CN117131698A - 一种近海港口码头淤积泥沙来源追踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种近海港口码头淤积泥沙来源追踪方法，包括：获取定位浮标装置实测的泥沙运动轨迹；基于获取的实测数据，构建泥沙追踪模型Sed‑Track，并对泥沙追踪模型Sed‑Track进行训练，实现近海的港口码头淤积泥沙的数值模拟；基于训练后的泥沙追踪模型Sed‑Track，进行近海港口码头淤积泥沙来源追踪，确定泥沙的来源。本发明通过对近海港口码头淤积泥沙来源规律的研究和分析，可以预测海岸侵蚀和海岸堆积的趋势和程度，根据泥沙的来源制定减轻港口淤积泥沙的方案。近海港口码头淤积泥沙来源追踪技术可以为海洋工程的设计、施工和维护提供依据和指导。
Description
技术领域
本发明涉及码头附近海域的泥沙运动数值模拟技术领域，具体而言，尤其涉及一种近海港口码头淤积泥沙来源追踪方法。
背景技术
伴随着航运业飞速发展，我国沿海港口建设了更多的高桩式码头，其中很多重要典型港口高桩码头分布于淤泥质海岸省份(天津港、连云港、长江口港、上海港、舟山港等)，淤泥质海岸带广泛分布的细颗粒粘性泥沙极易被潮汐波浪等海域水动力搬运，而我国不同海域水动力特征存在巨大差异，水动力场的差异叠加各海区不同主要河流入海泥通量的改变，使得不同海域内典型港口附近的泥沙运移规律有显著区别，最终影响码头附近的落淤程度。
泥沙淤积会导致船舶行驶受限，在港口的运营过程中定期清淤会造成大量的经济损失。近海海域泥沙淤积的特点在于，近海海域的水动力条件复杂，包括潮汐、海流、波浪等因素，这些因素会对泥沙淤积的分布和形态产生影响。近海海域地形通常比较复杂，包括浅滩、海脊、海山、海峡等影响着泥沙的运动，往复的潮汐又增加了对泥沙来源的研究难度。
泥沙运动领域的物理试验一般是通过室内长水槽来实现的，而受室内空间大小的限制无法建立拥有接近研究海域水流环境的水槽。泥沙运动的实测实验一般采取示踪剂投放判断泥沙的运动轨迹，但是该方法有一定的污染性。因此为研究不同海域重大桩基码头的动力特征及泥沙来源有重要意义，也是高桩码头泥沙回淤演变机理研究的必要基础。
发明内容
根据上述提出近海港口码头淤积泥沙来源追踪的技术问题，提供一种近海港口码头淤积泥沙来源追踪方法，场景应用于近海泥沙运动的模拟，为解决近海泥沙淤积来源以及运动轨迹提供数据支持。由于近海的海洋运动比较复杂，现有的泥沙追踪技术需要大量的实测，缺乏更有效率的追踪手段，本发明通过定位浮漂实测加数值模型。
本发明采用的技术手段如下：
一种近海港口码头淤积泥沙来源追踪方法，包括：
获取定位浮标装置实测的泥沙运动轨迹；
基于获取的实测数据，构建泥沙追踪模型Sed-Track，并对泥沙追踪模型Sed-Track进行训练，实现近海的港口码头淤积泥沙的数值模拟；
基于训练后的泥沙追踪模型Sed-Track，进行近海港口码头淤积泥沙来源追踪，确定泥沙的来源。
进一步地，所述获取定位浮标装置实测的泥沙运动轨迹，具体包括：
调整定位浮漂的数据回传时间和定位经度；
充满电后，给***包裹一层防撞缓冲材料；
选取合适的密封瓶，将***装入密封瓶并做好防水措施；
根据实际要求和潮汐表选取投掷点和投掷时间；
定时观察定位浮漂的运动情况并记录；
当观察到定位浮漂已经停止工作或已经停止移动，及时记录该时刻的坐标；
提取实验数据，并对其运动轨迹的时间和坐标进行处理；
将处理后的数据绘制成运动轨迹图，得到定位浮标装置实测的泥沙运动轨迹。
进一步地，所述构建的泥沙追踪模型Sed-Track，可以考虑海洋漂浮颗粒的特定行为，包括独立粒子的平流、分散、风阻、下沉、沉降、搁浅和重新漂浮过程，其中：
泥沙追踪模型Sed-Track中粒子在时间t+Δt的水平位置X表示为：
其中，U＝(u,v)和Kh分别表示水平流速矢量和扩散系数；i和j分别表示纬向(x)和经向(y)的单位向量；R表示在每个时间步生成的随机数，从-1到1，在每个时间步生成的平均值和标准差为0到1；X(t)表示粒子在时间t的原始水平位置；UΔt表示平流位移，表示水平湍流扩散引起的随机位移；
