一种计算湖岸带碎浪坝沉积厚度的方法与流程

本发明属于湖岸带碎浪坝沉积厚度分析领域，尤其与一种计算湖岸带碎浪坝沉积厚度的方法有关。

背景技术：

随着国内油气勘探与开发的逐渐深入，陆相湖盆滩坝砂体成为中国重要的储集层类型之一，近年来在高成熟油气探区如渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地等陆续发现了滩坝砂体储集层。然而，对这种滩坝砂体的沉积动力学研究还不是很深入，迫切需要建立完善的理论体系。而对海岸的研究，有完善的海岸动力学理论。但是，由于湖泊和海洋在规模、滨岸带坡度方面存在较大差异，不能直接将海岸动力学理论应用过来。对此，还需提出适合湖岸研究的动力学理论来计算砂体堆积厚度。滩坝指滨浅湖地带常见的砂体类型，是滩砂和坝砂的总称，其形成主要受波浪的控制。碎浪坝：发育在湖泊滨岸碎浪带内的一列坝体。深水区指湖平面上一点对应水深达到浪基面以下，波浪能够保持完整形态的湖面区域。其中碎浪带砂体厚度的精确计算对油田油气资源的预测有着重要的参考价值。对于水利工程领域来说，海岸碎浪带沙体厚度的计算对输沙量的确定及海港工程的建设有着参考意义。因此，湖泊碎浪带砂体厚度的确定变得尤为重要。

现有的湖岸砂体厚度计算方法是基于海岸动力学的研究，其原理是认为砂体堆积的最大厚度等于水深，并将水深与波高参数建立起联系。在海岸的研究中，将波浪破碎点至岸线这一地带称为“破波带”。波浪破碎后的波高变化取决于破碎后沿程的能量损耗大小，并且用段波理论来研究波浪破碎后的波高衰减特征。实验显示波浪破碎后任一点的波高近似地与当地水深成正比，即

h/h＝γb(1)

式中：h为波高；h为水深(认为是砂体堆积的最大厚度)；γb为波浪破碎指标，实际应用中它还依赖于波浪形态(规则波、不规则波)，一般要有试验结果来确定。就海岸动力学本身而言，各水动力分带还没有定量化，尤其碎浪带还没有精确定义。就公式(1)而言，湖泊和海洋还是有一定的差异(湖泊规模小，滨岸带较窄，地形坡度较大)，湖泊中滨岸带砂体堆积的厚度与地形坡度有着很大的关系，但是在上述公式(1)中，并没有体现。就实际可操作性而言，砂体堆积处的波高参数不容易捕获(测量)，一般只能是估计，这样的计算结果就会存在较大的误差。

技术实现要素：

针对上述背景技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种计算湖岸带碎浪坝沉积厚度的方法。

为此，本发明采用以下技术方案：一种计算湖岸带碎浪坝沉积厚度的方法，包括以下步骤：

步骤一，测量深水区波高(h0)、波长(l0)和地形坡角(β)的数据：对于滨岸带地形平直的区域，测量出垂直于岸线任两点的高差和距离，通过三角函数计算所得的角度即为滨岸带的地形坡角(β)的数据；对于滨岸带地形起伏的区域，选取有代表性的一段平直地形测量出垂直于岸线两点的高差和距离，通过三角函数计算所得的角度即为滨岸带的地形坡角(β)的数据；

步骤二，分析湖泊中波浪破碎问题，根据湖泊波浪破碎后任一点的波高与当地水深成正比关系：

h/h＝γb(6)

h为波高；h为水深；γb为波浪破碎指标；

而湖泊需考虑坡度的影响，湖泊波浪破碎后任一点并受坡度控制，则有：

γb＝0.72+5.6tanβ(7)

步骤三，湖泊碎浪点的确定，由于波浪进入破碎带后，波能衰减很快，波高一般在破浪点达到最大值，所以进入波浪破碎带后，深水波高的初始值为破浪波高hb，相应的，碎浪点的水深应等于破浪波高hb；

步骤四，碎浪点水深hs的确定，根据(6)和(7)式可得，

根据破浪波高与深水波要素之间的经验关系式：

h0’是考虑折射绕射作用后的等价深水波高，当波浪正向入射时折射系数等于1，h0’＝h0

可得hb＝0.76(tanβ)^1/7(h0/l0)^-1/4h0

(10)

将式(10)代入式(8)即可得破浪点水深hb:

当破浪点水深与深水波高相等时，深水波浪不能维持传播，达到碎浪点，即碎浪水深hs等于深水波高hb，

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

作为对上述技术方案的补充和完善，本发明还包括以下技术特征。

步骤一中的深水区波高(h0)、波长(l0)通过乘船至深水区直接测量所得，然后求平均值取得深水区波高(h0)、波长(l0)的数据。

步骤一中的深水区波高(h0)、波长(l0)利用风浪公式计算:

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)

