一种海洋油气工程海底电缆管道施工期悬沙扩散分析方法与流程

本发明涉及海洋油气工程，具体涉及一种海洋油气工程海底电缆管道施工期悬沙扩散分析方法。

背景技术：

1、海底电缆管道是海洋油气工程的重要组成部分之一，它们负责平台之间的信号传输、数据传输、电力供应以及原油、天然气、水等物质的输送，对于保障海洋油气开采活动的顺利进行至关重要，任何可能对海洋环境造成影响的工程活动都需要进行环境影响评估，海底电缆管道的施工过程中，由于挖掘、铺设等活动，可能会扰动海底沉积物，导致悬沙扩散，进而对水质环境和底栖生物造成潜在威胁，悬沙扩散不仅可能影响水质，导致水体浑浊度增加，还可能影响海洋生物的生长和栖息环境，对海洋生态系统造成不利影响，因此，准确预测施工期悬沙扩散的影响范围，对于制定有效的环境保护措施具有重要意义。

2、目前，海洋油气工程的海底电缆管道施工期悬沙扩散一般采用数值模型计算的方法，通常的做法是在海底电缆管道路由的拐点逐一设置悬沙扩散计算代表点，给定悬沙扩散的源强后，计算24h小时内该计算代表点的悬沙扩散影响范围，通过将多个计算代表点最大影响包络范围连线闭合，得到海底电缆管道施工期悬沙最大影响包络范围。

3、现有技术中，传统的悬沙扩散预测方法通常采用数值模型计算，并在海底电缆管道路由的拐点设置计算代表点。然而，实际施工中海底电缆管道的总体施工时间可能是数月，每天的施工进度也不同故上述数值预测方法容易导致不同计算者对悬沙最大扩散影响包络范围的理解不同，其得到最大影响包络范围形状往往是各异，得到的最大影响包络面积数值也是各异，进而影响预测结果的准确性，且悬沙扩散受水流、潮汐等自然因素的动态变化影响，如水流速度、沉积物特性等，导致预测结果的偏差，为此，降低自然因素的动态变化影响，以及提高预测结果的准确性是我们现在所要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种海洋油气工程海底电缆管道施工期悬沙扩散分析方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种海洋油气工程海底电缆管道施工期悬沙扩散分析方法，包括以下步骤：

4、步骤1，收集施工区域的海洋环境数据，并根据施工特点和预测需求，制定观测计划，得到悬沙扩散源强计算代表点，其中海洋环境数据包括历史数据和实时数据；

5、步骤2，基于收集的海洋环境数据和悬沙扩散源强计算代表点，提取相关特征，并建立悬沙扩散预测模型；

6、步骤3，计算每个悬沙扩散源强计算代表点，评估每个悬沙扩散源强计算代表点的最大悬沙扩散影响包络范围；

7、步骤4，对得到的整段海底电缆管道施工期悬沙最大扩散影响包络范围进行预测，得到预测结果，获取水流流速指数和沉积物指数，分析其对水质环境和底栖生物的潜在影响；

8、步骤5，基于预测结果，得到最大扩散影响包络范围的误差值，并识别误差的主要来源，同时进行针对性调整。

9、本发明技术方案的进一步改进在于：所述悬沙扩散源强计算代表点获取过程为：

10、步骤101，明确施工的具体海域位置、边界和范围，根据海底电缆管道的施工设计文件，确定施工海域的经纬度坐标、边界线、施工起止时间、海底电缆管道的总长度和路由走向以及施工活动中产生的悬浮泥沙源；

11、步骤102，通过海洋观测站、卫星遥感以及部署波浪浮标设备，实时监测和采集海洋环境数据，如流速、流向等，并通过数据库获取施工区域的历史水深与地形数据、历史水文数据、历史波浪数据和历史水质与底质数据，其中历史水深与地形数据包括历史水深图、地形图，历史水文数据包括历史潮流、海流数据，历史波浪数据包括历史波浪统计资料，历史水质与底质数据包括历史水质监测数据、底质调查报告；

12、步骤103，根据施工特点和预测需求，以及海底电缆管道的长度，在海底电缆管道的路由上每间隔10m设置一个悬沙扩散源强计算代表点，点位应覆盖不同水深、流向和流速的区域，以全面反映悬沙扩散的情况，并选择施工期间的关键时段进行观测，如施工高峰期、潮汐变化显著时段；

