CN112580270A - 一种海底沙波演变模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海底沙波演变模拟方法，利用国际公开数据库的水深数据和分潮数据，通过建立基于浅水方程的水动力数值模型，获取研究区域的特征水动力参数，并基于特征水动力参数综合垂向二维泥沙地貌模型进行海底沙波特征及活动性的预测，获取特征地貌波长和特征地貌波高，实现目标海域内沙波演变过程的模拟和沙波演变形态的预测，相比较于现有技术，本发明的方法通过多种数值计算相结合的方式，在基础数据较少的情况下，能够更高效率预测海底沙波波长、波高特征，以及模拟海底沙波演变，其模拟的准确度更高，模拟结果更合理，充分利用已有的公开数据库资料，节省时间成本和经济成本，能够为海洋工程基础设施及管线布置提供参考意见。

Description

一种海底沙波演变模拟方法
技术领域
本发明涉及近岸海洋工程动力地质地貌环境的模拟方法，尤其是一种海底沙波演变模拟方法。
背景技术
随着我国对海洋资源的大力开发，海洋工程设施逐渐增多，主要包括结构基础、输油、输气管线、海底电缆等。这些工程设备处于复杂的海洋动力环境中，一旦遭到破坏将会带来巨大的经济损失。除海洋动力环境外，海底地貌也会影响工程设施的安全，尤其是活动性较强的沙波地形，沙波的增长、运移、演变等形态特征的变化可能会造成管线的悬空、掩埋等。
海底沙波地形广泛的存在于全球各水域的浅海陆架范围内，比如欧洲北海、白令海峡、我国南海北部、海南岛西南部海岸处等均有沙波地形的存在。目前对于沙波活动性的研究主要采取长期观测的方式进行，既需要大型、昂贵的观测设施，如多波束测深仪等，又需要进行反复测量，造成时间、经济的双重压力。
另外一种常用的技术手段为直接采用数值方式进行模拟。沙波的演变尺度于水动力的变化尺度相较非常缓慢，沙波区域的空间尺度多为数十公里，为避免边界影响，计算区域需要设置很大范围，造成计算效率非常低。另外，由于海洋环境十分复杂，在计算过程中可能会由于忽略某些物理过程导致不合理的结果产生。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在基础数据较少的情况下，提供一种能够快速预测海底沙波形态特征的高效率方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种海底沙波演变模拟方法，其包 括以下步骤：
S1：确定目标海域，获取目标海域的水深数据和潮流数据，提取调和常数， 并采用所述调和常数设置目标海域的边界条件；
S2：结合目标海域的水深数据和潮流数据，基于浅水方程构建所述目标海 域的水动力数值模型，用所述调和常数驱动所述水动力数值模型，计算获取所 述目标海域的潮流时程曲线；
S3：对所述潮流时程曲线进行傅里叶变换，确定所述目标海域的占主导的 潮流的流速幅值和相位；
S4：结合所述占主导的潮流的流速幅值和相位，设置不同波长地形并对应 构建不同的垂向二维水动力地貌模型，模拟不同波长的沙波演变情况；
S5：分析不同波长地形的演变结果，得到所述目标海域的特征地貌波长和 特征地貌波高，模拟出所述目标海域的沙波形态。
进一步地，S1中所述的目标海域的水深数据是基于国际公开的水深数据库ETOPO1获取的，所述目标海域的调和常数是根据国际公开的潮汐数据库FES2012进行插值获取。
进一步地，S2中计算所述目标海域的潮流时程曲线的方法为：浅水方程采用有限差分方式进行空间离散，并采用交替方向隐式求解浅水方程。
进一步地，S4中设置的不同沙波波长的地形，沙波均为微小振幅。
进一步地，S4中所述特征地貌波长为所有不同沙波波长地形的演变结果中增长率最大的。
进一步地，S4中所述特征地貌波高是通过特征地貌波长地形进行长时间的地形演变计算，得到的平衡状态波高。
