一种用于海洋工程的移动点源悬浮泥沙扩散预测方法与流程

本发明涉及海洋工程环境模拟，特别涉及一种用于海洋工程的移动点源悬浮泥沙扩散预测方法。

背景技术：

1、在海洋工程环境影响评估中，海底管线铺设、挖沟作业、电缆敷设等线性施工过程会大量扰动海底沉积物，产生悬浮泥沙。这些悬浮泥沙在潮流和风浪等动力作用下随水体迁移扩散，可能对周边海域的水质环境、底栖生物群落、鱼类繁殖场以及海洋生态敏感区造成潜在不利影响。因此，准确预测悬浮泥沙的扩散范围和浓度分布，是海洋工程环境影响评价的核心工作之一，也是施工方案优化和环境保护措施制定的重要科学依据。

2、目前，悬浮泥沙扩散的数值模拟普遍采用三维水动力-泥沙输运模型（如roms、fvcom、mike、pom、hycom、nemo等）进行预测。在现有工程实践中，为了简化计算处理，通常采用“全管线同步释放”的假设，即假定整条施工路径上的所有点源在同一时间段内同时释放泥沙，且各点源保持恒定的释放通量持续排放一个完整的潮周期或施工周期。该假设将实际施工中沿路径逐步推进的单点释放过程，近似处理为整条路径上的多点同步释放过程，从而将移动点源问题简化为固定点源阵列的叠加问题。

3、然而，这种同步释放假设与真实施工过程存在本质差异。实际施工中，作业设备（如挖沟机、铺管船）是沿管线方向连续移动的，悬浮泥沙仅在设备当前位置产生并释放，释放位置随施工进度不断前移，是一个典型的“随移动产生、随扩散衰减”的动态过程。同步释放假设忽视了这种时空异质性，带来了以下缺陷：

4、（1）局部浓度严重高估。同步释放将所有点源的释放量叠加在同一时段，相当于在施工初期就将全线泥沙同时排入水体，而实际施工过程中同一时刻仅有一个局部区域在释放泥沙。这种叠加效应使得模拟的近场悬浮泥沙浓度峰值显著高于实际施工情况，高估幅度可达30%–50%，直接影响评估结论的可靠性。

5、（2）扩散范围失真。同步释放假设使得多个点源同时向水体输入泥沙，相当于在全线范围内同步施加强迫源，其累积效应导致模拟的泥沙扩散范围偏大、扩散形态偏离实际，无法真实反映泥沙随施工推进而逐步释放、逐步扩散的物理过程，进而影响对生态敏感区域影响程度的准确判断。

6、（3）无法反映施工动态过程。同步释放假设无法刻画泥沙释放强度随施工进度的时间变化和空间迁移，导致模拟结果无法用于分析施工速度、施工时序等工艺参数对环境影响的影响规律，因而无法为施工方案的优化调整提供有效反馈。

7、（4）环境影响评估结果偏保守但不科学。虽然同步释放假设从环境保护角度偏于安全，但这种过度保守的预测结果往往导致不必要的工程措施增加、工期延误或环保审批受阻，本质上是一种以牺牲精度为代价的简化处理。

8、综上所述，现有基于全管线同步释放假设的悬浮泥沙数值模拟方法，由于未能真实反映施工设备沿路径移动释放泥沙的时空动态过程，在预测精度和工程适用性方面均存在明显不足。亟需一种能够准确刻画移动点源释放过程的数值模拟方法，通过将移动释放轨迹、激活时序、垂向分配和动力扩散进行系统耦合，实现施工过程悬浮泥沙扩散的高精度预测，为海洋工程环境影响评估和施工决策提供更加科学可靠的依据。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于海洋工程的移动点源悬浮泥沙扩散预测方法，以达到真实反映施工过程中悬浮泥沙随移动释放、随扩散衰减的完整物理过程，显著提高近场浓度峰值和扩散范围预测精度的目的。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种用于海洋工程的移动点源悬浮泥沙扩散预测方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：将线性施工路径离散为若干空间节点，确定各空间节点在计算网格中的平面坐标位置；

