CN112989681B - 一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析系统和方法 - Google Patents

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CN112989681B CN202110544348.7A CN202110544348A CN112989681B CN 112989681 B CN112989681 B CN 112989681B CN 202110544348 A CN202110544348 A CN 202110544348A CN 112989681 B CN112989681 B CN 112989681B
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Abstract

本申请公开了一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析系统和方法，通过冲淤预测模型构建模块构建待预测海底电缆路由区的海床冲淤预测模型，海床冲淤预测模型包括水动力模型、泥沙输运模型和海床变形模型；通过求解模块对海床冲淤预测模型进行求解，得到待预测海底电缆路由区的海床冲淤深度预测值；通过修正模块修正海床冲淤深度预测值；通过预测模块根据修正后的海床冲淤深度预测值和海底电缆设计埋深值或海底电缆埋深历史检测值，预测未来海底电缆埋深值；通过评估模块根据未来海底电缆埋深值对待预测海底电缆路由区划分冲刷等级，进而评估冲刷风险等级。本申请解决了现有的海床冲淤预测分析方法存在准确性低的技术问题。

Description

一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析系统和方法
技术领域
本申请涉及用于海床冲淤预测分析技术领域，尤其涉及一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析系统和方法。
背景技术
海底电缆与陆地电缆相比，具有许多优越性，其铺设不需要挖坑道或用支架支撑，因而投资少，建设速度快；并且海底电缆大多存在于一定深度的海底，受人类活动影响较少。因此，海底电缆安全性、稳定性较高，抗干扰能力强，保密性好。
为了防止海缆发生局部冲刷，一般采用机械手段在海床上挖壕沟，将海缆人为地埋入海床内，以此来减小波浪或者海流对海缆的影响，但该方法无疑增加了海缆安装的施工难度和预算成本；且实际研究发现，由于海缆所处海洋环境的复杂性，在海流、海床、海缆三者间发生耦合作用，掩埋的海缆容易发生冲刷，不能完全达到防护的目的。
随着海缆在海洋工程中越来越广泛的应用，外界水动力作用下海缆附近海床冲刷、海缆遭受破坏等问题也越来越引起广泛的关注。海缆附近海床在潮流作用下的冲淤平衡过程研究是海缆设计、施工以及预测其在稳定性方面的一项重要工作。对此问题的研究不但为海缆的安全性提供可靠的技术保障，还可以对整个海洋经济的发展起到巨大的推动作用。
海缆周围冲刷作用引起海缆悬空会对海缆的安全稳定运行造成重要的影响，判断海缆路由区的海床冲淤变化趋势，有助于评价海缆的安全性和制定海缆的保护治理方案。而现有的海床冲淤预测分析方法，累积误差较大，且参数率定过程受人为经验影响大，不具备海床冲淤预测结果的自动修正过程，导致预测结果的准确性较低。
发明内容
本申请提供了一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析系统和方法，用于解决现有的海床冲淤预测分析方法存在准确性低的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析系统，包括：
冲淤预测模型构建模块，用于构建待预测海底电缆路由区的海床冲淤预测模型，所述海床冲淤预测模型包括水动力模型、泥沙输运模型和海床变形模型；
求解模块，用于对所述海床冲淤预测模型进行求解，具体的，采用有限单元法对所述水动力模型进行求解，得到水深平均速度；根据所述水深平均速度对所述泥沙输运模型进行求解，得到推移质单宽输沙率；根据所述推移质单宽输沙率对所述海床变形模型进行求解，得到所述待预测海底电缆路由区的海床冲淤深度预测值；
修正模块，用于根据海缆路由区历史海流实测值和地形冲淤幅值对所述海床冲淤深度预测值进行修正，得到修正后的所述海床冲淤深度预测值；
预测模块，用于根据修正后的所述海床冲淤深度预测值和海底电缆埋深参考值，预测所述待预测海底电缆路由区的未来海底电缆埋深值，所述海底电缆埋深参考值为海底电缆设计埋深值或海底电缆埋深历史检测值；
评估模块，用于根据所述未来海底电缆埋深值对所述待预测海底电缆路由区划分冲刷等级，并根据所述待预测海底电缆路由区的所述冲刷等级和持续冲刷等级评估所述待预测海底电缆路由区的冲刷风险等级，所述冲刷等级包括正常、变浅、裸露和悬空，所述持续冲刷等级根据所述待预测海底电缆路由区的水深、泥沙密度、水密度和泥沙中值粒径确定。
可选的，还包括：
可视化模块，用于对所述待预测海底电缆路由区的计算结果进行可视化。
可选的，采用有限单元法对所述水动力模型进行求解，得到水深平均速度，具体包括：
对所述水动力模型进行时间和空间离散处理，得到离散后的所述水动力模型；
忽略离散后的所述水动力模型中的压力梯度项和底坡项进行守恒变量增量求解；
基于离散后的所述水动力模型，考虑底坡项，根据所述守恒变量增量求解得到压力增量，并基于所述压力增量求解得到守恒变量增量的修正量；
结合所述守恒变量增量和所述守恒变量增量的修正量求解离散后的所述水动力模型，得到水深平均速度。
可选的，所述待预测海底电缆路由区的持续冲刷等级的确定过程为：
根据所述待预测海底电缆路由区的水深、泥沙密度、水密度和泥沙中值粒径计算所述待预测海底电缆路由区的起动流速；
