本發(fā)明涉及海洋油氣工程，具體涉及一種海洋油氣工程海底電纜管道施工期懸沙擴(kuò)散分析方法。

背景技術(shù)：

1、海底電纜管道是海洋油氣工程的重要組成部分之一，它們負(fù)責(zé)平臺(tái)之間的信號(hào)傳輸、數(shù)據(jù)傳輸、電力供應(yīng)以及原油、天然氣、水等物質(zhì)的輸送，對(duì)于保障海洋油氣開采活動(dòng)的順利進(jìn)行至關(guān)重要，任何可能對(duì)海洋環(huán)境造成影響的工程活動(dòng)都需要進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)估，海底電纜管道的施工過程中，由于挖掘、鋪設(shè)等活動(dòng)，可能會(huì)擾動(dòng)海底沉積物，導(dǎo)致懸沙擴(kuò)散，進(jìn)而對(duì)水質(zhì)環(huán)境和底棲生物造成潛在威脅，懸沙擴(kuò)散不僅可能影響水質(zhì)，導(dǎo)致水體渾濁度增加，還可能影響海洋生物的生長和棲息環(huán)境，對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響，因此，準(zhǔn)確預(yù)測施工期懸沙擴(kuò)散的影響范圍，對(duì)于制定有效的環(huán)境保護(hù)措施具有重要意義。

2、目前，海洋油氣工程的海底電纜管道施工期懸沙擴(kuò)散一般采用數(shù)值模型計(jì)算的方法，通常的做法是在海底電纜管道路由的拐點(diǎn)逐一設(shè)置懸沙擴(kuò)散計(jì)算代表點(diǎn)，給定懸沙擴(kuò)散的源強(qiáng)后，計(jì)算24h小時(shí)內(nèi)該計(jì)算代表點(diǎn)的懸沙擴(kuò)散影響范圍，通過將多個(gè)計(jì)算代表點(diǎn)最大影響包絡(luò)范圍連線閉合，得到海底電纜管道施工期懸沙最大影響包絡(luò)范圍。

3、現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)的懸沙擴(kuò)散預(yù)測方法通常采用數(shù)值模型計(jì)算，并在海底電纜管道路由的拐點(diǎn)設(shè)置計(jì)算代表點(diǎn)。然而，實(shí)際施工中海底電纜管道的總體施工時(shí)間可能是數(shù)月，每天的施工進(jìn)度也不同故上述數(shù)值預(yù)測方法容易導(dǎo)致不同計(jì)算者對(duì)懸沙最大擴(kuò)散影響包絡(luò)范圍的理解不同，其得到最大影響包絡(luò)范圍形狀往往是各異，得到的最大影響包絡(luò)面積數(shù)值也是各異，進(jìn)而影響預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，且懸沙擴(kuò)散受水流、潮汐等自然因素的動(dòng)態(tài)變化影響，如水流速度、沉積物特性等，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果的偏差，為此，降低自然因素的動(dòng)態(tài)變化影響，以及提高預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性是我們現(xiàn)在所要解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種海洋油氣工程海底電纜管道施工期懸沙擴(kuò)散分析方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

3、一種海洋油氣工程海底電纜管道施工期懸沙擴(kuò)散分析方法，包括以下步驟：

4、步驟1，收集施工區(qū)域的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)施工特點(diǎn)和預(yù)測需求，制定觀測計(jì)劃，得到懸沙擴(kuò)散源強(qiáng)計(jì)算代表點(diǎn)，其中海洋環(huán)境數(shù)據(jù)包括歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

5、步驟2，基于收集的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)和懸沙擴(kuò)散源強(qiáng)計(jì)算代表點(diǎn)，提取相關(guān)特征，并建立懸沙擴(kuò)散預(yù)測模型；

6、步驟3，計(jì)算每個(gè)懸沙擴(kuò)散源強(qiáng)計(jì)算代表點(diǎn)，評(píng)估每個(gè)懸沙擴(kuò)散源強(qiáng)計(jì)算代表點(diǎn)的最大懸沙擴(kuò)散影響包絡(luò)范圍；

7、步驟4，對(duì)得到的整段海底電纜管道施工期懸沙最大擴(kuò)散影響包絡(luò)范圍進(jìn)行預(yù)測，得到預(yù)測結(jié)果，獲取水流流速指數(shù)和沉積物指數(shù)，分析其對(duì)水質(zhì)環(huán)境和底棲生物的潛在影響；

8、步驟5，基于預(yù)測結(jié)果，得到最大擴(kuò)散影響包絡(luò)范圍的誤差值，并識(shí)別誤差的主要來源，同時(shí)進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整。

