CN116090168A - 一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法，涉及海缆防冲刷领域，目前冲刷风险分析还不够完善；本发明首先根据海缆铺设海域的工况，建立模型，利用模型预测海缆路径上各点的流速分布；计算海缆路径中各点的挟沙能力；选择合适的非均匀黏性沙起动流速计算公式，得出各点对应的泥沙起动流速；综合海缆路径中各点的含沙量与挟沙能力的对比，模拟流速分布与起动流速之间的对比，确认海缆路径上各点的冲刷或淤积情况；选择各点位进行冲刷深度计算；利用曲线拟合的分段低次插值法进行海缆冲刷深度图的绘制，并且根据特定标准划分出无、低、中、高风险区。本技术方案汇总所有海缆海域的不同风险冲刷区，风险评估更为直观、细致和准确。
Description
技术领域
本发明涉及海缆防冲刷领域，尤其涉及一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法。
背景技术
海底管线运输技术随着海洋工程的发展，常用于电力运输、油气运输等应用。海缆常被埋于海床之下，根据《海底光缆工程设计规范GB/T51154-2015》埋深建议深度为5m～150m水深海域不宜小于3m。但是实际海域中，海缆经常由于极端气候与波流共同作用下，会产生大量的冲刷现象。一般流速过快会引发海床泥沙起动，形成局部冲刷坑；海床系孔隙结构，过快的流速会加速土力结构破坏，引起海缆在深埋坑中震荡，诱发海缆共振，破坏海缆结构。
以往绝大部分研究多利用泥沙起动流速判断泥沙冲刷风险，如公开号为CN114117951A的中国专利，公开了一种基于非均匀沙起动的海底冲刷区确定方法，其还是仅仅通过不同泥沙级配情况下的起动流速与海域流速之间的大小判断，汇总所有存在冲刷的采样点，得出海底冲刷区。但是海洋环境非常复杂，泥沙起动与冲刷主要受水动力条件与泥沙条件所影响。但是仅仅从泥沙起动速度的角度去判断冲刷风险，还是间接证明泥沙收到冲刷作用后的起动问题。并没有直接去探究冲刷深度这个最核心的冲刷风险判断依据。并且泥沙起动速度研究最早源干Einstein在20世纪50年代的研究，国内外许多学者对泥沙起动问题，特别是对细颗粒泥沙和轻质沙的起动问题进行了大量的研究，该专利对于不同粒径的泥沙起动也并未选择其他的起动预测计算公式，只使用了一种公式进行计算。而且该专利并未考虑过各采样点含沙量与挟沙能力。因此依据非均匀沙起动速度的冲刷风险分析还不够完善。
从实际观测角度，风暴潮期间的海域流速、海床地形变化等数据几乎无法准确测量，所以致使绝大多数海床冲刷的专利都是围绕着起动流速判断冲刷风险。
因此，目前针对该领域需要迫切解决的一个技术问题是：在极端海域环境中，寻找相对安全的海缆铺设路径，不仅仅能帮助设计海缆经由最佳路径；施工降低风险，选择低风险区域施工，施工过程中对于中高风险区域进行额外加固；帮助维护部门定位最易悬空的区域，更加高效、精准的完成高风险海缆区域维护。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法，以高效、精准的预测高风险海缆区域目的。为此，本发明采取以下技术方案。
一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法，包括以下步骤：
1)根据海缆铺设海域的工况建立模型，利用模型预测海缆路径上各点的流速分布；所述的工况包括地形、水深、流速、台风路径与最大风速；
2)利用各点的流速分布，再根据目标海域内海缆路径上各点泥沙采样分析所得数据计算海缆路径中各点的挟沙能力；所述数据包括泥沙粒径、粒径级配、含沙量；
3)根据海缆路径上各点的海床泥沙粒径大小，选择合适的非均匀黏性沙起动流速计算公式，得出各点对应的泥沙起动流速；
4)综合海缆路径中各点的含沙量与挟沙能力的对比、模拟流速分布与起动流速之间的对比，确认海缆路径上各点的冲刷、淤积情况；并根据各点的冲刷、淤积情况对海缆路径上对应点进行分类，将点分为冲刷点或淤积点；若是淤积点，则不进行冲刷深度计算，若是冲刷点，则进入下一步；
5)选择冲刷点位进行冲刷深度计算；
6)综合各点的冲刷或淤积深度利用曲线拟合的分段低次插值法进行海缆冲刷深度图的绘制；
7)根据设定标准划分出无风险区、低风险区、中风险区、高风险区。
作为优选技术手段：在步骤1)中，先构建适合于海缆铺设海域的大区域网格点，利用大区域粗网格海洋动力模型建立海缆铺设海域的风暴潮模型，模拟台风暴潮期间的水动力数据，利用嵌套更精确的小网格进行流速模拟；判断数模网格点是否与海缆海域海床泥沙采样点的地理位置相吻合：当海缆海域实地采样点与网格点之间距离为5m之内时，则直接采用网格点的泥沙冲刷厚度计算结果；当海缆海域实地采样点与网格点之间距离大于等于5m，则利用插值方法得出海缆路由附近海域的流速分布。