比对所述待预测海底电缆路由区的所述起动流速和流速阈值，确定所述待预测海底电缆路由区的持续冲刷等级，所述流速阈值根据所述水深平均速度确定。
本申请第二方面提供了一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析方法，应用于海床冲淤预测分析系统，包括：
通过冲淤预测模型构建模块构建待预测海底电缆路由区的海床冲淤预测模型，所述海床冲淤预测模型包括水动力模型、泥沙输运模型和海床变形模型；
通过求解模块对所述海床冲淤预测模型进行求解，具体的，通过所述求解模块采用有限单元法对所述水动力模型进行求解，得到水深平均速度；通过所述求解模块根据所述水深平均速度对所述泥沙输运模型进行求解，得到推移质单宽输沙率；通过所述求解模块根据所述推移质单宽输沙率对所述海床变形模型进行求解，得到所述待预测海底电缆路由区的海床冲淤深度预测值；
通过修正模块根据海缆路由区历史海流实测值和地形冲淤幅值对所述海床冲淤深度预测值进行修正，得到修正后的所述海床冲淤深度预测值；
通过预测模块根据修正后的所述海床冲淤深度预测值和海底电缆埋深参考值，预测所述待预测海底电缆路由区的未来海底电缆埋深值，所述海底电缆埋深参考值为海底电缆设计埋深值或海底电缆埋深历史检测值；
通过评估模块根据所述未来海底电缆埋深值对所述待预测海底电缆路由区划分冲刷等级，并根据所述待预测海底电缆路由区的所述冲刷等级和持续冲刷等级评估所述待预测海底电缆路由区的冲刷风险等级，所述冲刷等级包括正常、变浅、裸露和悬空，所述持续冲刷等级根据所述待预测海底电缆路由区的水深、泥沙密度、水密度和泥沙中值粒径确定。
可选的，所述方法还包括：
通过可视化模块对所述待预测海底电缆路由区的计算结果进行可视化。
可选的，采用有限单元法对所述水动力模型进行求解，得到水深平均速度，具体包括：
对所述水动力模型进行时间和空间离散处理，得到离散后的所述水动力模型；
忽略离散后的所述水动力模型中的压力梯度项和底坡项进行守恒变量增量求解；
基于离散后的所述水动力模型，考虑底坡项，根据所述守恒变量增量求解得到压力增量，并基于所述压力增量求解得到守恒变量增量的修正量；
结合所述守恒变量增量和所述守恒变量增量的修正量求解离散后的所述水动力模型，得到水深平均速度。
可选的，所述待预测海底电缆路由区的持续冲刷等级的确定过程为：
根据所述待预测海底电缆路由区的水深、泥沙密度、水密度和泥沙中值粒径计算所述待预测海底电缆路由区的起动流速；
比对所述待预测海底电缆路由区的所述起动流速和流速阈值，确定所述待预测海底电缆路由区的持续冲刷等级，所述流速阈值根据所述水深平均速度确定。
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
本申请提供了一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析系统，包括：冲淤预测模型构建模块，用于构建待预测海底电缆路由区的海床冲淤预测模型，海床冲淤预测模型包括水动力模型、泥沙输运模型和海床变形模型；求解模块，用于对海床冲淤预测模型进行求解，具体的，采用有限单元法对水动力模型进行求解，得到水深平均速度；根据水深平均速度对泥沙输运模型进行求解，得到推移质单宽输沙率；根据推移质单宽输沙率对海床变形模型进行求解，得到待预测海底电缆路由区的海床冲淤深度预测值；修正模块，用于根据海缆路由区历史海流实测值和地形冲淤幅值对海床冲淤深度预测值进行修正，得到修正后的海床冲淤深度预测值；预测模块，用于根据修正后的海床冲淤深度预测值和海底电缆埋深参考值，预测待预测海底电缆路由区的未来海底电缆埋深值，海底电缆埋深参考值为海底电缆设计埋深值或海底电缆埋深历史检测值；评估模块，用于根据未来海底电缆埋深值对待预测海底电缆路由区划分冲刷等级，并根据待预测海底电缆路由区的冲刷等级和持续冲刷等级评估待预测海底电缆路由区的冲刷风险等级，冲刷等级包括正常、变浅、裸露和悬空，持续冲刷等级根据待预测海底电缆路由区的水深、泥沙密度、水密度和泥沙中值粒径确定。
本申请中，冲淤预测模型构建模块在建立海床冲淤预测模型时，综合考虑了潮流作用、泥沙输运和海床变形，保证了求解海床冲淤深度预测值的准确性，使其更贴近于实际情况，并且采用了后订正方法，根据海缆路由区历史海流实测值和地形冲淤幅值，修正海床冲淤深度预测值，从而保证了待预测海底电缆路由区的未来海底电缆埋深值的预测准确性，解决了现有的海床冲淤预测分析方法存在准确性低的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例提供的一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析系统的一个结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析方法的一个流程示意图；
图3为本申请提供的评估模块的工作流程示意图；
图4为本实施例提供的某海底电缆路由区的埋深状态列表。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析系统的一个实施例，包括：
冲淤预测模型构建模块，用于构建待预测海底电缆路由区的海床冲淤预测模型，海床冲淤预测模型包括水动力模型、泥沙输运模型和海床变形模型；
求解模块，用于对海床冲淤预测模型进行求解，具体的，采用有限单元法对水动力模型进行求解，得到水深平均速度；根据水深平均速度对泥沙输运模型进行求解，得到推移质单宽输沙率；根据推移质单宽输沙率对海床变形模型进行求解，得到待预测海底电缆路由区的海床冲淤深度预测值；
修正模块，用于根据海缆路由区历史海流实测值和地形冲淤幅值对海床冲淤深度预测值进行修正，得到修正后的海床冲淤深度预测值；
预测模块，用于根据修正后的海床冲淤深度预测值和海底电缆埋深参考值，预测待预测海底电缆路由区的未来海底电缆埋深值，海底电缆埋深参考值为海底电缆设计埋深值或海底电缆埋深历史检测值；