本发明的技术效果在于：本发明的一种海底沙波演变模拟方法，利用国际公开数据库ETOPO1水深数据库、FES2012分潮数据库的数据资料，获取目标海域的水深数据和潮流数据，ETOPO1水深数据库和FES2012分潮数据库的精度满足目标海域内水动力参数化，通过建立基于浅水方程的水动力数值模型，获取研究区域的特征水动力参数，并基于特征水动力参数综合垂向二维泥沙地貌模型进行海底沙波特征及活动性的预测，获取特征地貌波长和特征地貌波高，实现目标海域内沙波演变过程的模拟和沙波演变形态的预测，相比较于现有技术，本发明的方法通过多种数值计算相结合的方式，在基础数据较少的情况下，能够更高效率预测海底沙波波长、波高特征，以及模拟海底沙波演变，其模拟的准确度更高，模拟结果更合理，为海洋工程基础设施及管线布置提供参考意见，且本发明的方法充分利用了已有的公开数据库资料，省去了目标海域测绘的步骤，节省时间成本和经济成本。
附图说明
图1是本发明的海底沙波演变模拟方法流程图；
图2是本发明的实施例中目标海域水深地形图；
图3是本发明的实施例中obs2点的平均流速时程图；
图4是本发明的实施例中obs2点主导的潮流的流速振幅-频率图；
图5为本发明的实施例中目标海域沙波增长率与沙波波数关系图；
图6为本发明的实施例中目标海域沙波演变模拟平衡状态时的沙波波高图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
南海北部区域发育有大量的沙波地形地貌，下面以该区域为例，结合附图对本发明的一种海底沙波演变模拟方法作进一步描述。
步骤一：确定目标海域，获取目标海域的水深数据和潮流数据，提取调和常数，并采用调和常数设置目标海域的边界条件。
本实施例中的目标海域的水深数据是基于国际公开的水深数据库ETOPO1获取的，图2是本发明的实施例中目标海域水深地形图，参见图2，确定目标海域的坐标范围为：21°N-24°N，110°E-118°E，在目标海域的范围内划分网格，网格尺寸为0.01°×0.01°，然后导入国际公开的ETOPO1水深数据（分辨率为1/60°×1/60°），将该水深数据插值在划分出的计算网格上，得到目标海域内每一个计算网格内的水深数据。
根据国际公开的潮汐数据库FES2012进行插值获取目标海域的调和常数，并采用调和常数设置目标海域的边界条件。
步骤二：结合目标海域的水深数据和潮流数据，基于浅水方程构建目标海域的水动力数值模型，用调和常数驱动水动力数值模型，计算获取目标海域的潮流时程曲线。
本实施例中计算目标海域的潮流时程曲线的原理为：浅水方程采用有限差分方式进行空间离散，并采用交替方向隐式求解浅水方程。潮汐通常通过调和常数进行推算。本实施例中，构建了目标海域的水动力数值模型，将调和常数输入模型进行驱动，利用模型计算出目标海域的潮流时程曲线。
以目标海域中的观测点obs2点为例，利用构建的水动力数值模型，结合obs2点的水深值，计算得出obs2点内平均流速的时程曲线。图3是本发明的实施例中obs2点的平均流速时程图，obs2点的位置参见图2中的标注。
步骤三：对潮流时程曲线进行傅里叶变换（fft），确定目标海域的占主导的潮流的流速幅值和相位。
根据步骤二中得到的obs2点的潮流时程曲线，通过傅里叶变换计算流速幅值和频率关系，图4是本发明的实施例中obs2点主导的潮流的流速振幅-频率图，分别为u方向上的流速振幅-频率图和v方向上的流速振幅-频率图。
根据图4，通过傅里叶变换（fft），计算得出的u方向上周期为24h的潮流流速为0.21m/s，周期为12h的潮流流速为0.267m/s；v方向的周期为24h的潮流流速为0.147m/s，周期为12h的潮流流速为0.19m/s。
因此此处潮汐类型为不规则半日潮，对比实际在目标海域设置的观测点obs2点的观测结果，通过本发明的方法得到的计算结果与实际情况相符。
步骤四：占主导的潮流的流速幅值和相位，设置不同波长地形并对应构建不同的垂向二维水动力地貌模型，模拟不同波长的沙波演变情况。
具体地，预先设置一系列微小振幅的、不同沙波波长的地形，再根据潮汐类型然后针对每一种波长的地形对应构建一系列的垂向二维水动力地貌模型；
将步骤三中获取的流速幅值和相位作为动力条件分别输入垂向二维水动力地貌模型，该模型采用的控制方程为浅水方程，方程求解方式与前述潮流时程曲线的求解方式相同；泥沙输移分为悬移质输沙和推移质输沙，悬移质输沙基于泥沙浓度的对流扩散方程进行求解，推移质输沙基于van Rijn提出的经验公式求解。获取泥沙输沙率后，根据地形变化的连续性方程（Exner方程）可以求出地貌变化。