作为优选技术手段：在步骤2)中，挟沙能力的计算公式为：
其中的ω是泥沙沉速，对于细颗粒泥沙沉速的计算采用
其中γs为泥沙的比重；γ为海域水的比重；v为运动粘滞系数；d为采用采样各点的中值粒径，单位为m；
S为挟沙能力；KL为计算系数；m为计算指数；u为步骤一中的模拟流速；h为实地采样过程中测得的采样点深度，即海缆路由线路上的深度，单位为m。
作为优选技术手段：由于泥沙起动因素包括：水动力条件和泥沙条件；对于非均匀沙有泥沙补给的情况下情况复杂，非均匀沙的挟沙能力需要根据泥沙级配进行调整，由底层到海面表层分为：底层、中间两个过渡层、表面泥沙交换层；底层与过渡层需要进行相应的级配调整，底层的厚度视表面泥沙交换层的冲刷或淤积相应的增减；将挟沙能力转化成分层的整体潮流挟沙能力，之后与后续的悬移质含沙量进行对比，其中分层的整体潮流挟沙能力计算中先根据一般挟沙能力与泥沙级配求得水中各层调整后的泥沙级配；
一般挟沙能力级配计算公式为：
其中：s*为潮流挟沙能力；Pnb为清水条件下的底层泥沙的挟沙能力级配；L为可悬浮泥沙的粒径号；
其中
其中
其中
其中
为潮流分组第n组的挟沙能力，由潮流强度、泥沙级配、悬移，泥沙级配所决定，
Pbn为第n级粒径组所占百分比；u*为摩阻流速，
其中u为海域流速，h为水深，z0为海床面粗糙高度；k为卡曼常数；
根据一般挟沙能力级配计算结果，假定某时，水中各层调整前的级配为
调整后的级配为PLn；该时冲淤厚度设为ΔZb，第L组的泥沙冲淤厚度为ΔZLb；冲刷后，泥沙级配调整为：
淤积情况下，表面泥沙交换层(n＝1)：
过渡层(n＝2，3)：
底层(n＝4)：
冲刷情况下，表面泥沙交换层(n＝1)：PLn＝P′Ln；过渡层(n＝2，3)：
底层(n＝4)：
作为优选技术手段：泥沙冲淤函数φn是反映潮流在泥沙补充条件下的允许挟沙能力，当潮流的挟沙能力小于水中悬移质含沙量时，发生淤积，而在无泥沙补充的条件下，潮流的最大挟沙能力是水中悬移质的含沙量；当步骤1)中的模拟流速u小于该采样点的计算起动流速uc时，
当步骤1)中的模拟流速u大于该采样点的计算起动流速uc时，
其中，uc为采样点的计算起动流速，Pbns为可悬粒径沙所占百分比，
为潮流分组第n组的挟沙能力，由潮流强度、泥沙级配、悬移质泥沙级配所决定，
由悬移质含沙量与潮流挟沙能力的对比，可得悬移质含沙量S大于潮流挟沙能力
时，海床发生淤积；悬移质含沙量S小于潮流挟沙能力
且该采样点模拟流速u大于该采样点计算起动流速uc时，海床发生冲刷。
作为优选技术手段：在步骤3)中，每个点采样均使用激光粒度仪测量湿态和干粉样品的粒度分布；测得的数据包括：粒径范围、比表面积、表面积平均粒径、体积平均粒径、中值粒径d50、所有粒径粒度分布；
对于中值粒径d50小于等于10um的采样点，采用起动流速公式为：
其中
为平均流速对动力流速的比值，用以反映不同粒径颗粒受底部水流作用的大小，h为水深，
式中vb,c为泥沙起动底速，ω1,i为泥沙起动的特征速度；
为无量纲推移质单宽分组输沙率；di为对应流速uc时的起动粒径，
d50为中值粒径；
对于中值粒径d50大于等于10um且小于等于20um的采样点，采用起动流速公式为：
其中k＝2；s为
的比值，ρs和ρ分别为泥沙和水的密度，g为重力加速度，di为对应流速uc时的起动粒径；
对于中值粒径d50大于等于20um且小于等于30um的采样点，采用起动流速公式为：
uc为第k层非均匀沙的起动流速，dk为第k层非均匀沙的平均粒径，dm为粘性沙颗粒直径，δ为泥沙颗粒表面层厚度，h为海缆海域水深，h0为分子引力附加水头，dk为第k粒级平均粒径，dm为泥沙中值粒径，ρs为泥沙密度，ρ为海水密度，ρs'为
′
泥沙干密度，ρs为泥沙稳定干密度，g为重力加速度，σ为泥沙粒径均方差。
作为优选技术手段：在步骤4)中，含沙量采用水样采用横式采样器采取，采用过滤洗盐、烘干称重法分析得到；
当含沙量大于挟沙能力为海床淤积；当含沙量小于挟沙能力且模拟流速大于对应采样点的计算起动流速时为海床冲刷，根据泥沙起动条件下的局部冲刷公式，计算出对应采样点的冲刷深度；
dse为局部冲刷深度，h为初始水深，B为冲刷坑半径。
作为优选技术手段：在步骤7)中，对海缆海域进行实地采样粒度分析与采样水深，计算得出采样点不同级配下的冲刷深度，根据设定标准划分出无风险冲刷区，即冲刷深度小于0.1m的区域；低风险冲刷区，即冲刷深度小于0.2m的区域；中风险冲刷区，即冲刷深度小于0.45m的区域；高风险冲刷区，即冲刷深度小于0.6m的区域，汇总所有海缆海域的不同风险冲刷区。
作为优选技术手段：在步骤1)中，海缆海域大区域的海洋动力模型耦合台风暴潮模型，首先计算出台风气压场然后计算台风梯度风场：台风暴潮区域内气压场模型为P(r)＝P0+(P∞-P0)F(r)