评估模块，用于根据未来海底电缆埋深值对待预测海底电缆路由区划分冲刷等级，并根据待预测海底电缆路由区的冲刷等级和持续冲刷等级评估待预测海底电缆路由区的冲刷风险等级，冲刷等级包括正常、变浅、裸露和悬空，持续冲刷等级根据待预测海底电缆路由区的水深、泥沙密度、水密度和泥沙中值粒径确定。
本申请实施例中，冲淤预测模型构建模块构建待预测海底电缆路由区的海床冲淤预测模型，包括了有限元物理模型的建立、模型导入和模型参数输入等功能。其中，有限元物理模型用于根据海缆所在区域，选定计算区域，并将该区域进行有限元划分，得到节点信息和单元信息等，模型导入功能用于导入模型计算所需要的计算范围、计算单元类型、单元节点的数量和编号、边界节点号和边界类型、各单元水深值等信息文件；参数输入功能用于输入模型计算所需要的参数，包含干湿界面水深、流态类型（层流、湍流）、水深数据、风场信息、边界数据等，可通过直接输入和导入文件两种方式实现。其中，海床冲淤预测模型包括水动力模型、泥沙输运模型和海床变形模型，其中，水动力模型采用非线性浅水方程，具体为：
Figure 938122DEST_PATH_IMAGE001
Figure 855262DEST_PATH_IMAGE002
式中，h为总水深，U=uh为守恒变量，x、y方向的分量分别为
Figure 697316DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 92526DEST_PATH_IMAGE004
，u为水深平 均速度，
Figure 906898DEST_PATH_IMAGE005
为水面水位，Z b 为底床高程，h、Z b 和
Figure 729360DEST_PATH_IMAGE006
满足
Figure 996394DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 257611DEST_PATH_IMAGE008
为水平梯度算子，t为时 间，g为重力加速度，
Figure 926490DEST_PATH_IMAGE009
为黏性项，
Figure 919853DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 674183DEST_PATH_IMAGE011
为底部摩擦项，
Figure 411195DEST_PATH_IMAGE012
，n为糙率，
Figure 934580DEST_PATH_IMAGE013
为科氏力项，满足
Figure 426741DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 668366DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 943490DEST_PATH_IMAGE016
为科氏力系数，
Figure 586961DEST_PATH_IMAGE017
为地球自转频率，
Figure 922127DEST_PATH_IMAGE018
待预测海底电缆路由区的纬 度，
Figure 651049DEST_PATH_IMAGE019
为表面风应力，
Figure 792180DEST_PATH_IMAGE020
为风应力拖曳系数，w为水面上10m处的风速，
Figure 290158DEST_PATH_IMAGE021
为 水密度，
Figure 61805DEST_PATH_IMAGE022
为底坡梯度项，I为单位矩阵。
泥沙输运模型为：
Figure 12443DEST_PATH_IMAGE023
（3）
Figure 894948DEST_PATH_IMAGE024
（4）
Figure 309749DEST_PATH_IMAGE025
（5）
式中，
Figure 252298DEST_PATH_IMAGE026
为推移质单宽输沙率，
Figure 690232DEST_PATH_IMAGE027
为海床床面的沉积物浓度，u为水深平均速 度，
Figure 110849DEST_PATH_IMAGE028
为颗粒的中值粒径，
Figure 583419DEST_PATH_IMAGE029
为推移质层的厚度，T为海床无量纲剩余剪切力，
Figure 759185DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 684416DEST_PATH_IMAGE031
为无量纲粒径，
Figure 908724DEST_PATH_IMAGE032
为泥沙密度，
Figure 970221DEST_PATH_IMAGE021
为水密度，g为重力加速度，
Figure 254572DEST_PATH_IMAGE033
分别为海床面剪切力和临界剪切力。临界剪切力可以表示为：
Figure 667098DEST_PATH_IMAGE034
（6）
Figure 757414DEST_PATH_IMAGE035
（7）
Figure 938997DEST_PATH_IMAGE036
（8）
Figure 128670DEST_PATH_IMAGE037
（9）
式中，
Figure 28493DEST_PATH_IMAGE038
为平面海床面临界剪切力，
Figure 594603DEST_PATH_IMAGE039
为颗粒的休止角，
Figure 958588DEST_PATH_IMAGE040
为颗粒最大的滑 动角，
Figure 319162DEST_PATH_IMAGE041
为推移质顶部速度矢量u与最大滑动角斜率方向的夹角，
Figure 706281DEST_PATH_IMAGE042
为水平面上的 Shields常数，通常取值为0.048，
Figure 76083DEST_PATH_IMAGE043
