[發明專利]一種適用于臺風區域的沙波運移預測方法

有效

• 申請號: 201810989946.3
• 申請日: 2018-08-28
• 公開（公告）號: CN109145467B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 曹高輝;林緬;江文濱;姬莉莉
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

本發明提供了一種適用于臺風區域的沙波運移預測方法，基于統計、物理和實用三個角度，提出波譜能量平均的運移速度，預測結果穩定且準確。與已有的標量形式不同，計算臺風運移過程作用矢量，并且對不同臺風不同位置時的影響進行疊加，根據短時間一些臺風影響大，但長時間范圍內臺風影響相互抵消的原因，計算常規波流相互作用引起的運移，并用其預測長時段波形。本文的模型能夠準確擬合臺風區的沙波波形，與已有其他方法相比，具有高效高精度的優點，可用于10～20年內的底床演變預測。

技術領域

本發明涉及海洋工程領域，特別是涉及一種預測臺風影響區域的沙波運移時，綜合非線性譜分析和波浪輸沙理論的方法。

背景技術

海底蘊藏著豐富的礦物資源和油氣資源。隨著陸地上的可供利用的資源日漸枯竭，人類開始更多地開發和利用海洋資源。近年來海洋油氣業的快速發展，海洋石油日益成為我國原油增量的主要來源。海底沙波是一種很常見的近岸海底地貌，其垂向剖面呈起伏狀。在海洋水動力作用下，沙波的形態和位置都在隨時間(年)變化，屬于不穩定的地貌類型。沙波運移可能造成海底管道(線) 的懸空，甚至發生斷裂、海洋平臺垮塌、航道淤積等重大危害。準確預測沙波運移能夠減少經濟損失，并服務于海洋工程結構物的選址設計。

目前常用的沙波運移預測技術主要有以下幾種：

現場實測：采用多波束測量方法對沙波區進行多次水深調查后比較歷次測量結果，確定沙波運移方向和運移速率。很明顯這種方法耗資巨大，而且調查時間受氣象條件和海況的制約，其間隔一般都在一年以上，根本無法實時監測和預測沙波運移。在可預計的未來，觀測的時間和空間分辨率及長度仍然十分有限。

經驗公式計算：研究者普遍認為，一般情況下近底床流動是沙波運移的主要動力，沙波運移速率主要取決于流速大小，其運移方向應和流速方向一致。相關研究提出了一系列不同的沙波運移速率計算公式。這些公式都是依據推移質輸沙率、沙波波高等參數來計算沙波運移速率，其中推移質輸沙律由底床剪切流速或平均流速計算而得。這些公式一般為工程界和力學界所采用，早期用于預測河道中的沙波運移速度。后來也有應用于海洋中沙波運移的模擬，但對于往復潮流影響下的沙波運移并不適用。

動力學計算：其從沙質底床和海流相互作用的角度研究強潮流區的沙波的形成和運移。目前國際上常用的近海和區域海洋數值模型包括POM、ECOM、 ROMS、FVCOM等，它們被廣泛應用于模擬海洋潮汐、流場和溫鹽場等。然而方法存在計算消耗大的特點。

譜分析方法：該方法將沙波看成一系列余弦波的疊加，采用二階譜分析并考慮沙波的非線性，并將沙波分成自由波和束縛波，其中束縛波為非線性項，描述非對稱(尖峰平底或鋸齒形)沙波。但是單純譜分析方法的預測結果不穩定，而且不適用于臺風影響區域。

發明內容

本發明的目的是要提供一種預測臺風影響區域的沙波運移時，綜合非線性譜分析和波浪輸沙理論的方法。

特別地，本發明提供一種適用于臺風區域的沙波運移預測方法，包括如下步驟：

步驟100，設置一個以年為單位的時間段，取海底底床同一位置首尾兩個時段的沙波圖像；

步驟200，利用譜分析方法，將沙波看成一系列余弦波的疊加，通過參數估計得到自由波傅里葉變換得到的波譜、自由波的線速度以及二階傳遞函數, 計算波譜能量平均速度并獲取該時間段內沙波的總運移；

步驟300，首先計算該時間段內單次臺風中合成浪的波高和周期，再利用非線性輸沙公式計算其引起的泥沙運移，然后疊加計算所有臺風引起的泥沙運移，以得到該時間段內所有臺風引起的臺風運移；

步驟400，利用總運移減去臺風運移以得到無臺風因素下的常規運移，用常規運移除以該時間段即得到沙波在單位時間內的常規運移速度；

步驟500，根據波譜、二階傳遞函數和常規運移速度即可預測目的年份的沙波剖面。