台风梯度风场模型为
台风场模型为
计算最大风速半径为Rmax，Pa为空气密度，f为柯氏力，
为中心维度，V为台风中心移动速度(km/h)，r为计算点到台风中心的距离，P∞为台风外围海面气压，P0为台风中心气压(hpa)。
作为优选技术手段：在步骤6)中，分段低次插值法为在每个子区间上做通过两个端点的线性插值；在给定一组观测数据(xi,yi),i＝0,1,...,n，其中x0,x1,...,xn都不可相同；要求一个分段(共n段)线性函数q(x)，使其满足：q(xi)＝yi,i＝0,1,...,n；根据直线的点斜式方程变形得到q(x)在第i段[xi-1,xi]上的表达式为：
可以利用Mathematica中的插值命令Interpolation[]进行分段线性插值；
f[x_]＝1/(1+x^2)；
n＝Input["n＝"]
d＝Table[{-5+10*(i-1)/n,f[-5+10*(i-1)/n]},{i,1,n+1}]//N；
g＝Interpolation[d,InterpolationOrder→1]
Plot[{f[x],g[x]},{x,-5,5},PlotStyle→{{RGBColor[1,0,0]},{}}]
分段线性插值具有良好的收敛性，即
分段线性插值在计算插值时，只用到前后两个相邻节点的函数值，计算量小、实用性高；分段线性插值法绘制的冲刷深度图，用于冲刷结果判断并作为评价冲刷风险区域的依据。
有益效果：本技术方案针对于不同粒径选择适用的泥沙起动速度计算公式，结合考虑过各采样点含沙量与挟沙能力，计算得出最核心的冲刷风险判断依据：冲刷深度；有效提高非均匀沙起动速度的冲刷风险分析的准确性；有利于在极端海域环境中，寻找相对安全的海缆铺设路径，不仅仅能帮助设计海缆经由最佳路径；施工降低风险，选择低风险区域施工，施工过程中对于中高风险区域进行额外加固；帮助维护部门定位最易悬空的区域，更加高效、精准的完成高风险海缆区域维护。
本发明考虑到水动力条件与泥沙条件的共同作用，再利用冲刷深度预测公式对于冲刷深度进行计算，再结合曲线拟合的分段低次插值法补足海缆路由个采样点之间的冲刷深度，进行整个海缆冲刷深度图的绘制。最后根据特定标准划分出无风险冲刷区，即冲刷深度小于0.1m的区域；低风险冲刷区，即冲刷深度小于0.2m的区域；中风险冲刷区，即冲刷深度小于0.45m的区域；高风险冲刷区，即冲刷深度小于0.6m的区域，汇总所有海缆海域的不同风险冲刷区，风险评估更为直观、细致和准确。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为海缆路由方案位置图；
图3为海缆路径上某点在1918号台风米娜行径路线图；
图4为海缆路径上海床采样位置图；
图5为海缆某点的泥沙采样级配分布图；
图6为利用分段低次插值法拟合83个采样点的深度等高线图；
图7为海缆路径上某点在1918号台风米娜期间的模拟最大冲刷深度等值线图；
图8为海缆路径上某点在1918号台风米娜期间的基于冲刷深度的海缆裸露风险示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
本申请实施例的核心思想在于，提供一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法，首先利用模型预测海缆路径上各点的流速分布；利用各点的流速分布，再计算海缆路径中各点的挟沙能力；再选择合适的非均匀黏性沙起动流速计算公式，得出各点对应的泥沙起动流速；判断海缆路径上各点的冲刷或淤积情况；选择各点位进行冲刷深度计算；综合各点的冲刷或淤积深度利用曲线拟合的分段低次插值法进行海缆冲刷深度图的绘制，并且根据特定标准划分出无风险区、低风险区、中风险区、高风险区。
参照图1为本发明一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法流程图，根据实际1918号台风米娜期间的台风情况说明本发明流程，图2为浙江舟山大衢-嵊泗110kV海缆路由方案位置图，图3为浙江舟山大衢-嵊泗110kV海缆路由路径上某点在1918号台风米娜行径路线图。
本发明实施例具体包括以下步骤：
步骤一：
首先根据海缆铺设海域的海域水文-风力-海床工况，如：水深、观测点流速水位、台风暴路径风速，首先根据海缆铺设海域的数据，先构建海洋动力模型建立海缆铺设海域的风暴潮模型，模拟台风暴潮期间的水动力数据。数模连续方程为：
模型动量方程为：
u,v,w分别为x,y,z方向上的速度分量(m/s)，h为原有海床到海面的水深，η为海面变化高度，D为h+η最终变化后的总水深，ξ为经度，ψ为纬度，