为水平梯度算子，
Figure 966679DEST_PATH_IMAGE044
为上一个时间步的床面演 变高度。
海床变形模型为：
Figure 826050DEST_PATH_IMAGE045
式中，e为泥沙孔隙率，z为海床高度，t为时间，
Figure 434886DEST_PATH_IMAGE046
为推移质单宽输沙率。
将式（1）、（2）、（3）和（10）联立起来，引入F、G、Q算子，便可得到海床冲淤预测模型：
Figure 608378DEST_PATH_IMAGE047
其中，
Figure 619060DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure 649333DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 745465DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 457069DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 322257DEST_PATH_IMAGE052
S x 、S y 为S的x、y分量，是公式(2)中剩余项的集合，包括底坡 项、风应力项、科氏力等。
求解模块在对水动力模型进行求解时，采用Taylor-Galerkin算法对水动力模型进行离散处理，然后求解得到。具体的，对水动力模型进行时间和空间离散处理，得到离散后的水动力模型；忽略离散后的水动力模型中的压力梯度项和底坡项进行守恒变量增量求解；基于离散后的水动力模型，考虑底坡项，根据守恒变量增量求解得到压力增量，并基于压力增量求解得到守恒变量增量的修正量；结合守恒变量增量和守恒变量增量的修正量求解离散后的水动力模型，得到水深平均速度。具体求解过程如下：
引入波速
Figure 461114DEST_PATH_IMAGE053
，同时定义两个与时间相关的变量
Figure 106859DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure 356575DEST_PATH_IMAGE055
，水动力方程可 以写成如下时间离散格式：
Figure 341848DEST_PATH_IMAGE056
（12）
Figure 651607DEST_PATH_IMAGE057
（13）
式中，
Figure 722331DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 775738DEST_PATH_IMAGE059
的取值范围均为[0,1]，当
Figure 683694DEST_PATH_IMAGE060
且
Figure 164354DEST_PATH_IMAGE061
时， 可以得到半隐式求解格式；当
Figure 456795DEST_PATH_IMAGE062
且
Figure 313892DEST_PATH_IMAGE063
时，可以得到显示求解格式。为 保持式(13)的格式与可压缩流体方程一致，定义
Figure 8179DEST_PATH_IMAGE064
，p为压力项，底坡项
Figure 722057DEST_PATH_IMAGE065
。
记
Figure 767373DEST_PATH_IMAGE066
，
Figure 162583DEST_PATH_IMAGE067
，
Figure 711376DEST_PATH_IMAGE068
，将式(13)写成任意守恒式方程的格式，并沿特 征线展开，可得：
Figure 799417DEST_PATH_IMAGE069
根据投影法原理，将守恒变量的增量
Figure 128768DEST_PATH_IMAGE070
分为两个部分：
Figure 327668DEST_PATH_IMAGE071
（15）
Figure 730967DEST_PATH_IMAGE072
（16）
Figure 989910DEST_PATH_IMAGE073
（17）
该水动力模型的离散主要分为以下三个步骤：首先，忽略压力梯度项和底坡项，显 示地求得中间守恒变量的增量
Figure 744240DEST_PATH_IMAGE074
；在此基础上，显式或半隐式求解得到压力增量
Figure 481251DEST_PATH_IMAGE075
； 最后利用压力方程对速度场进行校正，得到守恒变量增量的修正量
Figure 66954DEST_PATH_IMAGE076
，相加即可得到 了守恒变量增量
Figure 496798DEST_PATH_IMAGE077
。为保证数值求解格式的和谐性，将压力梯度项和底坡项合并至压 力方程中，而非放在第一步中考虑。具体如下：
步骤一：中间守恒变量增量的计算
中间守恒变量增量
Figure 472844DEST_PATH_IMAGE074
通过式(16)计算得到，式(16)中忽略了压力项和底坡项 的影响，采用伽辽金加权余量法对式(16)进行离散：
Figure 13547DEST_PATH_IMAGE078
式中，
Figure 657018DEST_PATH_IMAGE079
为守恒变量在节点处的值，N为针对场U的权函数。
步骤二：压力场的计算
忽略式(17)中的高阶小量，可得到：
Figure 54501DEST_PATH_IMAGE080
（19）
将
Figure 783423DEST_PATH_IMAGE081
代入连续方程式(12)，可得到：
Figure 862237DEST_PATH_IMAGE082
（20）
采用标准伽辽金方法对式(20)进行空间离散，可得：
Figure 360215DEST_PATH_IMAGE083
（21）
式中，