对公式(2)变形，导出波高h与风区长度f、风速v和水深d之间的关系：

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

再对公式(2)变形，并根据微幅波理论中深水波长l与波周期t之间的关系，得到波长l与风区长度f、风速v和水深d之间的关系：

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

式中：h—有效波高(m)；t—有效波周期(s)；l—深水波长(m)；f—风区长度(m)；v—风速(m/s)；d—水深(m)；g—重力加速度(m/s²)。

上述湖岸带碎浪坝沉积厚度的计算对坡度的要求是小于1/20。

使用本发明可以达到以下有益效果：本发明借鉴海岸动力学相关理论的同时，将地形坡度参数考虑了进去。并且定量化地分析湖泊不同水动力带的波浪特征，以及对湖底沉积物的作用方式。将碎浪带内的沙体厚度用可捕获的深水区波高、波长以及地形坡度定量化的表示出来。通过该方法，可以更为精确地计算出碎浪带内砂体堆积的厚度。

附图说明

图1为本发明的波高(h0)、波长(l0)、和地形坡角(β)参数的获取示意图。

图2为本发明的湖泊波浪破碎示意图。

图3为本发明的低坡度(小于1/20)情况下滨岸不同水动力带定量划分示意图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围

1、数据准备:

1)深水区波高(h0)、波长(l0)、和地形坡角(β)

本提案所计算的堆积厚度是关于深水区波高波高(h0)、波长(l0)、和地形坡角(β)的函数。所以，只需确定出这3个参数就可以计算出砂体的堆积厚度。深水区的波浪不受地形的作用能够保持完整的波形，其波高和波长在短时间内都能保持一致，通过乘船到湖中心可直接测量得到(如图1-a所示)。为提高计算结果的精确度，可测量多组数据，然后求平均值。

对于地形坡角的测量主要分为大尺度和小尺度两种。如果滨岸带地形比较平直，近似于一条直线，可进行大尺度测量。具体是测量出垂直于岸线两点的高差和距离，通过三角函数计算所得，用大尺度的坡角来近似代替滨岸带的地形坡脚(如图1-b所示)。如果滨岸带地形比较曲折，那么大尺度的测量的结果就不能代替局部的坡角。这时就需要进行小规模的坡角测量。具体测量方法与大尺度的测量方法相同，只不过是选取的测量对象较小(局部)(如图1-c所示)。

2)湖区风速和风区长度和平均水深

如果深水区波高(h0)和波长(l0)不容易捕获时，也可通过风浪公式计算得到。前人对风浪波高、周期与风速大小、风区长度之间关系的研究较多，本文采用较成熟的、应用最广泛的海港水文规范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)

对公式(2)变形，导出波高h与风区长度f、风速v和水深d之间的关系：

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

再对公式(3)变形，并根据微幅波理论中深水波长l与波周期t之间的关系，得到波长l与风区长度f、风速v和水深d之间的关系：

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

式中：h—有效波高(m)；t—有效波周期(s)；l—深水波长(m)；f—风区长度(m)；v—风速(m/s)；d—水深(m)；g—重力加速度(m/s²)。

通过公式(4)和(5)可以看出，要计算出深水区的波高(h)和波长(l)的话，还需知道湖区的风速(v)和风区长度(f)及湖泊的平均水深(d)。其中风速(v)可通过湖泊周围或者湖中岛上的测风塔来捕获，风区长度(f)一般指湖泊的长度或宽度，湖泊的平均水深也可通过测量计算而来。

2、湖泊中波浪破碎问题

湖泊波浪破碎后任一点的波高近似地与当地水深成正比，并受坡度控制。

由海岸动力学可知，波浪破碎后的波高变化决定于破碎后沿程的能量损耗的大小，

lemehaute(1962)maseiwagaki(1982),mizuguchi(1982),svendsen(1984),dally等(1985)将破碎波近似为传播中的段波(或水跃)以决定波浪破碎中的能量耗散。经过试验显示湖泊波浪破碎后任一点的波高近似地与当地水深成正比并有：

h/h＝γb(6)

对以γb的计算，前人多根据经验和统计数据得出。miche(1944)认为γb＝0.89，mccowan认为海滩上的破碎指标为0.78。由于湖泊必须考虑坡度的影响，所以拟采用zou(2009)提出经验公式：

γb＝0.72+5.6tanβ(7)

3、湖泊碎浪点确定

碎浪点在海岸动力学研究中往往与破浪点相混淆或不做特别说明。在湖泊中，由于碎浪带通常也发育一列砂坝，所以有必要把碎浪点做定量分析。根据图中水质点运动轨迹可知，波浪水质点围绕原点做圆周运动，而一个波高范围内的水质点的运动能力越强。当波浪波高与水深相等，波浪对湖底的触底作用最强，此时波浪在地形的影响下，将不能保持原有波形，必然剧烈破碎。在湖泊中的破浪点的定义比较明确，一般认为是深水波能保持波形或开始发生破碎的深度点。相应的，我们认为深水波开始剧烈破碎的点为碎浪点。即碎浪点水深约等于深水波高。这样，破浪点和碎浪点的定义得到了统一。在实际计算中，由于波浪进入破碎带后，波能衰减很快，波高一般在破浪点达到最大值，所以，可以认为进入波浪破碎带后，深水波高的初始值为破浪波高hb，相应的，碎浪点的水深应等于破浪波高hb，如图2所示。