R为6378.137km系地球半径，ρ为水体参考密度，f为柯氏力系数(1/s)，g为重力加速度，vγ为垂向涡粘系数，ρξ,ρψ为静压梯度，Fξ,Fψ为动量通量，P为压强，Mξ,Mψ为外部源汇项对动量的贡献，qin,qout分别为局部源和汇，Ein,Eout分别为降雨的源项和蒸发的汇项。
本数模使用的可以耦合台风暴潮模型，首先计算出台风气压场然后计算台风梯度风场，台风暴潮区域内气压场模型为P(r)＝P0+(P∞-P0)F(r)
台风梯度风场模型为
台风场模型为
计算最大风速半径为Rmax，Pa为空气密度，f为柯氏力，
为中心维度，V为台风中心移动速度(km/h)，r为计算点到台风中心的距离，P∞为台风外围海面气压，P0为台风中心气压(hpa)。
但是数模网格点不一定与海缆海域海床泥沙采样点的地理位置相吻合，如果海缆海域实地采样点与网格点之间距离为5m之内，可以直接采用网格点的泥沙冲刷厚度计算结果；如果海缆海域实地采样点与网格点之间距离大于等于5m，可利用Grid Cell Averaging和Triangular Interpolation插值方法得出海缆路由附近海域的流速分布。
步骤二：
根据目标海域内海缆路径上各点的流速、泥沙粒径、粒径级配、含沙量等数据计算海缆路径中各点的挟沙能力。
其中的ω是泥沙沉速，对于细颗粒泥沙沉速的计算一般采用
其中γs为泥沙的比重，一般取2.59×103kg/m3；γ为海域水的比重，一般取1.006×103kg/m3；v为运动粘滞系数，一般取1.003×10-6m2/s；d为采用采样各点的中值粒径，单位为m。
S为挟沙能力；KL为计算系数，一般可取0.017；m为计算指数，一般可取0.92；u为步骤一中的模拟流速；h为实地采样过程中测得的采样点深度，即海缆路由线路上的深度，单位为m。
但是泥沙起动主要因素有：水动力条件和泥沙条件，对于非均匀沙有泥沙补给的情况下情况非常复杂，所以非均匀沙的挟沙能力需要根据泥沙级配进行调整，一般由底层到海面表层可分为：底层、中间两个过渡层、表面泥沙交换层。通常过渡层厚度不变，底层与过渡层需要进行相应的级配调整，底层的厚度视表面泥沙交换层的冲刷或淤积相应的增减。所以上述一般的挟沙能力要转化成分层的整体潮流挟沙能力，才可以与后续的悬移质含沙量进行对比，其中分层的整体潮流挟沙能力计算中需要先根据一般挟沙能力与泥沙级配求得水中各层调整后的泥沙级配。
一般挟沙能力级配计算有：
其中：s*为潮流挟沙能力；Pnb为清水条件下的底层泥沙的挟沙能力级配；L为可悬浮泥沙的粒径号。
其中
其中
其中
其中
为潮流分组第n组的挟沙能力，由潮流强度、泥沙级配、悬移质泥沙级配所决定，
Pbn为第n级粒径组所占百分比；u*为摩阻流速，
其中u为海域流速，h为水深，z0为海床面粗糙高度；k为卡曼常数，一般取0.4。
知道一般挟沙能力级配计算结果，假定某时，水中各层调整前的级配为
调整后的级配为PLn。该时冲淤厚度设为ΔZb，第L组的泥沙冲淤厚度为ΔZLb。冲刷后，泥沙级配调整为：
淤积情况下，表面泥沙交换层(n＝1)：
过渡层(n＝2，3)：
底层(n＝4)：
冲刷情况下，表面泥沙交换层(n＝1)：PLn＝P′Ln；过渡层(n＝2，3)：
底层(n＝4)：
然后确定泥沙冲淤函数φn是反映潮流在泥沙补充条件下的允许挟沙能力，当潮流的挟沙能力小于水中悬移质含沙量时，发生淤积，而在无泥沙补充的条件下，潮流的最大挟沙能力是水中悬移质的含沙量。当步骤一中的模拟流速u小于该采样点的计算起动流速uc时，
当步骤一中的模拟流速u大于该采样点的计算起动流速uc时，
其中，uc为采样点的计算起动流速，后文会有适用具体采样点的泥沙起动流速计算公式，Pbns为可悬粒径沙所占百分比，
为潮流分组第n组的挟沙能力，由潮流强度、泥沙级配、悬移质泥沙级配所决定，
最后由悬移质含沙量与潮流挟沙能力的对比，可知悬移质含沙量S大于潮流挟沙能力
时，海床发生淤积；悬移质含沙量S小于潮流挟沙能力
且该采样点模拟流速u大于该采样点计算起动流速uc时，海床发生冲刷。
表1海缆路由线路上83个采样点挟沙能力计算表
步骤三：
再据根据海缆路径上各点的海床泥沙粒径大小，选择合适的非均匀黏性沙起动流速计算公式，得出各点对应的泥沙起动流速。如图4海缆路由线路上采样共83个，每个采样均使用激光粒度仪测量湿态和干粉样品的粒度分布。可测得：粒径范围、比表面积、表面积平均粒径、体积平均粒径、中值粒径d50、所有粒径粒度分布等数据。
图5为激光粒度仪测量海缆周围采样的粒度分析，海缆路由路径上某点位于(122°23.7805'，30°33.33653')，水深为24.53m，中值粒径Dm＝12.249μm，泥沙密
度ρs为2.65g/cm3，泥沙干密度ρs'取1.6g/cm3，ρs为泥沙稳定干密度取1.95g/cm3，泥沙粒径均方差σD为42.0μm。
