本發(fā)明屬于湖岸帶碎浪壩沉積厚度分析領(lǐng)域，尤其與一種計(jì)算湖岸帶碎浪壩沉積厚度的方法有關(guān)。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)內(nèi)油氣勘探與開發(fā)的逐漸深入，陸相湖盆灘壩砂體成為中國(guó)重要的儲(chǔ)集層類型之一，近年來(lái)在高成熟油氣探區(qū)如渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地等陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了灘壩砂體儲(chǔ)集層。然而，對(duì)這種灘壩砂體的沉積動(dòng)力學(xué)研究還不是很深入，迫切需要建立完善的理論體系。而對(duì)海岸的研究，有完善的海岸動(dòng)力學(xué)理論。但是，由于湖泊和海洋在規(guī)模、濱岸帶坡度方面存在較大差異，不能直接將海岸動(dòng)力學(xué)理論應(yīng)用過(guò)來(lái)。對(duì)此，還需提出適合湖岸研究的動(dòng)力學(xué)理論來(lái)計(jì)算砂體堆積厚度。灘壩指濱淺湖地帶常見(jiàn)的砂體類型，是灘砂和壩砂的總稱，其形成主要受波浪的控制。碎浪壩：發(fā)育在湖泊濱岸碎浪帶內(nèi)的一列壩體。深水區(qū)指湖平面上一點(diǎn)對(duì)應(yīng)水深達(dá)到浪基面以下，波浪能夠保持完整形態(tài)的湖面區(qū)域。其中碎浪帶砂體厚度的精確計(jì)算對(duì)油田油氣資源的預(yù)測(cè)有著重要的參考價(jià)值。對(duì)于水利工程領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，海岸碎浪帶沙體厚度的計(jì)算對(duì)輸沙量的確定及海港工程的建設(shè)有著參考意義。因此，湖泊碎浪帶砂體厚度的確定變得尤為重要。

現(xiàn)有的湖岸砂體厚度計(jì)算方法是基于海岸動(dòng)力學(xué)的研究，其原理是認(rèn)為砂體堆積的最大厚度等于水深，并將水深與波高參數(shù)建立起聯(lián)系。在海岸的研究中，將波浪破碎點(diǎn)至岸線這一地帶稱為“破波帶”。波浪破碎后的波高變化取決于破碎后沿程的能量損耗大小，并且用段波理論來(lái)研究波浪破碎后的波高衰減特征。實(shí)驗(yàn)顯示波浪破碎后任一點(diǎn)的波高近似地與當(dāng)?shù)厮畛烧?，?/p>

h/h＝γb(1)

式中：h為波高；h為水深(認(rèn)為是砂體堆積的最大厚度)；γb為波浪破碎指標(biāo)，實(shí)際應(yīng)用中它還依賴于波浪形態(tài)(規(guī)則波、不規(guī)則波)，一般要有試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定。就海岸動(dòng)力學(xué)本身而言，各水動(dòng)力分帶還沒(méi)有定量化，尤其碎浪帶還沒(méi)有精確定義。就公式(1)而言，湖泊和海洋還是有一定的差異(湖泊規(guī)模小，濱岸帶較窄，地形坡度較大)，湖泊中濱岸帶砂體堆積的厚度與地形坡度有著很大的關(guān)系，但是在上述公式(1)中，并沒(méi)有體現(xiàn)。就實(shí)際可操作性而言，砂體堆積處的波高參數(shù)不容易捕獲(測(cè)量)，一般只能是估計(jì)，這樣的計(jì)算結(jié)果就會(huì)存在較大的誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述背景技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明旨在提供一種計(jì)算湖岸帶碎浪壩沉積厚度的方法。

為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種計(jì)算湖岸帶碎浪壩沉積厚度的方法，包括以下步驟：

步驟一，測(cè)量深水區(qū)波高(h0)、波長(zhǎng)(l0)和地形坡角(β)的數(shù)據(jù)：對(duì)于濱岸帶地形平直的區(qū)域，測(cè)量出垂直于岸線任兩點(diǎn)的高差和距離，通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算所得的角度即為濱岸帶的地形坡角(β)的數(shù)據(jù)；對(duì)于濱岸帶地形起伏的區(qū)域，選取有代表性的一段平直地形測(cè)量出垂直于岸線兩點(diǎn)的高差和距離，通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算所得的角度即為濱岸帶的地形坡角(β)的數(shù)據(jù)；