5、步骤s2：根据施工设备的移动速度，建立移动点源轨迹方程，确定各空间节点的激活时序，所述激活时序用于控制各空间节点在施工过程中的激活顺序和时刻；

6、步骤s3：基于步骤s1确定的各空间节点在计算网格中的平面坐标位置和步骤s2确定的激活时序，构建垂向释放权重函数，实现泥沙在垂向上的非均匀分配；

7、步骤s4：根据步骤s2确定的激活时序和步骤s3构建的垂向释放权重函数，构建多点源协同控制模型，使得各空间节点在各自激活时段内按垂向权重释放泥沙，并确定各空间节点释放量随时间变化的函数关系，从而形成随时间推进而沿路径移动的移动点源强迫场；

8、步骤s5：建立环境强迫体系，所述环境强迫体系包括气象强迫场、开边界场和潮汐强迫场；

9、步骤s6：将步骤s4形成的移动点源强迫场与步骤s5建立的环境强迫体系共同耦合至三维水动力-泥沙输运模型，求解泥沙对流-扩散方程，获得反映施工过程中泥沙随移动释放与扩散衰减全过程的浓度时空分布。

10、上述方案中，步骤s1中，所述线性施工路径离散方法为：

11、给定施工路径起点(, )和终点(, )，将路径等分为段，第个空间节点的平面坐标由线性插值确定：

12、；

13、；

14、 将空间节点的平面坐标(, )映射至计算网格中的网格索引(, )：

15、；

16、；

17、；

18、 ；

19、其中，(, )为第个空间节点的平面坐标，(, )为对应的网格索引；

20、对于结构化网格，(, )为网格原点坐标，、分别为、方向的网格间距；对于非结构化网格，为第个空间节点到第个网格节点的欧氏距离，为模型点源强迫函数，为空间节点总数。

21、上述方案中，步骤s2中，所述移动点源轨迹方程为：

22、设施工设备以速度沿路径移动，第个空间节点的激活时刻满足：

23、 ；

24、其中，为起始时刻，为路径总长度，为施工设备移动速度，相邻空间节点激活时间间隔，为空间节点总数。

25、上述方案中，步骤s3中，所述垂向释放权重函数采用余弦型分布：

26、设垂向共分为个层，底层编号，自底层向上参与权重分配的层数为 层，第层的原始权重为：

27、；

28、其中，，为底层编号，为底层过渡层数。

29、上述方案中，对原始权重进行归一化处理，使垂向各层权重之和为1：

30、；

31、；

32、其中，为第层的归一化权重，为求和索引变量，其取值范围与相同；当时，。

33、上述方案中，步骤s4中所述多点源协同控制模型为：

34、设总释放时长为，将均分为个时段，令；

35、每个时段长度  为：

36、；

37、前  个空间节点参与释放，第  个空间节点在第  个时段的释放通量 由时序匹配函数控制：

38、；

39、其中， 为单点源额定释放通量，为时段序号，； 为kronecker delta函数，当  时取1，否则取0； 为heaviside阶跃函数，当 时取1，否则取0；终点空间节点  的释放通量恒为零，即，对应于施工设备到达终点后停止扰动的物理事实。

40、上述方案中，步骤s5中，所述环境强迫体系包括：

41、（1）气象强迫场：包括海面10 m高度风速的x方向分量 和y方向分量、海平面气压、短波辐射、长波辐射、相对湿度、气温和降水量；

42、所述气象强迫场用于计算海面风应力和海面热通量；（2）开边界场：包括边界水位、边界流速、、边界温度和边界盐度；

43、（3）潮汐强迫场：通过潮汐调和常数和构造边界水位：

44、；

45、其中，和分别为第个分潮的振幅和迟角，为分潮角频率，为节点因子，为天文相角，为分潮总数，；所述潮汐强迫场至少包括、、、四个主要分潮的调和常数。

46、上述方案中，步骤s6中，所述三维水动力-泥沙输运模型的泥沙对流-扩散方程为：

47、；

48、其中，为泥沙浓度，、、分别为、、方向流速分量，和分别为水平和垂向扩散系数，为点源释放项，为泥沙沉降速度，、、构成的流速场由所述海面风应力作为动量边界条件驱动，所述垂向扩散系数受所述海面热通量驱动的温盐分层结构影响，从而实现移动释放强迫与水体动力环境的动态耦合