9、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述懸沙擴(kuò)散源強(qiáng)計(jì)算代表點(diǎn)獲取過程為：

10、步驟101，明確施工的具體海域位置、邊界和范圍，根據(jù)海底電纜管道的施工設(shè)計(jì)文件，確定施工海域的經(jīng)緯度坐標(biāo)、邊界線、施工起止時(shí)間、海底電纜管道的總長度和路由走向以及施工活動(dòng)中產(chǎn)生的懸浮泥沙源；

11、步驟102，通過海洋觀測站、衛(wèi)星遙感以及部署波浪浮標(biāo)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測和采集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，如流速、流向等，并通過數(shù)據(jù)庫獲取施工區(qū)域的歷史水深與地形數(shù)據(jù)、歷史水文數(shù)據(jù)、歷史波浪數(shù)據(jù)和歷史水質(zhì)與底質(zhì)數(shù)據(jù)，其中歷史水深與地形數(shù)據(jù)包括歷史水深圖、地形圖，歷史水文數(shù)據(jù)包括歷史潮流、海流數(shù)據(jù)，歷史波浪數(shù)據(jù)包括歷史波浪統(tǒng)計(jì)資料，歷史水質(zhì)與底質(zhì)數(shù)據(jù)包括歷史水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、底質(zhì)調(diào)查報(bào)告；

12、步驟103，根據(jù)施工特點(diǎn)和預(yù)測需求，以及海底電纜管道的長度，在海底電纜管道的路由上每間隔10m設(shè)置一個(gè)懸沙擴(kuò)散源強(qiáng)計(jì)算代表點(diǎn)，點(diǎn)位應(yīng)覆蓋不同水深、流向和流速的區(qū)域，以全面反映懸沙擴(kuò)散的情況，并選擇施工期間的關(guān)鍵時(shí)段進(jìn)行觀測，如施工高峰期、潮汐變化顯著時(shí)段；

13、步驟104，建立數(shù)據(jù)記錄表，記錄每次觀測的時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境條件，如風(fēng)速、風(fēng)向、水流速度等和觀測結(jié)果，如懸沙濃度、水流速度等。

14、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述懸沙擴(kuò)散預(yù)測模型的構(gòu)建過程為：

15、步驟201，對(duì)收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和預(yù)處理，并提取與懸沙擴(kuò)散源強(qiáng)計(jì)算代表點(diǎn)相關(guān)的特征，獲取水流速度特征、水流流向特征、波浪特征、水深特征和地形特征；

16、步驟202，將水流速度特征、水流流向特征、波浪特征、水深特征和地形特征進(jìn)行整合，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集，并建立懸沙擴(kuò)散預(yù)測模型；

17、步驟203，將整合后的數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測試集，使用訓(xùn)練集數(shù)據(jù)對(duì)懸沙擴(kuò)散預(yù)測模型進(jìn)行訓(xùn)練，并使用驗(yàn)證集和測試集的數(shù)據(jù)對(duì)訓(xùn)練好的懸沙擴(kuò)散預(yù)測模型進(jìn)行驗(yàn)證，評(píng)估懸沙擴(kuò)散預(yù)測模型的性能；

18、步驟204，使用訓(xùn)練好的懸沙擴(kuò)散預(yù)測模型，反映施工活動(dòng)對(duì)懸沙擴(kuò)散的主要影響，并分析各代表點(diǎn)的懸沙擴(kuò)散源強(qiáng)。

19、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述最大懸沙擴(kuò)散影響包絡(luò)范圍的獲取過程為：

20、步驟301，將懸沙擴(kuò)散預(yù)測模型運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為海底電纜管道的施工起止時(shí)間，并按照施工設(shè)計(jì)的進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行配置；

21、步驟302，使用訓(xùn)練好的懸沙擴(kuò)散預(yù)測模型，計(jì)算每個(gè)懸沙擴(kuò)散源強(qiáng)計(jì)算代表點(diǎn)的懸沙擴(kuò)散情況，獲取計(jì)算結(jié)果；

22、步驟303，從計(jì)算結(jié)果中提取每個(gè)懸沙擴(kuò)散源強(qiáng)計(jì)算代表點(diǎn)的懸沙擴(kuò)散影響包絡(luò)，包括擴(kuò)散距離和擴(kuò)散面積，這通常是一個(gè)包含最大懸沙濃度的區(qū)域范圍，并對(duì)每個(gè)沙擴(kuò)散源強(qiáng)計(jì)算代表點(diǎn)的最大懸沙擴(kuò)散影響包絡(luò)進(jìn)行分析，確定其最大影響范圍、最大濃度值以及影響方向；