步驟二，分析湖泊中波浪破碎問(wèn)題，根據(jù)湖泊波浪破碎后任一點(diǎn)的波高與當(dāng)?shù)厮畛烧汝P(guān)系：

h/h＝γb(6)

h為波高；h為水深；γb為波浪破碎指標(biāo)；

而湖泊需考慮坡度的影響，湖泊波浪破碎后任一點(diǎn)并受坡度控制，則有：

γb＝0.72+5.6tanβ(7)

步驟三，湖泊碎浪點(diǎn)的確定，由于波浪進(jìn)入破碎帶后，波能衰減很快，波高一般在破浪點(diǎn)達(dá)到最大值，所以進(jìn)入波浪破碎帶后，深水波高的初始值為破浪波高h(yuǎn)b，相應(yīng)的，碎浪點(diǎn)的水深應(yīng)等于破浪波高h(yuǎn)b；

步驟四，碎浪點(diǎn)水深hs的確定，根據(jù)(6)和(7)式可得，

根據(jù)破浪波高與深水波要素之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

h0’是考慮折射繞射作用后的等價(jià)深水波高，當(dāng)波浪正向入射時(shí)折射系數(shù)等于1，h0’＝h0

可得hb＝0.76(tanβ)^1/7(h0/l0)^-1/4h0

(10)

將式(10)代入式(8)即可得破浪點(diǎn)水深hb:

當(dāng)破浪點(diǎn)水深與深水波高相等時(shí)，深水波浪不能維持傳播，達(dá)到碎浪點(diǎn)，即碎浪水深hs等于深水波高h(yuǎn)b，

hs＝hb＝0.76(tanβ)^1/7(h0/l0)^-1/4h0(12)。

作為對(duì)上述技術(shù)方案的補(bǔ)充和完善，本發(fā)明還包括以下技術(shù)特征。

步驟一中的深水區(qū)波高(h0)、波長(zhǎng)(l0)通過(guò)乘船至深水區(qū)直接測(cè)量所得，然后求平均值取得深水區(qū)波高(h0)、波長(zhǎng)(l0)的數(shù)據(jù)。

步驟一中的深水區(qū)波高(h0)、波長(zhǎng)(l0)利用風(fēng)浪公式計(jì)算:

gh/v²＝5.5×10^-3(gf/v²)^0.35th[30(gd/v²)^0.8/(gf/v²)^0.35](2)

gt/v＝0.55(gf/v²)^0.233th^2/3[30(gd/v²)^0.8/(gf/v²)^0.35](3)

對(duì)公式(2)變形，導(dǎo)出波高h(yuǎn)與風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度f(wàn)、風(fēng)速v和水深d之間的關(guān)系：

h＝5.5×10^-3(gf/v²)^0.35th[30(gd/v²)^0.8/(gf/v²)^0.35]·v²/g(4)

再對(duì)公式(2)變形，并根據(jù)微幅波理論中深水波長(zhǎng)l與波周期t之間的關(guān)系，得到波長(zhǎng)l與風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度f(wàn)、風(fēng)速v和水深d之間的關(guān)系：

l＝gt²/(2π)＝0.3025(gf/v²)^0.466th^4/3[30(gd/v²)^0.8/(gf/v²)^0.35]·v²/(2πg(shù))(5)

式中：h—有效波高(m)；t—有效波周期(s)；l—深水波長(zhǎng)(m)；f—風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度(m)；v—風(fēng)速(m/s)；d—水深(m)；g—重力加速度(m/s²)。

上述湖岸帶碎浪壩沉積厚度的計(jì)算對(duì)坡度的要求是小于1/20。

使用本發(fā)明可以達(dá)到以下有益效果：本發(fā)明借鑒海岸動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論的同時(shí)，將地形坡度參數(shù)考慮了進(jìn)去。并且定量化地分析湖泊不同水動(dòng)力帶的波浪特征，以及對(duì)湖底沉積物的作用方式。將碎浪帶內(nèi)的沙體厚度用可捕獲的深水區(qū)波高、波長(zhǎng)以及地形坡度定量化的表示出來(lái)。通過(guò)該方法，可以更為精確地計(jì)算出碎浪帶內(nèi)砂體堆積的厚度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的波高(h0)、波長(zhǎng)(l0)、和地形坡角(β)參數(shù)的獲取示意圖。