13、步骤104，建立数据记录表，记录每次观测的时间、地点、环境条件，如风速、风向、水流速度等和观测结果，如悬沙浓度、水流速度等。

14、本发明技术方案的进一步改进在于：所述悬沙扩散预测模型的构建过程为：

15、步骤201，对收集的实时数据和历史数据进行清洗和预处理，并提取与悬沙扩散源强计算代表点相关的特征，获取水流速度特征、水流流向特征、波浪特征、水深特征和地形特征；

16、步骤202，将水流速度特征、水流流向特征、波浪特征、水深特征和地形特征进行整合，形成统一的数据集，并建立悬沙扩散预测模型；

17、步骤203，将整合后的数据集划分为训练集、验证集和测试集，使用训练集数据对悬沙扩散预测模型进行训练，并使用验证集和测试集的数据对训练好的悬沙扩散预测模型进行验证，评估悬沙扩散预测模型的性能；

18、步骤204，使用训练好的悬沙扩散预测模型，反映施工活动对悬沙扩散的主要影响，并分析各代表点的悬沙扩散源强。

19、本发明技术方案的进一步改进在于：所述最大悬沙扩散影响包络范围的获取过程为：

20、步骤301，将悬沙扩散预测模型运行时间设置为海底电缆管道的施工起止时间，并按照施工设计的进度计划进行配置；

21、步骤302，使用训练好的悬沙扩散预测模型，计算每个悬沙扩散源强计算代表点的悬沙扩散情况，获取计算结果；

22、步骤303，从计算结果中提取每个悬沙扩散源强计算代表点的悬沙扩散影响包络，包括扩散距离和扩散面积，这通常是一个包含最大悬沙浓度的区域范围，并对每个沙扩散源强计算代表点的最大悬沙扩散影响包络进行分析，确定其最大影响范围、最大浓度值以及影响方向；

23、步骤304，基于计算结果，绘制悬沙浓度的等浓度线，并根据悬沙扩散源强的计算结果，分析施工活动对海洋环境的影响程度。

24、本发明技术方案的进一步改进在于：所述水流流速指数和沉积物指数获取过程为：

25、步骤401，根据之前计算的每个悬沙扩散源强计算代表点的最大悬沙扩散影响包络，通过空间插值，如克里金插值、反距离权重插值等，将离散的悬沙扩散源强计算代表点结果整合成连续的悬沙扩散影响包络范围图；

26、步骤402，运用悬沙扩散预测模型，分析施工期间及施工前后的水流流速特征以及施工区域的水深特征和地形特征，得到水流流速指数和沉积物指数，分析不同水流流速对悬沙扩散的影响，高速水流可能会加速悬沙的扩散；而低速水流则可能使悬沙沉积更快，高浓度悬沙影响更大，评估悬沙扩散对沉积物覆盖层、底栖生物栖息地的直接影响，悬沙的覆盖会改变底栖生物的生存环境，影响其呼吸、觅食等行为；

27、步骤403，结合悬沙扩散影响包络范围、水流流速指数和沉积物指数，评估悬沙扩散对水质环境的影响，如浊度增加、溶解氧变化等，并分析悬沙扩散对底栖生物种群结构、多样性及生态功能的潜在影响，得到风险评估系数；

28、步骤404，根据风险评估系数，划分不同区域的风险等级，匹配对应的风险评估阈值，为制定环境保护措施提供依据，并制定相应的环境保护措施，如调整施工时间、减少施工强度、设置防护设施等，以降低海底电缆管道施工对水质环境和底栖生物的影响。

29、本发明技术方案的进一步改进在于：所述水流流速指数的计算公式为：

30、；

31、其中，为水流流速指数，v为当前水流流速，为基准流速，为参考流速，为观测到的最大流速，为平均流速，其中流速单位为；

32、所述沉积物指数的计算公式为：

33、；

34、其中，为沉积物指数，为沉积物中某污染物的浓度，为该污染物的标准浓度限值，为沉积物中的最大粒径，为沉积物中的平均粒径，s为沉积物覆盖面积，a为研究区域总面积，其中，浓度单位为，粒径单位为mm，面积单位为。

35、本发明技术方案的进一步改进在于：所述风险评估系数的计算公式为：

36、；

37、其中，r为风险评估系数，为水流流速指数，为对底栖生物生态产生显著影响的水流流速指数的阈值，为水流流速指数的标准值，为沉积物指数，为对底栖生物生态产生的沉积物指数的阈值，为沉积物指数的标准值，为水流流速指数的不确定性度量，为沉积物指数的不确定性度量，为底栖生物生态特征，如种群结构、多样性的不确定性度量，为底栖生物与悬沙扩散源的距离，为悬沙扩散对底栖生物产生的临界距离。