Figure 866282DEST_PATH_IMAGE084
，
Figure 144817DEST_PATH_IMAGE085
，Np为针对压力 场p的权函数，
Figure 27322DEST_PATH_IMAGE086
为节点压力增量。此外，右端项满足：
Figure 379806DEST_PATH_IMAGE087
步骤三：守恒变量增量修正量的计算
将式(17)进行空间离散，可以计算守恒变量增量的修正量
Figure 322354DEST_PATH_IMAGE088
，即：
Figure 760289DEST_PATH_IMAGE089
（23）
对于半隐式求解格式，为了保证计算的稳定性，时间步长需满足如下条件：
Figure 180906DEST_PATH_IMAGE090
其中，L为网格尺寸。
对于显示求解格式，式(18)和式(23)可以合并起来求解速度场增量，而后压力项可以自己根据式(12)计算得到。为确保显示求解格式的稳定性，时间步长需满足如下条件：
Figure 715793DEST_PATH_IMAGE091
本申请实施例中求解水动力模型的有限元格式不需要对底坡项进行复杂的处理 就能保证求解的和谐性。在步骤一中忽略底坡项，在步骤二中将其归并到压力方程中，即式 (20)。在计算式(21)的右端项RHS时，需要选择合适的
Figure 563663DEST_PATH_IMAGE092
的空间离散格式，以保证守恒性。 对于任一个高斯积分点上
Figure 488894DEST_PATH_IMAGE092
的离散格式，有两种可行的表达方式，分别为式(24)和式 (25)：
Figure 713202DEST_PATH_IMAGE093
Figure 40278DEST_PATH_IMAGE094
式中，m为单元节点数，
Figure 386945DEST_PATH_IMAGE095
，
Figure 799472DEST_PATH_IMAGE096
分别为压力p和水深h在节点i处的值。
式(24)给出的计算压力梯度
Figure 561892DEST_PATH_IMAGE097
的方法是直接由节点的压力值
Figure 743474DEST_PATH_IMAGE095
差值计算得 到，对于线性单元而言，该方法实际上是假设了压力分布在一个单元内是呈线性的。不一样 的是，式(25)假设水深h在一个单元是线性分布的。为了使得压力梯度项的表达形式与底坡 项
Figure 261043DEST_PATH_IMAGE098
一致，本申请实施例采用式(25)中的形式计算压力梯度项。底坡项的计 算过程如下：
Figure 160866DEST_PATH_IMAGE099
式中，
Figure 726977DEST_PATH_IMAGE100
为节点i的海床高程值。通过上述一系列求解过程可以得到水深平均速 度u。
和谐性要求指的是计算达到稳定状态时，水面保持静止，即满足如下条件：
Figure 763066DEST_PATH_IMAGE101
且
Figure 389219DEST_PATH_IMAGE102
(27)
式中，C为常数。
和谐性可以根据步骤一道步骤三的计算过程进行验证：
（1）当
Figure 776338DEST_PATH_IMAGE103
时，容易发现步骤一中式(18)的右端项也等于0，因此
Figure 942878DEST_PATH_IMAGE104
；
（2）当海床高程z为定值时，考虑到
Figure 99052DEST_PATH_IMAGE105
，并结合式(25)和式(26)，可以 得到此时步骤二中式(19)的右端项也为0；
（3）根据式(23)可知，守恒变量增量的修正量
Figure 896107DEST_PATH_IMAGE106
；
（4）由于
Figure 504943DEST_PATH_IMAGE107
和
Figure 678435DEST_PATH_IMAGE108
均为0，根据式(15)可知
Figure 751434DEST_PATH_IMAGE109
最终保证
Figure 719390DEST_PATH_IMAGE110
。
水动力模型的数值求解存在两个关键问题，即和谐性和干湿交界面处理的准确性，在限制水深法的基础上采用修正水深梯度的方法来处理干湿界面问题，通过显示或半隐式有限单元法进行求解，保证了数值解在非线性海床上具有和谐性。
在求解模块求解得到水深平均速度u后，根据水深平均速度u对泥沙输运模型进行 求解，即对式(3)进行求解，得到推移质单宽输沙率
Figure 815522DEST_PATH_IMAGE111
；求解模块根据推移质单宽输沙率
Figure 261546DEST_PATH_IMAGE112
对海床变形模型进行求解，得到待预测海底电缆路由区的海床冲淤深度预测值
Figure 392313DEST_PATH_IMAGE113
。 当
Figure 593488DEST_PATH_IMAGE114
为负值时，表示冲刷了
Figure 176916DEST_PATH_IMAGE115
米，当
Figure 426631DEST_PATH_IMAGE113
为正值时，表示淤积了
Figure 411905DEST_PATH_IMAGE116
米。海 底电缆设计埋深值Z 0为已知值，当
Figure 721664DEST_PATH_IMAGE117
时，表示待预测海底电缆路由区的海底电缆悬空； 当
Figure 792388DEST_PATH_IMAGE118
时，表示待预测海底电缆路由区的海底电缆裸露；当
Figure 908111DEST_PATH_IMAGE119
，表示待预测海底 电缆路由区的海底电缆被掩埋覆盖。
其中，求解模块中的模型计算时间、计算时间步、计算结果文件输出路径和输出间隔等通过用户提前输入，在该系统中，可以设置并行计算、并行计算所用节点和线程数量等。