圖2為本發(fā)明的湖泊波浪破碎示意圖。

圖3為本發(fā)明的低坡度(小于1/20)情況下濱岸不同水動(dòng)力帶定量劃分示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍

1、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備:

1)深水區(qū)波高(h0)、波長(zhǎng)(l0)、和地形坡角(β)

本提案所計(jì)算的堆積厚度是關(guān)于深水區(qū)波高波高(h0)、波長(zhǎng)(l0)、和地形坡角(β)的函數(shù)。所以，只需確定出這3個(gè)參數(shù)就可以計(jì)算出砂體的堆積厚度。深水區(qū)的波浪不受地形的作用能夠保持完整的波形，其波高和波長(zhǎng)在短時(shí)間內(nèi)都能保持一致，通過(guò)乘船到湖中心可直接測(cè)量得到(如圖1-a所示)。為提高計(jì)算結(jié)果的精確度，可測(cè)量多組數(shù)據(jù)，然后求平均值。

對(duì)于地形坡角的測(cè)量主要分為大尺度和小尺度兩種。如果濱岸帶地形比較平直，近似于一條直線，可進(jìn)行大尺度測(cè)量。具體是測(cè)量出垂直于岸線兩點(diǎn)的高差和距離，通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算所得，用大尺度的坡角來(lái)近似代替濱岸帶的地形坡腳(如圖1-b所示)。如果濱岸帶地形比較曲折，那么大尺度的測(cè)量的結(jié)果就不能代替局部的坡角。這時(shí)就需要進(jìn)行小規(guī)模的坡角測(cè)量。具體測(cè)量方法與大尺度的測(cè)量方法相同，只不過(guò)是選取的測(cè)量對(duì)象較小(局部)(如圖1-c所示)。

2)湖區(qū)風(fēng)速和風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度和平均水深

如果深水區(qū)波高(h0)和波長(zhǎng)(l0)不容易捕獲時(shí)，也可通過(guò)風(fēng)浪公式計(jì)算得到。前人對(duì)風(fēng)浪波高、周期與風(fēng)速大小、風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度之間關(guān)系的研究較多，本文采用較成熟的、應(yīng)用最廣泛的海港水文規(guī)范1998版本(公式(2)、(3))：

gh/v²＝5.5×10^-3(gf/v²)^0.35th[30(gd/v²)^0.8/(gf/v²)^0.35](2)

gt/v＝0.55(gf/v²)^0.233th^2/3[30(gd/v²)^0.8/(gf/v²)^0.35](3)

對(duì)公式(2)變形，導(dǎo)出波高h(yuǎn)與風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度f(wàn)、風(fēng)速v和水深d之間的關(guān)系：

h＝5.5×10^-3(gf/v²)^0.35th[30(gd/v²)^0.8/(gf/v²)^0.35]·v²/g(4)

再對(duì)公式(3)變形，并根據(jù)微幅波理論中深水波長(zhǎng)l與波周期t之間的關(guān)系，得到波長(zhǎng)l與風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度f(wàn)、風(fēng)速v和水深d之間的關(guān)系：

l＝gt²/(2π)＝0.3025(gf/v²)^0.466th^4/3[30(gd/v²)^0.8/(gf/v²)^0.35]·v²/(2πg(shù))(5)

式中：h—有效波高(m)；t—有效波周期(s)；l—深水波長(zhǎng)(m)；f—風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度(m)；v—風(fēng)速(m/s)；d—水深(m)；g—重力加速度(m/s²)。

通過(guò)公式(4)和(5)可以看出，要計(jì)算出深水區(qū)的波高(h)和波長(zhǎng)(l)的話，還需知道湖區(qū)的風(fēng)速(v)和風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度(f)及湖泊的平均水深(d)。其中風(fēng)速(v)可通過(guò)湖泊周圍或者湖中島上的測(cè)風(fēng)塔來(lái)捕獲，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度(f)一般指湖泊的長(zhǎng)度或?qū)挾?，湖泊的平均水深也可通過(guò)測(cè)量計(jì)算而來(lái)。

