、低溶解氧、暗黑的特点；深海采矿环境影响是制约商业化开采的重要因素。深海采矿羽流是在深海采矿过程中再悬浮沉积物、结核碎屑、生物碎屑在海底的运移沉降，会增加水体中固体悬浮颗粒浓度、改变水体化学性质、影响底栖生物生存环境，对海底生态环境效应有着巨大的影响。因此，必要对深海采矿羽流浓度三维进行实时监测，了解深海采矿羽流扩散运移规律，为深海采矿环境影响评价提供参考。
2、目前对于深海采矿羽流浓度变化监测主要靠声、光、电三方面的技术进行实现，当前光学、声学和电学的方式只能实现羽流浓度的单点监测，单一水平或垂直方向进行监测。上述的方式虽然可以实现采矿羽流浓度变化的实时监测，但其监测位置单一，难以对多角度羽流浓度变化实时监测，获取羽流浓度三维实时变化情况，另外没能建立起采矿羽流浓度变化与测量参数间的定量关系。
3、申请人在先已授权发明专利cn201910826394.9公开了基于自然电位测量的海底边界层原位实时监测装置及方法；该专利中指出的自然电位是指在自然界中两种不同物质在自然电场间的电势差值，它的产生主要由于氧化还原、溶液中阴阳离子的扩散、粘土颗粒表面双电子层扰动等，该专利能够实现电极附近单点的界面和悬沙浓度监测，在原理上无法三维监测。
4、针对当前深海采矿沉积物羽流的监测需求，需要开发悬沙浓度三维扩散高精度监测技术，实现羽流三维扩散的监测。目前现有技术的常规手段均无法实现。
技术实现思路
1、本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种基于电阻率测量的深海采矿羽流浓度的三维分布原位监测装置，利用电阻率测量探杆，实现多角度深海采矿羽流浓度变化实时监测。本发明还包括了利用上述基于电阻率测量的深海采矿羽流浓度的三维分布原位监测装置的监测方法，以实现快速高效的三维检测。
2、具体的，本发明保护基于电阻率测量深海采矿羽流浓度三维分布的原位监测装置，包括采集仓、探杆、电极以及主控装置；所述主控装置与所述电极、采集仓电连接；所述采集仓设于所述探杆的顶部，所述主控装置设于所述采集仓中；所述探杆的纵轴方向设有多个测量层，每个测量层上设有数个电极；每个所述电极的一端电连接所述主控装置，另一端水平延伸至所述探杆的外壁；通过测量各个电极的电压和电流，实现同一层位上距离所述探杆不同位置处的悬浮颗粒浓度值的测量，进而实现羽流浓度三维分布动态变化的监测。
3、本发明利用深海的电阻率测量能够满足当前三维监测的要求，其中电阻率是表征物质导电性的基本参数，实际上就是当电流垂直通过由该物质组成的边长为1m的正方体时的电阻大小，受物质组成、水分含量、盐分含量、温度等多种因素的影响。电阻率测量需要进行供电，供电电压一般几十伏，相较于几个毫伏到几十个毫伏的自然电位，更容易建立相关关系，提高测量的精度。同时随着供电电压的增大，穿透空间同步变大，实现了悬沙浓度的三维监测，因此本技术的检测装置在原理上与背景技术差异显著。
4、优选的，所述电极为全固态参比电极；每个所述测量层上设有八个电极，八个所述电极呈“米”字型分布；所述电极在水平和垂直方向等距离排列。
5、各个电极之间相互是不连接的；本发明采用的观测装置是电阻率测量探杆，其电极为稳定性较高的固态方形参比电极，其导电性能高、使用时不会出现极化现象。电极为水平和垂直等间距排列；测量不同浓度深海采矿羽流对应的电阻率值，通过电阻率值反演羽流浓度。通过本发明的技术方案，能够获得深海采矿羽流浓度三维分布，可实际应用于深海采矿环境监测。
6、更为优选的，所述探杆沿杆体水平及垂直方向等间距分布有数个凹槽；所述电极卡设在所述凹槽上，并通过密封垫或防水胶进行密封固定。