38、本发明技术方案的进一步改进在于：多个所述风险等级对应多个所述风险评估阈值，其中，所述风险评估阈值包括上限阈值和下限阈值；

39、多个所述风险等级与多个所述风险评估阈值满足如下关系：

40、低风险等级：；

41、中风险等级：；

42、高风险等级：；

43、其中，r为风险评估系数，为低风险等级对应的上限阈值与中风险等级对应的下限阈值，为中风险等级对应的上限阈值与高风险等级对应的下限阈值。

44、本发明技术方案的进一步改进在于：所述误差值的获取流程为：

45、步骤501将预处理的历史数据中水流速度特征、水流流向特征、波浪特征、水深特征和地形特征的特征数据输入到悬沙扩散预测模型，分别计算水流流速指数和沉积物指数，评估历史数据的准确性和完整性；

46、步骤502，基于预处理后的历史数据，将预测的最大扩散影响包络范围与水流流速指数和沉积物指数进行比较，得到误差值，获取误差分析表；

47、步骤503，根据误差分析表调整悬沙扩散预测模型以应对环境因素的动态变化，对于极端天气或海况条件，可以采取暂停施工等措施以减少对环境的影响。

48、本发明技术方案的进一步改进在于：所述误差值的计算公式为：

49、；

50、其中，为误差值，为预测的最大扩散影响包络范围面积，为实际观测到的最大扩散影响包络范围面积，为预测的水流流速指数，实际观测的水流流速指数，为预测的沉积物指数，为实际观测的沉积物指数，为沉积物指数的标准值，为预测面积的标准差，为观测面积的标准差；随着与之间差异的增大而增大，直接反映了预测面积与实际观测面积之间的不匹配程度，还受到水流流速指数和沉积物指数预测值与观测值之间差异的影响，这些差异通过平方运算被放大，并且当两者都偏离其标准值时，误差会进一步增加，其中，公式中的项考虑了预测面积和观测面积不确定性的相对大小，当预测的不确定性远大于观测的不确定性时，该项的值会增加，从而进一步增加误差。

51、由于采用了上述技术方案，本发明相对现有技术来说，取得的技术进步是：

52、本发明提供一种海洋油气工程海底电缆管道施工期悬沙扩散分析方法，在悬沙扩散预测模型中精确设置悬沙扩散源强计算代表点，并基于实际施工进度动态调整参与计算的代表点，确保了每个计算点的有效性和代表性，同时，采用空间插值技术整合各代表点的最大悬沙扩散影响包络，有效消除了人为理解和判断的误差，大大提高了预测结果的准确性。

53、本发明提供一种海洋油气工程海底电缆管道施工期悬沙扩散分析方法，通过集成高精度数值模型与实时环境监测系统，实现了悬沙扩散过程的精细化模拟，数值模型不仅考虑了水流、潮汐等自然因素的复杂交互作用，还引入了沉积物特性、海底地形变化等关键参数，使得模拟结果更加贴近实际，同时，系统能够根据实时监测到的水流速度、方向等数据动态调整模型参数，确保在复杂多变的海洋环境中也能保持预测的准确性，有效降低了自然因素动态变化对预测结果的影响，提高了预测的时效性和可靠性。

54、本发明提供一种海洋油气工程海底电缆管道施工期悬沙扩散分析方法，通过内置风险预警机制，能够实时监测悬沙扩散的动态变化，并在发现潜在风险时及时发出预警信号，同时，系统还提供了应急响应预案库，根据预警信号自动匹配相应的应急措施和处置流程，提高了施工期的安全性和应急反应速度，降低了因悬沙扩散引发的环境和生态风险。

55、本发明提供一种海洋油气工程海底电缆管道施工期悬沙扩散分析方法，通过在本方法中设置密集且等间距的悬沙扩散源强计算代表点，每10米一个，减少了预测过程中因代表点选择稀疏或不均匀而带来的误差，此外，按照实际施工进度逐一启动和终止代表点的计算，确保了预测时间与施工活动的同步性，进一步减小了时间偏差对预测结果的影响，显著降低悬沙扩散影响包络范围的预测误差，提供更加精准的环境影响评估依据。