[发明专利]一种适用于台风区域的沙波运移预测方法

说明书

本发明提供了一种适用于台风区域的沙波运移预测方法，基于统计、物理和实用三个角度，提出波谱能量平均的运移速度，预测结果稳定且准确。与已有的标量形式不同，计算台风运移过程作用矢量，并且对不同台风不同位置时的影响进行叠加，根据短时间一些台风影响大，但长时间范围内台风影响相互抵消的原因，计算常规波流相互作用引起的运移，并用其预测长时段波形。本文的模型能够准确拟合台风区的沙波波形，与已有其他方法相比，具有高效高精度的优点，可用于10～20年内的底床演变预测。

技术领域

本发明涉及海洋工程领域，特别是涉及一种预测台风影响区域的沙波运移时，综合非线性谱分析和波浪输沙理论的方法。

背景技术

海底蕴藏着丰富的矿物资源和油气资源。随着陆地上的可供利用的资源日渐枯竭，人类开始更多地开发和利用海洋资源。近年来海洋油气业的快速发展，海洋石油日益成为我国原油增量的主要来源。海底沙波是一种很常见的近岸海底地貌，其垂向剖面呈起伏状。在海洋水动力作用下，沙波的形态和位置都在随时间(年)变化，属于不稳定的地貌类型。沙波运移可能造成海底管道(线) 的悬空，甚至发生断裂、海洋平台垮塌、航道淤积等重大危害。准确预测沙波运移能够减少经济损失，并服务于海洋工程结构物的选址设计。

目前常用的沙波运移预测技术主要有以下几种：

现场实测：采用多波束测量方法对沙波区进行多次水深调查后比较历次测量结果，确定沙波运移方向和运移速率。很明显这种方法耗资巨大，而且调查时间受气象条件和海况的制约，其间隔一般都在一年以上，根本无法实时监测和预测沙波运移。在可预计的未来，观测的时间和空间分辨率及长度仍然十分有限。

经验公式计算：研究者普遍认为，一般情况下近底床流动是沙波运移的主要动力，沙波运移速率主要取决于流速大小，其运移方向应和流速方向一致。相关研究提出了一系列不同的沙波运移速率计算公式。这些公式都是依据推移质输沙率、沙波波高等参数来计算沙波运移速率，其中推移质输沙律由底床剪切流速或平均流速计算而得。这些公式一般为工程界和力学界所采用，早期用于预测河道中的沙波运移速度。后来也有应用于海洋中沙波运移的模拟，但对于往复潮流影响下的沙波运移并不适用。

动力学计算：其从沙质底床和海流相互作用的角度研究强潮流区的沙波的形成和运移。目前国际上常用的近海和区域海洋数值模型包括POM、ECOM、 ROMS、FVCOM等，它们被广泛应用于模拟海洋潮汐、流场和温盐场等。然而方法存在计算消耗大的特点。

谱分析方法：该方法将沙波看成一系列余弦波的叠加，采用二阶谱分析并考虑沙波的非线性，并将沙波分成自由波和束缚波，其中束缚波为非线性项，描述非对称(尖峰平底或锯齿形)沙波。但是单纯谱分析方法的预测结果不稳定，而且不适用于台风影响区域。

发明内容

本发明的目的是要提供一种预测台风影响区域的沙波运移时，综合非线性谱分析和波浪输沙理论的方法。

特别地，本发明提供一种适用于台风区域的沙波运移预测方法，包括如下步骤：

步骤100，设置一个以年为单位的时间段，取海底底床同一位置首尾两个时段的沙波图像；

步骤200，利用谱分析方法，将沙波看成一系列余弦波的叠加，通过参数估计得到自由波傅里叶变换得到的波谱、自由波的线速度以及二阶传递函数, 计算波谱能量平均速度并获取该时间段内沙波的总运移；

步骤300，首先计算该时间段内单次台风中合成浪的波高和周期，再利用非线性输沙公式计算其引起的泥沙运移，然后叠加计算所有台风引起的泥沙运移，以得到该时间段内所有台风引起的台风运移；

步骤400，利用总运移减去台风运移以得到无台风因素下的常规运移，用常规运移除以该时间段即得到沙波在单位时间内的常规运移速度；

步骤500，根据波谱、二阶传递函数和常规运移速度即可预测目的年份的沙波剖面。