7、进一步的，所述主控装置包括电连接的测量电路、供电装置、电阻率采集仪及数据传输设备；所述供电装置、电阻率采集仪设于所述采集仓中；所述数据传输设备内置于所述电阻率采集仪中；所述探杆为中空杆体，所述测量电路设于所述中空杆体中；所述电阻率采集仪包括数据处理模块和数据存储模块；用于数据的处理和存储；所述电阻率采集仪的输入端通过所述测量电路电性连接所述电极，输出端通过线路连接所述数据传输设备。
8、本发明的电阻率采集仪有自容式模块，即利用程序控制预先设定好采集频率，另外也可远程控制进行实时数据的传输，可以实时设定采集频率。
9、进一步的，本发明的原位监测装置还包括锥尖；所述锥尖设于所述探杆的底部；所述锥尖为合金或不锈钢材质；方便探杆的杆体插入海床；所述探杆为橡胶或塑料材质。
10、进一步的，所述采集仓的顶部还设有挂钩。
11、本发明还保护一种上述原位监测装置的监测方法，包括如下步骤：
12、s1：电阻率值ρ获取：利用探杆通过室内试验获取预监测区清澈海水的电阻率值ρ(s,t,p,0)，式中盐度s、温度t、压力p值均需模拟测试海区真实值，0表示海水应取清澈海水；其中ρ为实时测量介质的电阻率，μ为装置系数，δu为两电极的电压差，i为电极通过的电流，装置系统μ可通过测量标准电阻进行标定；
13、s2：电阻率ρ的变化率k值获取：利用探杆通过室内试验获取预监测区悬浮颗粒物与电阻率的相关关系曲线k(s,t,p,c)，通过该曲线的拟合关系确定k值。k(s,t,p,c)曲线为电阻率ρ在特定盐度s、温度t、压力p随着深海采矿羽流浓度c的变化。；
14、s3：探杆的固定以及监测：将探杆贯入到预监测海床中，使得电极的下端埋藏在海床沉积物中，电极的上端位于水体中；
15、s4：电阻率值的采集：以wenner方法为基础，计算垂直方向探杆上的每个测量点的电阻率值；并以四级法为基础，按照计算同一水平八个测量点的电阻率值；
16、s5：海床界面位置h的计算：基于所述步骤s4测得的电阻率值判断海床界面位置h；
17、s6：深海采矿羽流浓度变化数据获得：根据提前预设的电阻率采集仪的采集频率，重复所述步骤s4和步骤s5，根据长期实时监测数据分析获得海床界面深海采矿产生的羽流浓度变化，即得到一定时间范围内羽流浓度三维分布，通过其浓度三维分布预测一定时间范围内深海采矿羽流运移扩散情况；
18、s7：数据传输：通过数据传输设备将原始采集数据、分析及预测结果发送至外部的平台。
19、进一步的，所述步骤s4中，电阻率值获得的方法为：
20、
21、其中，ρ为实时测量介质电阻率，μ为装置系数，δu为两测量电极电压差，i为供电电极通过的电流；n为测量轮数，m为探杆垂直方向上电极间距，p为垂直方向上探杆电极数量；第一轮测量测量垂直方向上电极间距为x，第二轮测量测量垂直方向上电极间距为2x，……依次类推，第n轮测量测量垂直方向上电极间距为nx，n为大于0的自然数，nx≤p/4，即最大不超过p/4，各垂直方向测量原理相同。
22、进一步的，所述步骤s5中海床界面位置h的计算方法为：判定数值坏点剔除并对空位进行插值，全时刻预处理结果记为m(a)，对于其中某一时刻t的数据预处理结果记为m(t,a)，发生电阻率突变的电极所处位置即海床界面，将该电极记为p-q，q∈1,…,n；n为基于wenner方法的电极数；n为大于0的自然数；p为杆外部电极相对杆中心水平位置值设在某一位置h处电极测得的均值变化量：
23、
24、其中，h＝1，…，n，即h为≥1的自然数；参数d决定了用于求均值的h位置前和h位置后的两部分长度；事先假定d的取值，d为自然数且满足d+1≤h≤n-d+1，当h处于过渡带，即临近海床界面位置时，海水与沉积物的电性差会使jh增大，所以max|jh|所对应的h即为发生突变的电极q，再验证d的取值与q的关系是否满足公式二的要求；