国内外许多学者对泥沙起动进行了大量的研究，特别是对细颗粒泥沙和轻质沙的起动流速研究，非均匀沙起动情况非常复杂。83个采样点中值粒径d50的范围为3～30um。
对于中值粒径d50小于等于10um的采样点，可以采用韩其为的起动流速公式：
其中
为平均流速对动力流速的比值，用以反映不同粒径颗粒受底部水流作用的大小，h为水深，
式中vb,c为泥沙起动底速，ω1,i为泥沙起动的特征速度，一般取值为3.40。
为无量纲推移质单宽分组输沙率；di为对应流速uc时的起动粒径，
一般可取0.288；d50为中值粒径。
对于中值粒径d50大于等于10um且小于等于20um的采样点，可以采用张斌的起动流速公式：
其中k＝2。s为
的比值，ρs和ρ分别为泥沙和水的密度，g为重力加速度，di为对应流速uc时的起动粒径。
对于中值粒径d50大于等于20um且小于等于30um的采样点，可以采用孙志林的起动流速公式：
uc为第k层非均匀沙的起动流速，dk为第k层非均匀沙的平均粒径，dm为粘性沙颗粒直径，δ为泥沙颗粒表面层厚度，取2x10-7m，h为海缆海域水深，h0为分子引力附加水头，dk为第k粒级平均粒径，dm为泥沙中值粒径，ρs为泥沙密度，取
′
1.6t/m3，ρ为海水密度，ρs'为泥沙干密度，取1.65t/m3，ρs为泥沙稳定干密度，取1.7t/m3，g为重力加速度，σ为泥沙粒径均方差；
表2海缆路由线路上83个采样点泥沙起动流速计算表
步骤四：
综合海缆路径中各点的含沙量与挟沙能力的对比，模拟流速分布与起动流速之间的对比，确认海缆路径上各点的冲刷或淤积情况。其中含沙量采用水样采用横式采样器采取，采用过滤洗盐、烘干称重法分析得到。
当含沙量大于挟沙能力为海床淤积；当含沙量小于挟沙能力且模拟流速大于对应采样点的计算起动流速时为海床冲刷。
步骤五：
根据冲刷的点位中值粒径、初始水深、冲刷坑半径一般取5m，根据泥沙起动条件下的局部冲刷公式，计算出对应采样点的冲刷深度。
dse为局部冲刷深度，H为初始水深，B为冲刷坑半径，一般取5m；
表3海缆路由线路上83个采样点冲刷深度计算表
步骤六：
综合各点的冲刷或淤积深度，再利用利用曲线拟合的分段低次插值法进行海缆冲刷深度图的绘制。
表4海缆路由线路上83个采样点经纬度与冲刷深度对照表
可以利用Fit命令构造n次二元拟合多项式，并分别作出它们所对应的三维图形及
其等值线图。
d＝{{30.4759,122.3222,0.32},{30.4760,122.3326,0.446},{30.4751,122.3420,0.431},{30.4752,122.3524,0.487},{30.4842,122.3544,0.633},{30.4840,122.3232,0.337},{30.4931,122.3345,0.321},{30.4922,122.3483,0.122},{30.4982,122.3572,0.204},{30.5010,122.3409,0.189},{30.5094,122.3532,0.052},{30.5104,122.3646,0.397},{30.5104,122.3698,0.127},{30.5212,122.3511,0.087},{30.5212,122.3615,0.124},{30.5213,122.3719,0.092},{30.5213,122.3823,0.118},{30.5286,122.3895,0.109},{30.5287,122.3813,0.23},{30.5321,122.3706,0.346},{30.5375,122.3770,0.182},{30.5376,122.3874,0.117},{30.5376,122.3978,0.109},{30.5471,122.3951,0.311},{30.5481,122.3785,0.435},{30.5556,122.3737,0.398},{30.5556,122.3842,0.168},{30.5556,122.3963,0.137},{30.5557,122.4050,0.405},{30.5656,122.4091,0.359},{30.5655,122.3778,0.3},{30.5736,122.3726,0.266},{30.5736,122.3830,0.304},{30.5736,122.3948,0.434},{30.5737,122.4039,0.369},{30.5818,122.3986,0.342},{30.5816,122.3902,0.376},{30.5817,122.3778,0.31},{30.5888,122.3855,0.368},{30.5890,122.3944,0.397},{30.5972,122.3943,0.419},{