在求解模块对海床冲淤预测模型求解得到海床冲淤深度预测值后，提高提高预测结果的准确性，本申请实施例通过修正模块对海床冲淤深度预测值进行修正。
具体的，考虑用来修正的实测数据类型和监测频次，本申请实施例中的修正模块是分两步进行自动修正，实测数据分别是海缆路由区长期观测的海流数据以及定期检测的地形冲淤幅值。所提到的海流数据和地形冲淤幅值是用来修正海床冲淤深度预测值的初始场，以减小模型计算的累积误差，提高海床冲淤深度预测值的准确度。
第一步，采用海缆路由区历史海流实测值修正求解模块中水动力模型求解得到的 水深平均速度，修正后的水深平均速度为
Figure 747891DEST_PATH_IMAGE120
，u为求解模块求解得到的水 深平均速度，
Figure 228551DEST_PATH_IMAGE121
为水深平均速度修正值，
Figure 520992DEST_PATH_IMAGE122
为观测值与初始值的偏差，
Figure 378090DEST_PATH_IMAGE123
为流速实 测值。
Figure 134693DEST_PATH_IMAGE124
可以通过海缆路由区格点与每个海流实测点之间的权重系数矩阵W 1计算得到。
Figure 786255DEST_PATH_IMAGE125
通过下式进行计算：
Figure 831571DEST_PATH_IMAGE126
（28）
Figure 226780DEST_PATH_IMAGE127
（29）
式中，r为海流实测点与海缆路由区格点间的距离，R为格点的计算半径，为常数。
修正模块将修正后的水深平均速度为
Figure 775573DEST_PATH_IMAGE128
输入到求解模块，使得求解模块根据修 正后的水深平均速度为
Figure 863615DEST_PATH_IMAGE129
求解修正后的推移质单宽输沙率，进而求解得到修正后的海床 冲淤深度预测值。
第二步，当地形冲淤幅值导入到本分析系统中，修正模块采用最小方差估计把每 一个空间点上的初始预测值进行修正，修正后的海床冲淤深度预测值为初始预测值加上修 正值，修正值是由一定范围内多个空间格点上的实测值与初始预测值的偏差加权得到，即 修正后的海床冲淤深度预测值为
Figure 192965DEST_PATH_IMAGE130
，
Figure 126286DEST_PATH_IMAGE113
为海床冲淤深度预测值，
Figure 795165DEST_PATH_IMAGE131
为修正后的海床冲淤深度预测值，
Figure 54108DEST_PATH_IMAGE132
为海床冲淤深度实测值，H为海床冲淤深度预测值Z空间插值到实测数据点的计算值，W 2为权重矩阵。权重矩阵W 2通过下式计算得到：
Figure 542858DEST_PATH_IMAGE134
式中，B为初始预测值误差协方差矩阵，R为实测值误差协方差矩阵。
Figure 545449DEST_PATH_IMAGE136
，D为对角方差阵，对角线元素表示格点方差，C为相关矩阵，每个元素
Figure 131151DEST_PATH_IMAGE137
表示为水平距离的函数，
Figure 295416DEST_PATH_IMAGE139
，
Figure 537042DEST_PATH_IMAGE140
为格点i与格点j之间的空间距 离，L为误差相关尺度，n为格点数。
Figure 77744DEST_PATH_IMAGE142
，
Figure 455636DEST_PATH_IMAGE144
海床冲淤预测分析系统中的有限元物理模型根据海缆位置信息，通过双线性插值 方式获取海缆沿线修正后的海床冲淤深度预测值
Figure 136277DEST_PATH_IMAGE145
，预测模块根据修正后的海床冲淤深 度预测值
Figure 599619DEST_PATH_IMAGE146
和海底电缆埋深参考值，预测待预测海底电缆路由区的未来海底电缆埋深值Z，即：
Figure 944013DEST_PATH_IMAGE147
（31）
式中，Z 1为海底电缆埋深参考值，海底电缆埋深参考值为海底电缆设计埋深值或海底电缆埋深历史检测值。
预测模块将待预测海底电缆路由区的未来海底电缆埋深值输入到评估模块，评估模块根据未来海底电缆埋深值对待预测海底电缆路由区划分冲刷等级，并根据待预测海底电缆路由区的冲刷等级和持续冲刷等级评估待预测海底电缆路由区的冲刷风险等级，冲刷等级包括正常、变浅、裸露和悬空，持续冲刷等级根据待预测海底电缆路由区的水深、泥沙密度、水密度和泥沙中值粒径确定。
具体的，可以参考图3，根据未来海底电缆埋深值Z、用户输入的海底电缆埋深变浅极限值Z 2（一般Z 2默认取值为0.5m），以及该待预测海底电缆路由区的海底电缆直径D，可以对待预测海底电缆路由区划分冲刷等级，冲刷等级包括正常、变浅、裸露和悬空。当Z≤-D时，该待预测海底电缆路由区的冲刷等级为悬空；当-D<Z≤D时，该待预测海底电缆路由区的冲刷等级为裸露；当D<Z≤Z 2时，该待预测海底电缆路由区的冲刷等级为变浅；当Z>Z 2时，该待预测海底电缆路由区的冲刷等级为正常。图4为本申请实施例提供的某一个待预测海底电缆路由区的海底电缆状态表。
评估模块根据待预测海底电缆路由区的冲刷等级和持续冲刷等级评估待预测海底电缆路由区的冲刷风险等级，其中，持续冲刷等级根据待预测海底电缆路由区的水深、泥沙密度、水密度和泥沙中值粒径确定。
作为进一步地改进，待预测海底电缆路由区的持续冲刷等级的确定过程为：
根据待预测海底电缆路由区的水深、泥沙密度、水密度和泥沙中值粒径计算待预测海底电缆路由区的起动流速；比对待预测海底电缆路由区的起动流速和流速阈值，确定待预测海底电缆路由区的持续冲刷等级，流速阈值根据水深平均速度确定。
具体的，评估模块根据待预测海底电缆路由区的表层地质类型和中值粒径等资料，计算待预测海底电缆路由区各点的起动流速，起动流速U c 计算公式为：