泥沙追踪模型Sed-Track中粒子在时间t+Δt的垂直位置Z表示为：
Z(t+Δt)＝Z(t)+w(t)Δt
其中w、ws和Kz分别表示垂直速度、沉降速度和垂直扩散系数；Z(t)表示粒子在时间t的原始垂直位置；泥沙追踪模型Sed-Track中使用了两个扩散系数Kh和Kz，方程式右侧的最后一项来自湍流扩散过程中的随机运动。
进一步地，所述对泥沙追踪模型Sed-Track进行训练，实现近海的港口码头淤积泥沙的数值模拟，具体包括：
绘制使用地区的海岸线以及重要的海岛岸线；
将重要岛屿岸线加入到input_conf.m内；
调整泥沙追踪模型Sed-Track的参数，包括运行开始时间，地点，运行时长；
调整泥沙追踪模型Sed-Track中的限制参数，包括独立粒子的平流、分散、风阻、下沉、沉降、搁浅和重新漂浮；
根据需求选择正向追踪或者反向追踪；
待运行结束后，导出模拟数据，并绘制运动轨迹图；
若运动轨迹比较符合实际，则进行验证；运动轨迹不符合实际，则需继续调整各项参数。
进一步地，所述基于训练后的泥沙追踪模型Sed-Track，进行近海港口码头淤积泥沙来源追踪，确定泥沙的来源，具体包括：
使用验证完成后的泥沙追踪模型Sed-Track，确定泥沙淤积的位置信息和时间信息；
在确定泥沙淤积的位置信息和时间信息后，大量投放下反追踪粒子；
待运行结束后整理模拟数据，并将整理完成后的数据进行绘图分析；
记录反向追踪的各个粒子的最终落点；
追踪粒子最终落点较密集的区域为泥沙的主要来源地，这部分泥沙的主要运动轨迹为泥沙的输运路线。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的近海港口码头淤积泥沙来源追踪方法，对近海港口码头淤积泥沙来源规律的研究和分析，可以预测海岸侵蚀和海岸堆积的趋势和程度，根据泥沙的来源制定减轻港口淤积泥沙的方案。近海港口码头淤积泥沙来源追踪技术可以为海洋工程的设计、施工和维护提供依据和指导。
基于上述理由本发明可在码头附近海域的泥沙运动数值模拟等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明实施例提供的组装完成的定位浮漂实物图。
图3为本发明实施例提供的泥沙追踪模型Sed-Track开发并实现生成的可执行文件。
图4为本发明实施例提供的FVCOM运行流程。
图5为本发明实施例提供的MATLAB模型运行流程。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明提供了一种近海港口码头淤积泥沙来源追踪方法，包括：
S1、获取定位浮标装置实测的泥沙运动轨迹；
S2、基于获取的实测数据，构建泥沙追踪模型Sed-Track，并对泥沙追踪模型Sed-Track进行训练，实现近海的港口码头淤积泥沙的数值模拟；
S3、基于训练后的泥沙追踪模型Sed-Track，进行近海港口码头淤积泥沙来源追踪，确定泥沙的来源。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1中，获取定位浮标装置实测的泥沙运动轨迹，具体包括：
S11、调整定位浮漂的数据回传时间和定位经度；
S12、充满电后，给***包裹一层防撞缓冲材料；
S13、选取合适的密封瓶，将***装入密封瓶并做好防水措施；
S14、根据实际要求和潮汐表选取投掷点和投掷时间；
S15、定时观察定位浮漂的运动情况并记录；
S16、当观察到定位浮漂已经停止工作或已经停止移动，及时记录该时刻的坐标；
S17、提取实验数据，并对其运动轨迹的时间和坐标进行处理；
S18、将处理后的数据绘制成运动轨迹图，得到定位浮标装置实测的泥沙运动轨迹。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S2中，构建的泥沙追踪模型Sed-Track主要采用三维拉格朗日粒子跟踪模型为基础研发，可以考虑海洋漂浮颗粒的特定行为，包括独立粒子的平流、分散、风阻、下沉、沉降、搁浅和重新漂浮过程，其中：