2、湖泊中波浪破碎問(wèn)題

湖泊波浪破碎后任一點(diǎn)的波高近似地與當(dāng)?shù)厮畛烧?，并受坡度控制?/p>

由海岸動(dòng)力學(xué)可知，波浪破碎后的波高變化決定于破碎后沿程的能量損耗的大小，

lemehaute(1962)maseiwagaki(1982),mizuguchi(1982),svendsen(1984),dally等(1985)將破碎波近似為傳播中的段波(或水躍)以決定波浪破碎中的能量耗散。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)顯示湖泊波浪破碎后任一點(diǎn)的波高近似地與當(dāng)?shù)厮畛烧炔⒂校?/p>

h/h＝γb(6)

對(duì)以γb的計(jì)算，前人多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出。miche(1944)認(rèn)為γb＝0.89，mccowan認(rèn)為海灘上的破碎指標(biāo)為0.78。由于湖泊必須考慮坡度的影響，所以擬采用zou(2009)提出經(jīng)驗(yàn)公式：

γb＝0.72+5.6tanβ(7)

3、湖泊碎浪點(diǎn)確定

碎浪點(diǎn)在海岸動(dòng)力學(xué)研究中往往與破浪點(diǎn)相混淆或不做特別說(shuō)明。在湖泊中，由于碎浪帶通常也發(fā)育一列砂壩，所以有必要把碎浪點(diǎn)做定量分析。根據(jù)圖中水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡可知，波浪水質(zhì)點(diǎn)圍繞原點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，而一個(gè)波高范圍內(nèi)的水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)能力越強(qiáng)。當(dāng)波浪波高與水深相等，波浪對(duì)湖底的觸底作用最強(qiáng)，此時(shí)波浪在地形的影響下，將不能保持原有波形，必然劇烈破碎。在湖泊中的破浪點(diǎn)的定義比較明確，一般認(rèn)為是深水波能保持波形或開始發(fā)生破碎的深度點(diǎn)。相應(yīng)的，我們認(rèn)為深水波開始劇烈破碎的點(diǎn)為碎浪點(diǎn)。即碎浪點(diǎn)水深約等于深水波高。這樣，破浪點(diǎn)和碎浪點(diǎn)的定義得到了統(tǒng)一。在實(shí)際計(jì)算中，由于波浪進(jìn)入破碎帶后，波能衰減很快，波高一般在破浪點(diǎn)達(dá)到最大值，所以，可以認(rèn)為進(jìn)入波浪破碎帶后，深水波高的初始值為破浪波高h(yuǎn)b，相應(yīng)的，碎浪點(diǎn)的水深應(yīng)等于破浪波高h(yuǎn)b，如圖2所示。

4、碎浪點(diǎn)水深hs的確定

因風(fēng)而產(chǎn)生的波浪，由深水區(qū)向淺水區(qū)傳播，當(dāng)水深大致為l0/2(l0為深水波長(zhǎng))深度時(shí)，波浪觸及湖底，深水波變?yōu)闇\水波，湖底沉積物開始受到波浪作用的影響。故以l0/2作為正常浪基面的水深。

波浪觸及湖底繼續(xù)向岸傳播時(shí)，由于水深減小，相同的波能到達(dá)較潛的水層，單位水體內(nèi)的波浪能量增大，波高增大，這一變化稱為升浪。并將浪基面之上到破浪點(diǎn)之間的區(qū)帶稱為“升浪帶”。

隨著向岸傳播，水深愈減小，波高亦逐漸增大。由于波浪的最大波高受波形能保持穩(wěn)定的最大坡陡(波高h(yuǎn)與波長(zhǎng)l的比值)所限制，當(dāng)波高增大到極限坡陡時(shí)，波浪倒卷并發(fā)生破碎，稱為“破浪”，并以此處的位置稱為“破浪點(diǎn)”。

根據(jù)(6)和(7)式可得，

stokes(1880)指出，當(dāng)波峰的水質(zhì)點(diǎn)水平軌跡速度剛好等于波速時(shí)，波陡達(dá)到極限，這時(shí)波峰尖陡而不穩(wěn)定，深水波開始破碎，lemehaute(1967)根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料得到破浪波高與深水波要素之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

h0’是考慮折射繞射作用后的等價(jià)深水波高，當(dāng)波浪正向入射時(shí)折射系數(shù)等于1，h0’＝h0

可得hb＝0.76(tanβ)^1/7(h0/l0)^-1/4h0

(10)

將式(10)代入式(8)即可得破浪點(diǎn)水深hb:

當(dāng)破浪點(diǎn)水深大致與深水波高相等時(shí)，深水波浪不能維持傳播，達(dá)到碎浪點(diǎn)。即碎浪水深hs等于深水波高h(yuǎn)b。即

hs＝hb＝0.76(tanβ)^1/7(h0/l0)^-1/4h0

(12)

另外，碎浪點(diǎn)也存在極端情況，當(dāng)h＝h*γb，γb>＝1時(shí)，也就是坡度＝1/20時(shí)，此時(shí)破碎帶的波高將大于等于水深，這時(shí)，破碎帶內(nèi)的波浪都將不能保持原有波形，并劇烈破碎，此時(shí)，不存在破浪帶，只存在碎浪帶。換言之，當(dāng)坡度小于1/20時(shí)，濱湖帶才可以區(qū)分破浪帶和碎浪帶,如圖3所示。

具體實(shí)驗(yàn)實(shí)施方式如下：

1、青海湖深水區(qū)波高和波長(zhǎng)的確定

根據(jù)青海湖1972—2013年的氣象資料統(tǒng)計(jì)：青海湖年平均風(fēng)速介于2.8—4.1m/s，年最大風(fēng)速介于14.6—26.7m/s；主要盛行北風(fēng)和西北風(fēng)，由于湖泊長(zhǎng)軸方向?yàn)榻鼥|西向，對(duì)于計(jì)算湖南岸波浪參數(shù)來(lái)說(shuō)，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度f(wàn)應(yīng)取湖泊南北向的寬度63km，水深d取深湖對(duì)應(yīng)的水深21m。

將1972—2013年每年的年平均風(fēng)速和年最大風(fēng)速帶入式(11)(12)，即可得到年平均風(fēng)速和年最大風(fēng)速下青海湖風(fēng)浪深水波高與波長(zhǎng)，風(fēng)速越大，生成波浪的波高和波長(zhǎng)的值就越大，并且在平均風(fēng)速和最大風(fēng)速下所求得的值會(huì)相差很大。再對(duì)1972—2013年的所有年平均風(fēng)速和年最大風(fēng)速分別求平均值，為3.5m/s和18.9m/s，進(jìn)而求得其相對(duì)應(yīng)的波高和波長(zhǎng)(表1)。

表1青海湖1972—2013年平均風(fēng)速和平均最大風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的波高和波長(zhǎng)

2、青海湖2個(gè)灘壩的剖面實(shí)測(cè)規(guī)格

由于青海湖主要盛行西北風(fēng)，灘壩主要發(fā)育在湖的東南岸。本次所測(cè)量的2個(gè)灘壩位于湖的南岸二郎劍附近。各壩體的坡角、寬度和厚度見(jiàn)表2。

表2青海湖二郎劍附近兩露頭剖面中2個(gè)壩體的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

將通過(guò)青海湖風(fēng)的資料計(jì)算出的深水區(qū)波浪的波高和波長(zhǎng)和實(shí)測(cè)的灘壩坡角帶入公式(8)，可計(jì)算出2個(gè)壩的厚度(表3)。

表3通過(guò)風(fēng)浪關(guān)系式及不同水動(dòng)力帶定量分析出的3個(gè)灘壩參數(shù)

3、計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)表4中的計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比可看出，實(shí)測(cè)結(jié)果比計(jì)算結(jié)果稍偏小。其原因時(shí)壩體可發(fā)育的極限厚度是一個(gè)理想的狀態(tài)，在實(shí)際沉積過(guò)程中很難達(dá)到。隨著壩體的生長(zhǎng)，湖底地形發(fā)生改變，波浪作用帶的位置發(fā)生遷移，如破浪壩的生長(zhǎng)會(huì)使水深變淺，波浪在沒(méi)到達(dá)之前的破浪點(diǎn)時(shí)就滿足破碎條件發(fā)生破碎，使破浪點(diǎn)位置向湖中心遷移，破浪壩主體也向湖中心遷移而不會(huì)在原地一直生長(zhǎng)到極限厚度。但是，理想厚度的計(jì)算還是具有一定的沉積意義，可以定量的分析在一定風(fēng)浪和地形條件下，灘壩的生長(zhǎng)情況。

表4青海湖觀測(cè)灘壩預(yù)測(cè)厚度與實(shí)際厚度對(duì)比表

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。