23、步驟304，基于計(jì)算結(jié)果，繪制懸沙濃度的等濃度線，并根據(jù)懸沙擴(kuò)散源強(qiáng)的計(jì)算結(jié)果，分析施工活動(dòng)對(duì)海洋環(huán)境的影響程度。

24、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述水流流速指數(shù)和沉積物指數(shù)獲取過程為：

25、步驟401，根據(jù)之前計(jì)算的每個(gè)懸沙擴(kuò)散源強(qiáng)計(jì)算代表點(diǎn)的最大懸沙擴(kuò)散影響包絡(luò)，通過空間插值，如克里金插值、反距離權(quán)重插值等，將離散的懸沙擴(kuò)散源強(qiáng)計(jì)算代表點(diǎn)結(jié)果整合成連續(xù)的懸沙擴(kuò)散影響包絡(luò)范圍圖；

26、步驟402，運(yùn)用懸沙擴(kuò)散預(yù)測模型，分析施工期間及施工前后的水流流速特征以及施工區(qū)域的水深特征和地形特征，得到水流流速指數(shù)和沉積物指數(shù)，分析不同水流流速對(duì)懸沙擴(kuò)散的影響，高速水流可能會(huì)加速懸沙的擴(kuò)散；而低速水流則可能使懸沙沉積更快，高濃度懸沙影響更大，評(píng)估懸沙擴(kuò)散對(duì)沉積物覆蓋層、底棲生物棲息地的直接影響，懸沙的覆蓋會(huì)改變底棲生物的生存環(huán)境，影響其呼吸、覓食等行為；

27、步驟403，結(jié)合懸沙擴(kuò)散影響包絡(luò)范圍、水流流速指數(shù)和沉積物指數(shù)，評(píng)估懸沙擴(kuò)散對(duì)水質(zhì)環(huán)境的影響，如濁度增加、溶解氧變化等，并分析懸沙擴(kuò)散對(duì)底棲生物種群結(jié)構(gòu)、多樣性及生態(tài)功能的潛在影響，得到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系數(shù)；

28、步驟404，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系數(shù)，劃分不同區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，匹配對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估閾值，為制定環(huán)境保護(hù)措施提供依據(jù)，并制定相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)措施，如調(diào)整施工時(shí)間、減少施工強(qiáng)度、設(shè)置防護(hù)設(shè)施等，以降低海底電纜管道施工對(duì)水質(zhì)環(huán)境和底棲生物的影響。

29、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述水流流速指數(shù)的計(jì)算公式為：

30、；

31、其中，為水流流速指數(shù)，v為當(dāng)前水流流速，為基準(zhǔn)流速，為參考流速，為觀測到的最大流速，為平均流速，其中流速單位為；

32、所述沉積物指數(shù)的計(jì)算公式為：

33、；

34、其中，為沉積物指數(shù)，為沉積物中某污染物的濃度，為該污染物的標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，為沉積物中的最大粒徑，為沉積物中的平均粒徑，s為沉積物覆蓋面積，a為研究區(qū)域總面積，其中，濃度單位為，粒徑單位為mm，面積單位為。

35、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系數(shù)的計(jì)算公式為：

36、；

37、其中，r為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系數(shù)，為水流流速指數(shù)，為對(duì)底棲生物生態(tài)產(chǎn)生顯著影響的水流流速指數(shù)的閾值，為水流流速指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，為沉積物指數(shù)，為對(duì)底棲生物生態(tài)產(chǎn)生的沉積物指數(shù)的閾值，為沉積物指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，為水流流速指數(shù)的不確定性度量，為沉積物指數(shù)的不確定性度量，為底棲生物生態(tài)特征，如種群結(jié)構(gòu)、多樣性的不確定性度量，為底棲生物與懸沙擴(kuò)散源的距離，為懸沙擴(kuò)散對(duì)底棲生物產(chǎn)生的臨界距離。

38、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：多個(gè)所述風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)多個(gè)所述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估閾值，其中，所述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估閾值包括上限閾值和下限閾值；

39、多個(gè)所述風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與多個(gè)所述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估閾值滿足如下關(guān)系：

40、低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：；

41、中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：；

42、高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：；

43、其中，r為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系數(shù)，為低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的上限閾值與中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的下限閾值，為中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的上限閾值與高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的下限閾值。

44、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述誤差值的獲取流程為：

45、步驟501將預(yù)處理的歷史數(shù)據(jù)中水流速度特征、水流流向特征、波浪特征、水深特征和地形特征的特征數(shù)據(jù)輸入到懸沙擴(kuò)散預(yù)測模型，分別計(jì)算水流流速指數(shù)和沉積物指數(shù)，評(píng)估歷史數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性；