泥沙追踪模型Sed-Track中粒子在时间t+Δt的水平位置X表示为：
其中，U＝(u,v)和Kh分别表示水平流速矢量和扩散系数；i和j分别表示纬向(x)和经向(y)的单位向量；R表示在每个时间步生成的随机数，从-1到1，在每个时间步生成的平均值和标准差为0到1；X(t)表示粒子在时间t的原始水平位置；UΔt表示平流位移，表示水平湍流扩散引起的随机位移；
泥沙追踪模型Sed-Track中粒子在时间t+Δt的垂直位置Z表示为：
Z(t+Δt)＝Z(t)+w(t)Δt
其中w、ws和Kz分别表示垂直速度、沉降速度和垂直扩散系数；Z(t)表示粒子在时间t的原始垂直位置；泥沙追踪模型Sed-Track中使用了两个扩散系数Kh和Kz，方程式右侧的最后一项来自湍流扩散过程中的随机运动。
在本实施例中，Sed-Track是一种用于海洋和沿海***中泥沙运输的三维粒子跟踪模型，该模型由一组相互耦合和相互作用的模块组成。它可以计算二维或三维的正向和反向轨迹。SedTrack的可以与多种形式的水流速度输入格式兼容且能够通过添加更复杂和逼真的粒子行为和物理过程来扩展拉格朗日模型的平流-扩散，这些过程可以根据具体的使用情况进行选择。SedTrack可以包括搁浅、冲刷、下沉和沉积。特别是下沉和沉积取决于粒子的行为，而粒子的行为又取决于粒子的密度、大小、形状等。该模型可以根据新的实验结果或特定应用程序，添加新的过程和行为，并更改已经存在的过程的实现方式。
基于以上原理，采用MATLAB编写代码搭建泥沙追踪模型Sed-Track框架后并进行调试，为了提高计算效率，使用chunk method将矩阵数据转换为每个单元格条目中具有对应设置数量元素的数据块。在本实施例中，尝试将初步生成的初代版本模型生成可执行文件，如图3所示，为后续进一步封装为软件打下基础。
Sed-Track的内部运行逻辑如图5所示，图5中黑色箭头表示外部回路和内部回路。内部回路与外部回路保持相对独立，灰色箭头表示外部回路和内部回路之间的数。外部的数据在本实验中主要来自FVCOM运行结果，如图4所示，为FVCOM运行流程。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S2中，对泥沙追踪模型Sed-Track进行训练，实现近海的港口码头淤积泥沙的数值模拟，具体包括：
S21、绘制使用地区的海岸线以及重要的海岛岸线；
S22、将重要岛屿岸线加入到input_conf.m内；
S23、调整泥沙追踪模型Sed-Track的参数，包括运行开始时间，地点，运行时长；
S24、调整泥沙追踪模型Sed-Track中的限制参数，包括独立粒子的平流、分散、风阻、下沉、沉降、搁浅和重新漂浮；
S25、根据需求选择正向追踪或者反向追踪；
S26、待运行结束后，导出模拟数据，并绘制运动轨迹图；
S27、若运动轨迹比较符合实际，则进行验证；运动轨迹不符合实际，则需继续调整各项参数。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3中，基于训练后的泥沙追踪模型Sed-Track，进行近海港口码头淤积泥沙来源追踪，确定泥沙的来源，具体包括：
S31、使用验证完成后的泥沙追踪模型Sed-Track，确定泥沙淤积的位置信息和时间信息；
S32、在确定泥沙淤积的位置信息和时间信息后，大量投放下反追踪粒子；
S33、待运行结束后整理模拟数据，并将整理完成后的数据进行绘图分析；
S34、记录反向追踪的各个粒子的最终落点；
S35、追踪粒子最终落点较密集的区域为泥沙的主要来源地，这部分泥沙的主要运动轨迹为泥沙的输运路线。