4、碎浪点水深hs的确定

因风而产生的波浪，由深水区向浅水区传播，当水深大致为l0/2(l0为深水波长)深度时，波浪触及湖底，深水波变为浅水波，湖底沉积物开始受到波浪作用的影响。故以l0/2作为正常浪基面的水深。

波浪触及湖底继续向岸传播时，由于水深减小，相同的波能到达较潜的水层，单位水体内的波浪能量增大，波高增大，这一变化称为升浪。并将浪基面之上到破浪点之间的区带称为“升浪带”。

随着向岸传播，水深愈减小，波高亦逐渐增大。由于波浪的最大波高受波形能保持稳定的最大坡陡(波高h与波长l的比值)所限制，当波高增大到极限坡陡时，波浪倒卷并发生破碎，称为“破浪”，并以此处的位置称为“破浪点”。

根据(6)和(7)式可得，

stokes(1880)指出，当波峰的水质点水平轨迹速度刚好等于波速时，波陡达到极限，这时波峰尖陡而不稳定，深水波开始破碎，lemehaute(1967)根据实验资料得到破浪波高与深水波要素之间的经验关系式：

h0’是考虑折射绕射作用后的等价深水波高，当波浪正向入射时折射系数等于1，h0’＝h0

可得hb＝0.76(tanβ)^1/7(h0/l0)^-1/4h0

(10)

将式(10)代入式(8)即可得破浪点水深hb:

当破浪点水深大致与深水波高相等时，深水波浪不能维持传播，达到碎浪点。即碎浪水深hs等于深水波高hb。即

hs＝hb＝0.76(tanβ)^1/7(h0/l0)^-1/4h0

(12)

另外，碎浪点也存在极端情况，当h＝h*γb，γb>＝1时，也就是坡度＝1/20时，此时破碎带的波高将大于等于水深，这时，破碎带内的波浪都将不能保持原有波形，并剧烈破碎，此时，不存在破浪带，只存在碎浪带。换言之，当坡度小于1/20时，滨湖带才可以区分破浪带和碎浪带,如图3所示。

具体实验实施方式如下：

1、青海湖深水区波高和波长的确定

根据青海湖1972—2013年的气象资料统计：青海湖年平均风速介于2.8—4.1m/s，年最大风速介于14.6—26.7m/s；主要盛行北风和西北风，由于湖泊长轴方向为近东西向，对于计算湖南岸波浪参数来说，风区长度f应取湖泊南北向的宽度63km，水深d取深湖对应的水深21m。

将1972—2013年每年的年平均风速和年最大风速带入式(11)(12)，即可得到年平均风速和年最大风速下青海湖风浪深水波高与波长，风速越大，生成波浪的波高和波长的值就越大，并且在平均风速和最大风速下所求得的值会相差很大。再对1972—2013年的所有年平均风速和年最大风速分别求平均值，为3.5m/s和18.9m/s，进而求得其相对应的波高和波长(表1)。

表1青海湖1972—2013年平均风速和平均最大风速所对应的波高和波长

2、青海湖2个滩坝的剖面实测规格

由于青海湖主要盛行西北风，滩坝主要发育在湖的东南岸。本次所测量的2个滩坝位于湖的南岸二郎剑附近。各坝体的坡角、宽度和厚度见表2。

表2青海湖二郎剑附近两露头剖面中2个坝体的实测数据

将通过青海湖风的资料计算出的深水区波浪的波高和波长和实测的滩坝坡角带入公式(8)，可计算出2个坝的厚度(表3)。

表3通过风浪关系式及不同水动力带定量分析出的3个滩坝参数

3、计算结果和实测结果对比

通过表4中的计算结果和实测结果对比可看出，实测结果比计算结果稍偏小。其原因时坝体可发育的极限厚度是一个理想的状态，在实际沉积过程中很难达到。随着坝体的生长，湖底地形发生改变，波浪作用带的位置发生迁移，如破浪坝的生长会使水深变浅，波浪在没到达之前的破浪点时就满足破碎条件发生破碎，使破浪点位置向湖中心迁移，破浪坝主体也向湖中心迁移而不会在原地一直生长到极限厚度。但是，理想厚度的计算还是具有一定的沉积意义，可以定量的分析在一定风浪和地形条件下，滩坝的生长情况。

表4青海湖观测滩坝预测厚度与实际厚度对比表

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。