49、进一步的技术方案中，所述点源释放项的离散化表达式为：

50、；

51、其中，为当前时间步序号，为每个时段长度；和为kronecker delta函数，、为第个空间节点在计算网格中的水平索引。

52、上述方案中，所述三维水动力-泥沙输运模型包括roms、fvcom、mike、pom、hycom、nemo中的任意一种；

53、所述移动点源强迫场通过模型点源强迫文件在多类型三维水动力-泥沙输运模型中通用化实现：

54、当采用roms模型时，每个空间节点对应一个独立river点源，通过设置river_transport、river_mud和river_sand变量注入移动释放方案；

55、当采用fvcom模型时，通过修改源汇项文件，在相应空间节点位置动态添加垂向点源通量；

56、当采用mike模型时，通过定义动态排放边界条件，在相应网格节点上按激活时序施加泥沙通量；

57、当采用pom模型时，通过点源通量数组在垂向sigma层上按权重分配注入；

58、当采用hycom模型时，通过tracer源汇项在相应网格单元按激活时序注入泥沙浓度通量；

59、当采用nemo模型时，通过sbcrnf模块的河流/点源强迫文件按空间节点时序注入。

60、通过上述技术方案，本发明提供的一种用于海洋工程的移动点源悬浮泥沙扩散预测方法具有如下有益效果：

61、（1）实现了动力过程与释放位置的动态耦合，显著提高了近场浓度峰值和扩散范围的预测精度。本发明通过空间离散化、激活时序控制和多点源协同控制模型，准确刻画了施工设备沿路径逐步推进、泥沙随移动释放的真实物理过程，克服了传统同步释放假设将所有点源叠加在同一时段导致局部浓度严重高估的缺陷。

62、（2）避免了同步释放算法对瞬时源强的过度放大，模拟结果更贴近实际施工过程。本发明中任意时刻仅有一个点源处于激活状态，源强随施工进度逐点迁移，从物理机制上解决了多点同步叠加造成的累积误差问题，使悬浮泥沙浓度场的时间演化和空间分布更加符合“随移动产生、随扩散衰减”的自然规律，为环境影响评价提供了更为真实可靠的浓度场数据。

63、（3）为线性海洋工程的环境影响评估与施工方案优化提供了科学依据。本发明能够定量分析施工速度、施工时序、释放通量等工艺参数对悬浮泥沙扩散范围和浓度分布的影响规律，通过比较移动释放与同步释放两种方式的模拟结果差异，可量化评估同步释放假设带来的偏差程度，为施工进度安排、环保措施优化和审批决策提供定量化的技术支撑。

64、（4）构建了完整的通用化模型接口体系，具备跨平台的广泛适用性。本发明通过统一的移动点源强迫场构建方法和模型点源强迫文件接口，实现了在roms、fvcom、mike、pom、hycom、nemo等主流三维水动力-泥沙输运模型中的无缝移植，无需针对不同模型重新开发算法核心，大幅降低了技术推广和应用成本。各模型模拟结果一致性好，验证了本发明方法的模型无关性和通用性。

65、（5）为生态敏感区保护提供了精细化管控工具。本发明能够高分辨率地模拟施工过程中悬浮泥沙浓度时空演变的完整过程，可精确识别泥沙羽流是否侵入周边生态敏感区（如产卵场、保护区、养殖区等）及其持续时间和影响程度，为施工窗口期的选择、生态补偿措施的制定提供了量化决策依据。

66、综上所述，本发明从根本上解决了现有全管线同步释放方法物理失真、精度不足的技术瓶颈，在海洋工程环境模拟领域具有显著的技术进步性和广阔的应用前景。