Figure 441990DEST_PATH_IMAGE149
（32）
式中，h为水深，
Figure 948058DEST_PATH_IMAGE150
为泥沙中值粒径，
Figure 226593DEST_PATH_IMAGE032
为泥沙密度，
Figure 171415DEST_PATH_IMAGE021
为水密度。
根据上述求解模块得到的待预测海底电缆路由区的水深平均速度u，统计在某个计算时间段内的50%概率的流速特征值u 50%和10%概率的流速特征值u 10%，将u 50%和u 10%作为流速阈值与起动流速U c 做对比：当U c <u 50%，该处的泥沙会发生起动，持续冲刷的可能性高；当u 50%<U c <u 10%，该处的泥沙很容易发生起动，持续冲刷的可能性中等；当U c >u 10%，该处的泥沙不易发生起动，持续冲刷的可能性低。
正常、变浅、裸露和悬空的冲刷等级用D1、D2、D3、D4表示。高、中等、低的持续冲刷等级用C1、C2、C3表示。根据冲刷等级和持续冲刷等级综合评估待预测海底电缆路由区的冲刷风险，具体评估结果如表1所示。
表1
Figure 523899DEST_PATH_IMAGE152
作为进一步地改进，本申请实施例中的系统还包括：
可视化模块，用于对待预测海底电缆路由区的计算结果进行可视化。
可视化模块可以用于显示待预测海底电缆路由区的地形图、潮位云图、流速云图和流场矢量图，亦可显示各计算监控点的潮位、流速和流向等要素随时间变化曲线。
本申请实施例中，冲淤预测模型构建模块在建立海床冲淤预测模型时，综合考虑了潮流作用、泥沙输运和海床变形，保证了求解海床冲淤深度预测值的准确性，使其更贴近于实际情况，并且采用了后订正方法，根据海缆路由区历史海流实测值和地形冲淤幅值，修正海床冲淤深度预测值，从而保证了待预测海底电缆路由区的未来海底电缆埋深值的预测准确性，解决了现有的海床冲淤预测分析方法存在准确性低的技术问题。
以上为本申请提供的一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析系统的一个实施例，以下为本申请提供的一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析方法的一个实施例。
请参阅图2，本申请实施例提供的一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析方法，应用于上述的海床冲淤预测分析系统，包括：
步骤101、通过冲淤预测模型构建模块构建待预测海底电缆路由区的海床冲淤预测模型，海床冲淤预测模型包括水动力模型、泥沙输运模型和海床变形模型。
步骤102、通过求解模块对海床冲淤预测模型进行求解，具体的，通过求解模块采用有限单元法对水动力模型进行求解，得到水深平均速度；通过求解模块根据水深平均速度对泥沙输运模型进行求解，得到推移质单宽输沙率；通过求解模块根据推移质单宽输沙率对海床变形模型进行求解，得到待预测海底电缆路由区的海床冲淤深度预测值。
步骤103、通过修正模块根据海缆路由区历史海流实测值和地形冲淤幅值对海床冲淤深度预测值进行修正，得到修正后的海床冲淤深度预测值。
步骤104、通过预测模块根据修正后的海床冲淤深度预测值和海底电缆埋深参考值，预测待预测海底电缆路由区的未来海底电缆埋深值，海底电缆埋深参考值为海底电缆设计埋深值或海底电缆埋深历史检测值。
步骤105、通过评估模块根据未来海底电缆埋深值对待预测海底电缆路由区划分冲刷等级，并根据待预测海底电缆路由区的冲刷等级和持续冲刷等级评估待预测海底电缆路由区的冲刷风险等级，冲刷等级包括正常、变浅、裸露和悬空，持续冲刷等级根据待预测海底电缆路由区的水深、泥沙密度、水密度和泥沙中值粒径确定。
进一步，还包括：通过可视化模块对待预测海底电缆路由区的计算结果进行可视化。
进一步，采用有限单元法对水动力模型进行求解，得到水深平均速度，具体包括：
对水动力模型进行时间和空间离散处理，得到离散后的水动力模型；忽略离散后的水动力模型中的压力梯度项和底坡项进行守恒变量增量求解；基于离散后的水动力模型，考虑底坡项，根据守恒变量增量求解得到压力增量，并基于压力增量求解得到守恒变量增量的修正量；结合守恒变量增量和守恒变量增量的修正量求解离散后的水动力模型，得到水深平均速度。
进一步，待预测海底电缆路由区的持续冲刷等级的确定过程为：
根据待预测海底电缆路由区的水深、泥沙密度、水密度和泥沙中值粒径计算待预测海底电缆路由区的起动流速；
比对待预测海底电缆路由区的起动流速和流速阈值，确定待预测海底电缆路由区的持续冲刷等级，流速阈值根据水深平均速度确定。
本申请实施例中，冲淤预测模型构建模块在建立海床冲淤预测模型时，综合考虑了潮流作用、泥沙输运和海床变形，保证了求解海床冲淤深度预测值的准确性，使其更贴近于实际情况，并且采用了后订正方法，根据海缆路由区历史海流实测值和地形冲淤幅值，修正海床冲淤深度预测值，从而保证了待预测海底电缆路由区的未来海底电缆埋深值的预测准确性，解决了现有的海床冲淤预测分析方法存在准确性低的技术问题。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析系统，其特征在于，包括：
冲淤预测模型构建模块，用于构建待预测海底电缆路由区的海床冲淤预测模型，所述海床冲淤预测模型包括水动力模型、泥沙输运模型和海床变形模型；
求解模块，用于对所述海床冲淤预测模型进行求解，具体的，采用有限单元法对所述水动力模型进行求解，得到水深平均速度；根据所述水深平均速度对所述泥沙输运模型进行求解，得到推移质单宽输沙率；根据所述推移质单宽输沙率对所述海床变形模型进行求解，得到所述待预测海底电缆路由区的海床冲淤深度预测值；
修正模块，用于根据海缆路由区历史海流实测值和地形冲淤幅值对所述海床冲淤深度预测值进行修正，得到修正后的所述海床冲淤深度预测值；