30.5944,122.3839,0.156},{30.5979,122.3724,0.095},{30.6069,122.3724,0.388},{30.6070,122.3932,0.435},{30.6161,122.3911,0.373},{30.6160,122.3824,0.383},{30.6160,122.3681,0.278},{30.6159,122.3598,0.675},{30.6240,122.3545,0.695},{30.6242,122.3858,0.206},{30.6331,122.3805,0.219},{30.6331,122.3724,0.433},{30.6331,122.3597,0.538},{30.6329,122.3492,0.639},{30.6420,122.3471,0.199},{30.6422,122.3794,0.173},{30.6512,122.3815,0.162},{30.6511,122.3710,0.471},{30.6511,122.3606,0.368},{30.6510,122.3502,0.371},{30.6601,122.3522,0.379},{30.6601,122.3626,0.378},{30.6602,122.3783,0.377},{30.6691,122.3759,0.377},{30.6692,122.3647,0.382},{30.6691,122.3542,0.132},{30.6781,122.3562,0.124},{30.6782,122.3667,0.38},{30.6845,122.3677,0.12},{30.6890,122.3593,0.378},{30.6962,122.3676,0.376},{30.6891,122.3739,0.379},{30.6782,122.3802,0.124},{30.6818,122.3908,0.201},{30.6927,122.3854,0.375},{30.7008,122.3812,0.372},{30.7045,122.3926,0.375},{30.6963,122.3958,0.37},{30.6851,122.4012,0.377},{30.6889,122.4126,0.121},{30.7000,122.4073,0.464},{30.7081,122.4030,0.378}}；
base＝{1,x,y,x^2,y^2,x^3,y^3}；
f＝Fit[d,base,{x,y}]
Plot3D[f,{x,30,31},{y,122,123}]
ContourPlot[f,{x,30,31},{y,122,123}]
经过n次拟合多项式的拟合，拟合度高达95％，可以用于冲刷结果判断并作为评价冲刷风险区域的依据，其拟合结果为如下函数：
>>
fitresult(x,y)＝8.674×1013-2.01×1012x-2.9×1012y+1.036×1011x2+1.608×1010xy
+4.28×1010y2-3.198×109x3-1.274×108x2y-1.951×108xy2-3.1×108y3-1.589×107x4
+6.819×107x3y-2.465×107x2y2+5.353×106xy3+8.242×105y4-2.551×104x5
+1.617×105x4y-3.596×105x3y2+1.574×105x2y3-3.103×104xy4+401.4y5
图6为利用分段低次插值法拟合83个采样点的深度等高线图，即经度-纬度-冲刷深度的三维拟合等高线图。由表4海缆路由线路上83个采样点经纬度与冲刷深度对照表，可知第5，49，50，55号点为高风险冲刷区；第1，2，3，4，6，7，9，12，19，20，24，25，26，29，30，31，32，33，34，35，36，37，38，39，40，41，44，45，46，，47，48，53，54，60，63，66，69，71，72，73，76，77，78，79，82，82为中风险冲刷区；剩余的为低风险或无风险冲刷区。总体而言，海缆南端大衢附近的海床受风暴潮，其冲刷程度小于海缆北端嵊泗附近的海床。绝大部分高风险冲刷区位于海缆中段，海缆西侧。绝大部分中风险冲刷区在海缆中段偏北，且海缆西侧(面向陆地)的冲刷略大于海缆东侧(面向外海)。
图7为海缆路径上某点在1918号台风米娜期间的模拟最大冲刷深度等值线图，按如上步骤完成所有海缆周围采样点的冲刷深度情况判断，汇总所有海缆周围采样点对比结果，最终制成图8海缆裸露风险分布示意图。
步骤七：