46、步驟502，基于預(yù)處理后的歷史數(shù)據(jù)，將預(yù)測的最大擴(kuò)散影響包絡(luò)范圍與水流流速指數(shù)和沉積物指數(shù)進(jìn)行比較，得到誤差值，獲取誤差分析表；

47、步驟503，根據(jù)誤差分析表調(diào)整懸沙擴(kuò)散預(yù)測模型以應(yīng)對(duì)環(huán)境因素的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于極端天氣或海況條件，可以采取暫停施工等措施以減少對(duì)環(huán)境的影響。

48、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述誤差值的計(jì)算公式為：

49、；

50、其中，為誤差值，為預(yù)測的最大擴(kuò)散影響包絡(luò)范圍面積，為實(shí)際觀測到的最大擴(kuò)散影響包絡(luò)范圍面積，為預(yù)測的水流流速指數(shù)，實(shí)際觀測的水流流速指數(shù)，為預(yù)測的沉積物指數(shù)，為實(shí)際觀測的沉積物指數(shù)，為沉積物指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，為預(yù)測面積的標(biāo)準(zhǔn)差，為觀測面積的標(biāo)準(zhǔn)差；隨著與之間差異的增大而增大，直接反映了預(yù)測面積與實(shí)際觀測面積之間的不匹配程度，還受到水流流速指數(shù)和沉積物指數(shù)預(yù)測值與觀測值之間差異的影響，這些差異通過平方運(yùn)算被放大，并且當(dāng)兩者都偏離其標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，誤差會(huì)進(jìn)一步增加，其中，公式中的項(xiàng)考慮了預(yù)測面積和觀測面積不確定性的相對(duì)大小，當(dāng)預(yù)測的不確定性遠(yuǎn)大于觀測的不確定性時(shí)，該項(xiàng)的值會(huì)增加，從而進(jìn)一步增加誤差。

51、由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)來說，取得的技術(shù)進(jìn)步是：

52、本發(fā)明提供一種海洋油氣工程海底電纜管道施工期懸沙擴(kuò)散分析方法，在懸沙擴(kuò)散預(yù)測模型中精確設(shè)置懸沙擴(kuò)散源強(qiáng)計(jì)算代表點(diǎn)，并基于實(shí)際施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)調(diào)整參與計(jì)算的代表點(diǎn)，確保了每個(gè)計(jì)算點(diǎn)的有效性和代表性，同時(shí)，采用空間插值技術(shù)整合各代表點(diǎn)的最大懸沙擴(kuò)散影響包絡(luò)，有效消除了人為理解和判斷的誤差，大大提高了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

53、本發(fā)明提供一種海洋油氣工程海底電纜管道施工期懸沙擴(kuò)散分析方法，通過集成高精度數(shù)值模型與實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了懸沙擴(kuò)散過程的精細(xì)化模擬，數(shù)值模型不僅考慮了水流、潮汐等自然因素的復(fù)雜交互作用，還引入了沉積物特性、海底地形變化等關(guān)鍵參數(shù)，使得模擬結(jié)果更加貼近實(shí)際，同時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測到的水流速度、方向等數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整模型參數(shù)，確保在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中也能保持預(yù)測的準(zhǔn)確性，有效降低了自然因素動(dòng)態(tài)變化對(duì)預(yù)測結(jié)果的影響，提高了預(yù)測的時(shí)效性和可靠性。

54、本發(fā)明提供一種海洋油氣工程海底電纜管道施工期懸沙擴(kuò)散分析方法，通過內(nèi)置風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測懸沙擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)變化，并在發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，同時(shí)，系統(tǒng)還提供了應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案庫，根據(jù)預(yù)警信號(hào)自動(dòng)匹配相應(yīng)的應(yīng)急措施和處置流程，提高了施工期的安全性和應(yīng)急反應(yīng)速度，降低了因懸沙擴(kuò)散引發(fā)的環(huán)境和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

55、本發(fā)明提供一種海洋油氣工程海底電纜管道施工期懸沙擴(kuò)散分析方法，通過在本方法中設(shè)置密集且等間距的懸沙擴(kuò)散源強(qiáng)計(jì)算代表點(diǎn)，每10米一個(gè)，減少了預(yù)測過程中因代表點(diǎn)選擇稀疏或不均勻而帶來的誤差，此外，按照實(shí)際施工進(jìn)度逐一啟動(dòng)和終止代表點(diǎn)的計(jì)算，確保了預(yù)測時(shí)間與施工活動(dòng)的同步性，進(jìn)一步減小了時(shí)間偏差對(duì)預(yù)測結(jié)果的影響，顯著降低懸沙擴(kuò)散影響包絡(luò)范圍的預(yù)測誤差，提供更加精準(zhǔn)的環(huán)境影響評(píng)估依據(jù)。