步骤五：分析不同波长地形的演变结果，得到目标海域的特征地貌波长和特征地貌波高，模拟出目标海域的沙波形态。
计算目标海域的特征地貌波长和特征地貌波高的方法为：
在计算特征波长时，对所有不同沙波波长地形在两个潮周期内的演变进行 计算；本实施例中，以观测点obs2点的潮流流速数据为例：
周期为24h的潮流流速为：
Figure RE-GDA0002838293160000051
周期为12h的潮流流速为：
Figure RE-GDA0002838293160000052
对所有不同沙波波长地形的演变结果进行比较分析，每一种波长的沙波演变结果均对应一个沙波增长率，将计算结果进行拟合并可以得出沙波增长率与地形波数的关系，如图5所示，图5为本发明的实施例中目标海域沙波增长率与沙波波数关系图，其中特征地貌波长为增长最快的地貌波长，参见图5可知，当初始地形波长为96m时，沙波增长最快、增长率最大，因此在该区域出现的沙波，其波长最有可能在96m左右。
在计算特征波高时，对前述得到的特征地貌波长地形计算长时间的地形演变，图6为本发明的实施例中目标海域沙波演变模拟平衡状态时的沙波波高图，如图6中所示，本实施例中设计了50年、200年和300年的沙波波高演变形态，图中曲线1、曲线2、曲线3和曲线4分别为初始地形、50年演变地形、200年演变地形和300年演变地形，最终得到的平衡状态波高为特征地貌波高，如图6所示，平衡时的波高大约为3.3m。
因此采用本发明的沙波演变模拟方法计算出的该区域最有可能存在的沙波地形特征为波长96m，波高3.3m。与实际在观测点obs2点测得的结果进行比较，结果表明采用本发明的沙波演变模拟方法计算出的特征沙波地形与实际情况基本吻合。
相比较于现有技术，本发明的方法通过多种数值计算相结合的方式，在基础数据较少的情况下，能够更高效率预测海底沙波波长、波高特征，以及模拟海底沙波演变，其模拟的准确度更高，模拟结果更合理，为海洋工程基础设施及管线布置提供参考意见，且本发明的方法充分利用了已有的公开数据库资料，省去了目标海域测绘的步骤，节省时间成本和经济成本。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种海底沙波演变模拟方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1：确定目标海域，获取目标海域的水深数据和潮流数据，提取调和常数，并采用所述调和常数设置目标海域的边界条件；
S2：结合目标海域的水深数据和潮流数据，基于浅水方程构建所述目标海域的水动力数值模型，用所述调和常数驱动所述水动力数值模型，计算获取所述目标海域的潮流时程曲线；
S3：对所述潮流时程曲线进行傅里叶变换，确定所述目标海域的占主导的潮流的流速幅值和相位；
S4：结合所述占主导的潮流的流速幅值和相位，设置不同波长地形并对应构建不同的垂向二维水动力地貌模型，模拟不同波长的沙波演变情况；
S5：分析不同波长地形的演变结果，得到所述目标海域的特征地貌波长和特征地貌波高，模拟出所述目标海域的沙波形态。
2.根据权利要求1所述的海底沙波演变模拟方法，其特征在于：S1中所述的目标海域的水深数据是基于国际公开的水深数据库ETOPO1获取的，所述目标海域的调和常数是根据国际公开的潮汐数据库FES2012进行插值获取。
3.根据权利要求1所述的海底沙波演变模拟方法，其特征在于：S4中设置的不同沙波波长的地形，沙波均为微小振幅。
4.根据权利要求1所述的海底沙波演变模拟方法，其特征在于：S4中所述特征地貌波长为所有不同沙波波长地形的演变结果中增长率最大的。
5.根据权利要求4所述的海底沙波演变模拟方法，其特征在于：S4中所述特征地貌波高是通过特征地貌波长地形进行长时间的地形演变计算，得到的平衡状态波高。
6.根据权利要求1所述的海底沙波演变模拟方法，其特征在于：S2中计算所述目标海域的潮流时程曲线的方法为：浅水方程采用有限差分方式进行空间离散，并采用交替方向隐式求解浅水方程。
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