根据特定标准划分出无风险区、低风险区、中风险区、高风险区。根据特定标准划分出无风险冲刷区，即冲刷深度小于0.1m的区域；低风险冲刷区，即冲刷深度小于0.2m的区域；中风险冲刷区，即冲刷深度小于0.45m的区域；高风险冲刷区，即冲刷深度小于0.6m的区域，汇总所有海缆海域的不同风险冲刷区。
以上所示的一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法，其特征在于包括以下步骤：
1)根据海缆铺设海域的工况建立模型，利用模型预测海缆路径上各点的流速分布；所述的工况包括地形、水深、流速、台风路径与最大风速；
2)利用各点的流速分布，再根据目标海域内海缆路径上各点泥沙采样分析所得数据计算海缆路径中各点的挟沙能力；所述数据包括泥沙粒径、粒径级配、含沙量；
3)根据海缆路径上各点的海床泥沙粒径大小，选择合适的非均匀黏性沙起动流速计算公式，得出各点对应的泥沙起动流速；
4)综合海缆路径中各点的含沙量与挟沙能力的对比、模拟流速分布与起动流速之间的对比，确认海缆路径上各点的冲刷、淤积情况；并根据各点的冲刷、淤积情况对海缆路径上对应点进行分类，将点分为冲刷点或淤积点；若是淤积点，则不进行冲刷深度计算，若是冲刷点，则进入下一步；
5)选择冲刷点位进行冲刷深度计算；
6)综合各点的冲刷或淤积深度利用曲线拟合的分段低次插值法进行海缆冲刷深度图的绘制；
7)根据设定标准划分出无风险区、低风险区、中风险区、高风险区。
2.根据权利要求1所述的一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法，其特征在于：在步骤1)中，先构建适合于海缆铺设海域的大区域网格点，利用大区域粗网格海洋动力模型建立海缆铺设海域的风暴潮模型，模拟台风暴潮期间的水动力数据，利用嵌套更精确的小网格进行流速模拟；判断数模网格点是否与海缆海域海床泥沙采样点的地理位置相吻合：当海缆海域实地采样点与网格点之间距离为5m之内时，则直接采用网格点的泥沙冲刷厚度计算结果；当海缆海域实地采样点与网格点之间距离大于等于5m，则利用插值方法得出海缆路由附近海域的流速分布。
3.根据权利要求2所述的一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法，其特征在于：在步骤2)中，挟沙能力的计算公式为：
其中的ω是泥沙沉速，对于细颗粒泥沙沉速的计算采用
其中γs为泥沙的比重；γ为海域水的比重；v为运动粘滞系数；d为采用采样各点的中值粒径，单位为m；
S为挟沙能力；KL为计算系数；m为计算指数；u为步骤一中的模拟流速；h为实地采样过程中测得的采样点深度，即海缆路由线路上的深度，单位为m。
4.根据权利要求3所述的一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法，其特征在于：由于泥沙起动因素包括：水动力条件和泥沙条件；对于非均匀沙有泥沙补给的情况下情况复杂，非均匀沙的挟沙能力需要根据泥沙级配进行调整，由底层到海面表层分为：底层、中间两个过渡层、表面泥沙交换层；底层与过渡层需要进行相应的级配调整，底层的厚度视表面泥沙交换层的冲刷或淤积相应的增减；将挟沙能力转化成分层的整体潮流挟沙能力，之后与后续的悬移质含沙量进行对比，其中分层的整体潮流挟沙能力计算中先根据一般挟沙能力与泥沙级配求得水中各层调整后的泥沙级配；
一般挟沙能力级配计算公式为：
其中：s*为潮流挟沙能力；Pnb为清水条件下的底层泥沙的挟沙能力级配；L为可悬浮泥沙的粒径号；
其中
其中
其中
其中
为潮流分组第n组的挟沙能力，由潮流强度、泥沙级配、悬移，泥沙级配所决定，
Pbn为第n级粒径组所占百分比；u*为摩阻流速，
其中u为海域流速，h为水深，z0为海床面粗糙高度；k为卡曼常数；
根据一般挟沙能力级配计算结果，假定某时，水中各层调整前的级配为
调整后的级配为PLn；该时冲淤厚度设为ΔZb，第L组的泥沙冲淤厚度为ΔZLb；冲刷后，泥沙级配调整为：
淤积情况下，表面泥沙交换层(n＝1)：
过渡层(n＝2，3)：
底层(n＝4)：
冲刷情况下，表面泥沙交换层(n＝1)：PLn＝PL′n；过渡层(n＝2，3)：
底层(n＝4)：
5.根据权利要求4所述的一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法，其特征在于：泥沙冲淤函数φn是反映潮流在泥沙补充条件下的允许挟沙能力，当潮流的挟沙能力小于水中悬移质含沙量时，发生淤积，而在无泥沙补充的条件下，潮流的最大挟沙能力是水中悬移质的含沙量；当步骤1)中的模拟流速u小于该采样点的计算起动流速uc时，
当步骤1)中的模拟流速u大于该采样点的计算起动流速uc时，
其中，uc为采样点的计算起动流速，Pbns为可悬粒径沙所占百分比，
为潮流分组第n组的挟沙能力，由潮流强度、泥沙级配、悬移质泥沙级配所决定，