25、
26、当d同时满足公式二时，所得的q值对应的位置即为海床界面位置；如果d不满足公式二的要求，则需要在上述条件下重新假定d的取值，重复上述计算得到q并验证d，直至d满足公式二的要求，此时的q对应的位置即为t时刻的海床界面位置。
27、进一步的，所述步骤s6中，深海采矿羽流浓度变化c采用如下公式计算：
28、
29、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
30、(1)本发明采用的是电阻率测量探杆，其电极为稳定性较高的固态方形参比电极，电极通过水平和垂直两个方向上的等间距排列，先测量得到的海水、沉积物以及悬浮颗粒物浓度对应的电阻率值，通过电阻率值确定海床界面位置，进而获得深海采矿羽流浓度的三维分布变化，操作简单，实用性高。
31、(2)本发明与其他深海采矿羽流浓度监测方法原理不同，克服了现有技术中仅能对单点、单一水平或垂直方向上深海采矿羽流浓度变化进行监测的缺陷，本发明能对深海采矿羽流浓度的三维分布实现实时监测，实现了监测维度的质的提升。
1.基于电阻率测量深海采矿羽流浓度三维分布的原位监测装置，其特征在于，包括采集仓(2)、探杆(4)、电极(3)以及主控装置；所述主控装置与所述电极(3)、采集仓(2)电连接；所述采集仓(2)设于所述探杆(4)的顶部，所述主控装置设于所述采集仓(2)中；
2.根据权利要求1所述的原位监测装置，其特征在于，所述电极(3)为全固态参比电极(3)；每个所述测量层上设有八个电极(3)，八个所述电极(3)呈“米”字型分布；所述电极(3)在水平和垂直方向等距离排列。
3.根据权利要求1所述的原位监测装置，其特征在于，所述探杆(4)沿杆体水平及垂直方向等间距分布有数个凹槽(5)；所述电极(3)卡设在所述凹槽(5)上，并通过密封垫或防水胶进行密封固定。
4.根据权利要求1所述的原位监测装置，其特征在于，所述主控装置包括电连接的测量电路(9)、供电装置(7)、电阻率采集仪(8)及数据传输设备；
5.根据权利要求1所述的原位监测装置，其特征在于，还包括锥尖(6)；所述锥尖(6)设于所述探杆(4)的底部；所述锥尖(6)为合金或不锈钢材质；所述探杆(4)为橡胶或塑料材质。
6.根据权利要求1所述的原位监测装置，其特征在于，所述采集仓(2)的顶部还设有挂钩(1)。
7.一种如权利要求1～6任一项所述原位监测装置的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
8.根据权利要求7的监测方法，其特征在于，所述步骤s4中，电阻率值获得的方法为：
9.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，所述步骤s5中海床界面位置h的计算方法为：t1：判定数值坏点剔除并对空位进行插值，全时刻预处理结果记为m(a)，对于其中某一时刻t的数据预处理结果记为m(t,a)，发生电阻率突变的电极(3)所处位置即海床界面，将该电极(3)记为p-q，q∈n；n为基于wenner方法的电极数，且n为大于0的自然数；p为探杆(4)外侧电极(3)相对探杆(4)中心水平位置值设在某一位置h处电极(3)测得的均值变化量：
10.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，所述步骤s6中，深海采矿羽流浓度变化c采用如下公式计算：