预测模块，用于根据修正后的所述海床冲淤深度预测值和海底电缆埋深参考值，预测所述待预测海底电缆路由区的未来海底电缆埋深值，所述海底电缆埋深参考值为海底电缆设计埋深值或海底电缆埋深历史检测值；
评估模块，用于根据所述未来海底电缆埋深值对所述待预测海底电缆路由区划分冲刷等级，并根据所述待预测海底电缆路由区的所述冲刷等级和持续冲刷等级评估所述待预测海底电缆路由区的冲刷风险等级，所述冲刷等级包括正常、变浅、裸露和悬空，所述持续冲刷等级根据所述待预测海底电缆路由区的水深、泥沙密度、水密度和泥沙中值粒径确定；
所述冲刷等级的划分方法具体为：
根据未来海底电缆埋深值Z、用户输入的海底电缆埋深变浅极限值Z2，以及所述待预测海底电缆路由区的海底电缆直径D，对所述待预测海底电缆路由区划分冲刷等级；当Z≤-D时，所述待预测海底电缆路由区的冲刷等级为悬空；当-D<Z≤D时，所述待预测海底电缆路由区的冲刷等级为裸露；当D<Z≤Z2时，所述待预测海底电缆路由区的冲刷等级为变浅；当Z>Z2时，所述待预测海底电缆路由区的冲刷等级为正常。
2.根据权利要求1所述的用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析系统，其特征在于，还包括：
可视化模块，用于对所述待预测海底电缆路由区的计算结果进行可视化。
3.根据权利要求1所述的用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析系统，其特征在于，采用有限单元法对所述水动力模型进行求解，得到水深平均速度，具体包括：
对所述水动力模型进行时间和空间离散处理，得到离散后的所述水动力模型；
忽略离散后的所述水动力模型中的压力梯度项和底坡项进行守恒变量增量求解；
基于离散后的所述水动力模型，考虑底坡项，根据所述守恒变量增量求解得到压力增量，并基于所述压力增量求解得到守恒变量增量的修正量；
结合所述守恒变量增量和所述守恒变量增量的修正量求解离散后的所述水动力模型，得到水深平均速度。
4.根据权利要求1所述的用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析系统，其特征在于，所述待预测海底电缆路由区的持续冲刷等级的确定过程为：
根据所述待预测海底电缆路由区的水深、泥沙密度、水密度和泥沙中值粒径计算所述待预测海底电缆路由区的起动流速；
比对所述待预测海底电缆路由区的所述起动流速和流速阈值，确定所述待预测海底电缆路由区的持续冲刷等级，所述流速阈值根据所述水深平均速度确定。
5.一种用于海底电缆路由区的海床冲淤预测分析方法，其特征在于，应用于海床冲淤预测分析系统，包括：
通过冲淤预测模型构建模块构建待预测海底电缆路由区的海床冲淤预测模型，所述海床冲淤预测模型包括水动力模型、泥沙输运模型和海床变形模型；
通过求解模块对所述海床冲淤预测模型进行求解，具体的，通过所述求解模块采用有限单元法对所述水动力模型进行求解，得到水深平均速度；通过所述求解模块根据所述水深平均速度对所述泥沙输运模型进行求解，得到推移质单宽输沙率；通过所述求解模块根据所述推移质单宽输沙率对所述海床变形模型进行求解，得到所述待预测海底电缆路由区的海床冲淤深度预测值；
通过修正模块根据海缆路由区历史海流实测值和地形冲淤幅值对所述海床冲淤深度预测值进行修正，得到修正后的所述海床冲淤深度预测值；
通过预测模块根据修正后的所述海床冲淤深度预测值和海底电缆埋深参考值，预测所述待预测海底电缆路由区的未来海底电缆埋深值，所述海底电缆埋深参考值为海底电缆设计埋深值或海底电缆埋深历史检测值；
通过评估模块根据所述未来海底电缆埋深值对所述待预测海底电缆路由区划分冲刷等级，并根据所述待预测海底电缆路由区的所述冲刷等级和持续冲刷等级评估所述待预测海底电缆路由区的冲刷风险等级，所述冲刷等级包括正常、变浅、裸露和悬空，所述持续冲刷等级根据所述待预测海底电缆路由区的水深、泥沙密度、水密度和泥沙中值粒径确定；
所述冲刷等级的划分方法具体为：
根据未来海底电缆埋深值Z、用户输入的海底电缆埋深变浅极限值Z2，以及所述待预测海底电缆路由区的海底电缆直径D，对所述待预测海底电缆路由区划分冲刷等级；当Z≤-D时，所述待预测海底电缆路由区的冲刷等级为悬空；当-D<Z≤D时，所述待预测海底电缆路由区的冲刷等级为裸露；当D<Z≤Z2时，所述待预测海底电缆路由区的冲刷等级为变浅；当Z>Z2时，所述待预测海底电缆路由区的冲刷等级为正常。
6.根据权利要求5所述的海底电缆路由区的海床冲淤预测分析方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过可视化模块对所述待预测海底电缆路由区的计算结果进行可视化。
7.根据权利要求5所述的海底电缆路由区的海床冲淤预测分析方法，其特征在于，采用有限单元法对所述水动力模型进行求解，得到水深平均速度，具体包括：
对所述水动力模型进行时间和空间离散处理，得到离散后的所述水动力模型；
忽略离散后的所述水动力模型中的压力梯度项和底坡项进行守恒变量增量求解；
基于离散后的所述水动力模型，考虑底坡项，根据所述守恒变量增量求解得到压力增量，并基于所述压力增量求解得到守恒变量增量的修正量；
结合所述守恒变量增量和所述守恒变量增量的修正量求解离散后的所述水动力模型，得到水深平均速度。
8.根据权利要求5所述的海底电缆路由区的海床冲淤预测分析方法，其特征在于，所述待预测海底电缆路由区的持续冲刷等级的确定过程为：
根据所述待预测海底电缆路由区的水深、泥沙密度、水密度和泥沙中值粒径计算所述待预测海底电缆路由区的起动流速；
比对所述待预测海底电缆路由区的所述起动流速和流速阈值，确定所述待预测海底电缆路由区的持续冲刷等级，所述流速阈值根据所述水深平均速度确定。
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