在本实施例中，定位浮漂装置通信频段包含LTE FDD-LTE:B1/B3、TDD-LTE:B38/B39/B40/B41、3GWCDMA:B1等。GPS频段为1.57542GHZ，灵敏度为-162dBm，卫星精度5-10米，搜星时间为3-15秒。定位浮漂支持持GSM/WCDMA/LTE FDD，4G全网通同时支持GPS/北斗/AGPS/LBS/Wifi精准定位，可持续工作时间约为72-216小时。在本实施例中使用定位浮漂时需要对其进行防摔和防水处理，如图2所示，为组装完成的定位浮漂。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种近海港口码头淤积泥沙来源追踪方法，其特征在于，包括：
获取定位浮标装置实测的泥沙运动轨迹；
基于获取的实测数据，构建泥沙追踪模型Sed-Track，并对泥沙追踪模型Sed-Track进行训练，实现近海的港口码头淤积泥沙的数值模拟；
基于训练后的泥沙追踪模型Sed-Track，进行近海港口码头淤积泥沙来源追踪，确定泥沙的来源。
2.根据权利要求1所述的近海港口码头淤积泥沙来源追踪方法，其特征在于，所述获取定位浮标装置实测的泥沙运动轨迹，具体包括：
调整定位浮漂的数据回传时间和定位经度；
充满电后，给***包裹一层防撞缓冲材料；
选取合适的密封瓶，将***装入密封瓶并做好防水措施；
根据实际要求和潮汐表选取投掷点和投掷时间；
定时观察定位浮漂的运动情况并记录；
当观察到定位浮漂已经停止工作或已经停止移动，及时记录该时刻的坐标；
提取实验数据，并对其运动轨迹的时间和坐标进行处理；
将处理后的数据绘制成运动轨迹图，得到定位浮标装置实测的泥沙运动轨迹。
3.根据权利要求1所述的近海港口码头淤积泥沙来源追踪方法，其特征在于，所述构建的泥沙追踪模型Sed-Track，可以考虑海洋漂浮颗粒的特定行为，包括独立粒子的平流、分散、风阻、下沉、沉降、搁浅和重新漂浮过程，其中：
泥沙追踪模型Sed-Track中粒子在时间t+Δt的水平位置X表示为：
其中，U＝(u,v)和Kh分别表示水平流速矢量和扩散系数；i和j分别表示纬向(x)和经向(y)的单位向量；R表示在每个时间步生成的随机数，从-1到1，在每个时间步生成的平均值和标准差为0到1；X(t)表示粒子在时间t的原始水平位置；UΔt表示平流位移，表示水平湍流扩散引起的随机位移；
泥沙追踪模型Sed-Track中粒子在时间t+Δt的垂直位置Z表示为：
Z(t+Δt)＝Z(t)+w(t)Δt
其中w、ws和Kz分别表示垂直速度、沉降速度和垂直扩散系数；Z(t)表示粒子在时间t的原始垂直位置；泥沙追踪模型Sed-Track中使用了两个扩散系数Kh和Kz，方程式右侧的最后一项来自湍流扩散过程中的随机运动。
4.根据权利要求1所述的近海港口码头淤积泥沙来源追踪方法，其特征在于，所述对泥沙追踪模型Sed-Track进行训练，实现近海的港口码头淤积泥沙的数值模拟，具体包括：
绘制使用地区的海岸线以及重要的海岛岸线；
将重要岛屿岸线加入到input_conf.m内；
调整泥沙追踪模型Sed-Track的参数，包括运行开始时间，地点，运行时长；
调整泥沙追踪模型Sed-Track中的限制参数，包括独立粒子的平流、分散、风阻、下沉、沉降、搁浅和重新漂浮；
根据需求选择正向追踪或者反向追踪；
待运行结束后，导出模拟数据，并绘制运动轨迹图；
若运动轨迹比较符合实际，则进行验证；运动轨迹不符合实际，则需继续调整各项参数。
5.根据权利要求1所述的近海港口码头淤积泥沙来源追踪方法，其特征在于，所述基于训练后的泥沙追踪模型Sed-Track，进行近海港口码头淤积泥沙来源追踪，确定泥沙的来源，具体包括：
使用验证完成后的泥沙追踪模型Sed-Track，确定泥沙淤积的位置信息和时间信息；
在确定泥沙淤积的位置信息和时间信息后，大量投放下反追踪粒子；
待运行结束后整理模拟数据，并将整理完成后的数据进行绘图分析；
记录反向追踪的各个粒子的最终落点；
追踪粒子最终落点较密集的区域为泥沙的主要来源地，这部分泥沙的主要运动轨迹为泥沙的输运路线。
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