由悬移质含沙量与潮流挟沙能力的对比，可得悬移质含沙量S大于潮流挟沙能力
时，海床发生淤积；悬移质含沙量S小于潮流挟沙能力
且该采样点模拟流速u大于该采样点计算起动流速uc时，海床发生冲刷。
6.根据权利要求1所述的一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法，其特征在于：
在步骤3)中，每个点采样均使用激光粒度仪测量湿态和干粉样品的粒度分布；测得的数据包括：粒径范围、比表面积、表面积平均粒径、体积平均粒径、中值粒径d50、所有粒径粒度分布；
对于中值粒径d50小于等于10um的采样点，采用起动流速公式为：
其中
为平均流速对动力流速的比值，用以反映不同粒径颗粒受底部水流作用的大小，h为水深，
式中vb,c为泥沙起动底速，ω1,i为泥沙起动的特征速度；λqb,i为无量纲推移质单宽分组输沙率；di为对应流速uc时的起动粒径，
d50为中值粒径；
对于中值粒径d50大于等于10um且小于等于20um的采样点，采用起动流速公式为：
其中k＝2；s为
的比值，ρs和ρ分别为泥沙和水的密度，g为重力加速度，di为对应流速uc时的起动粒径；
对于中值粒径d50大于等于20um且小于等于30um的采样点，采用起动流速公式为：
uc为第k层非均匀沙的起动流速，dk为第k层非均匀沙的平均粒径，dm为粘性沙颗粒直径，δ为泥沙颗粒表面层厚度，h为海缆海域水深，h0为分子引力附加水头，dk为第k粒级平均粒径，dm为泥沙中值粒径，ρs为泥沙密度，ρ为海水密度，ρs'为′
泥沙干密度，ρs为泥沙稳定干密度，g为重力加速度，σ为泥沙粒径均方差。
7.根据权利要求1所述的一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法，其特征在于：在步骤4)中，含沙量采用水样采用横式采样器采取，采用过滤洗盐、烘干称重法分析得到；
当含沙量大于挟沙能力为海床淤积；当含沙量小于挟沙能力且模拟流速大于对应采样点的计算起动流速时为海床冲刷，根据泥沙起动条件下的局部冲刷公式，计算出对应采样点的冲刷深度；
dse为局部冲刷深度，h为初始水深，B为冲刷坑半径。
8.根据权利要求1所述的一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法，其特征在于：在步骤7)中，对海缆海域进行实地采样粒度分析与采样水深，计算得出采样点不同级配下的冲刷深度，根据设定标准划分出无风险冲刷区，即冲刷深度小于0.1m的区域；低风险冲刷区，即冲刷深度小于0.2m的区域；中风险冲刷区，即冲刷深度小于0.45m的区域；高风险冲刷区，即冲刷深度小于0.6m的区域，汇总所有海缆海域的不同风险冲刷区。
9.根据权利要求1所述的一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法，其特征在于：在步骤1)中，海缆海域大区域的海洋动力模型耦合台风暴潮模型，首先计算出台风气压场然后计算台风梯度风场：台风暴潮区域内气压场模型为P(r)＝P0+(P∞-P0)F(r)
台风梯度风场模型为
台风场模型为
计算最大风速半径为Rmax，Pa为空气密度，f为柯氏力，
为中心维度，V为台风中心移动速度(km/h)，r为计算点到台风中心的距离，P∞为台风外围海面气压，P0为台风中心气压(hpa)。
10.根据权利要求1所述的一种基于预测冲刷深度的海缆裸露风险评估方法，其特征在于：在步骤6)中，分段低次插值法为在每个子区间上做通过两个端点的线性插值；在给定一组观测数据(xi,yi),i＝0,1,...,n，其中x0,x1,...,xn都不可相同；要求一个分段(共n段)线性函数q(x)，使其满足：q(xi)＝yi,i＝0,1,...,n；根据直线的点斜式方程变形得到q(x)在第i段[xi-1,xi]上的表达式为：
可以利用Mathematica中的插值命令Interpolation[]进行分段线性插值；
f[x_]＝1/(1+x^2)；
n＝Input["n＝"]
d＝Table[{-5+10*(i-1)/n,f[-5+10*(i-1)/n]},{i,1,n+1}]//N；
g＝Interpolation[d,InterpolationOrder→1]
Plot[{f[x],g[x]},{x,-5,5},PlotStyle→{{RGBColor[1,0,0]},{}}]
分段线性插值具有良好的收敛性，即
分段线性插值在计算插值时，只用到前后两个相邻节点的函数值，计算量小、实用性高；分段线性插值法绘制的冲刷深度图，用于冲刷结果判断并作为评价冲刷风险区域的依据。
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