申请/专利权人：中国海洋大学

申请日：2023-05-17

公开（公告）日：2024-03-15

公开（公告）号：CN116738136B

主分类号：G06F17/18

分类号：G06F17/18;G06F17/14;G06F17/11;G06F30/20;G06F119/08;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.15#授权;2023.09.29#实质审查的生效;2023.09.12#公开

摘要：本发明提供了一种内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算方法,包括S1、现场观测数据的获取与处理；S2、悬浮沉积物中甲烷气体释放量的计算；S3、水合物分解中甲烷气体释放量的计算；S4、内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算；通过本发明的技术方案，本发明基于深海现场原位观测数据分析，实现了内孤立波作用下海底甲烷释放量的精准计算。本发现针对性的提出内孤立波作用下的再悬浮沉积物里面的游离甲烷气体和内孤立波影响下温度和压力作用下水合物分解甲烷气体的双重释放机制，并分别给出相应的数据方法和计算公式，从而定量化的描述了内孤立波作用下海底甲烷气体释放量。

主权项：1.一种内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算方法，其特征在于,具体包括以下步骤：S1、现场观测数据的获取与处理：对获取的现场数据进行处理，提取的数据包括流速剖面数据、底层压力、底层温度、底层浊度以及溶解甲烷浓度，其中流速剖面数据来识别内孤立波的信号；内孤立波产生的流速计算公式为： 其中U是总水平流速，UISW是内孤立波在水平方向的流速，WISW是内孤立波在垂直方向上的流速，W是总垂直流速，是1min内平均流速，是1min内垂直流速，u和v是东西方向和南北方向流速；S2、悬浮沉积物中甲烷气体释放量的计算：S21、对海底压力、温度、浊度和溶解甲烷数据进行频谱分析，进一步确定其周期信号特征；使用的方法是各自的数据减去其平均值后的数据，然后使用快速傅里叶变换得到压力、温度、浊度、溶解甲烷浓度的频谱图，得到频谱图后再利用四阶巴特沃斯滤波法进行滤波，采用高通滤波的方式进行；具体转化公式如下： 其中ft是时间域的函数，Fw是频率域的函数，eiwt逆变换值；S22、将内孤立波经过前后溶解甲烷的质量浓度PISW2-PISW1积分能够得到某个时间段内底层海水的溶解甲烷变化量，因此将时间选取在内孤立波扰动周期内，即得到一次内孤立波组过程引起的海底甲烷释放通量FCH4，该计算公式为：FCH4＝∑t，t+TPISW2-PISW1hΔt其中，PISW2-PISW1是所述内孤立波作用下在悬浮沉积物中的海底甲烷浓度变化值；Δt表示积分求和的最小步长，即数据采集时间；h是海水单位深度，取1m，假设海底边界层1m范围的海水溶解甲烷浓度是均匀的；T表示内孤立波作用导致海底甲烷释放的影响周期，会随着不同时长和强度的内孤立波作用有不同取值；S23、计算整个南海北部陆坡水合物赋存区在内孤立波影响下再悬浮沉积物中甲烷的释放量mCH4，计算公式如下： 其中，AH是南海北部陆坡的面积；MCH4是甲烷的相对分子质量16；S3、水合物分解中甲烷气体释放量的计算：对于压力的扰动，在其时间轴上积分后取平均值，并将该过程压力变化视为内孤立波作用扰动的等效压力平均值；对于温度的扰动，在其时间轴上积分后取平均值，并将该过程温度变化视为内孤立波作用扰动的等效温度平均值；需要确定处于临界状态的海床表层水合物在的相态平衡公式：lnpeq＝-1.94138504464560*105+3.31018213397926*103*Teq-2.25540264493806*101*Teq2+7.67559117787059*10-2*Teq3-1.30465829788791*10-4*Teq4+8.86065316687571*10-8*Teq5水合物降压分解的动力学方程选取Kim-Bishnoi模型：γg＝kdAsp-pe 其中，γg为单位时间单位体积水合物分解产甲烷气的摩尔质量，kd为水合物动力学反应速率，As为水合物分解比表面积，k0为水合物动力学反应常数，R为气体常数，T为开尔文温度，ΔEa是反应活化能，pe为水合物平衡压强，p是实际赋存状态下的压强；As＝ΦShAgeoΦ是多孔介质的孔隙比，Sh为水合物的初始饱和度；Ageo表示单位体积多孔介质比表面积；水合物分解过程包括压力扰动和温度扰动造成的水合物分解两部分，具体包括以下步骤：S31、计算内孤立波造成的降压扰动对应的水合物分解量；确定压力差后带入以上水合物降压分解的动力学方程，压力差如下：Δpisw，p＝Pθ其中Δpisw，p是内孤立波作用下的压力差，即经过高频滤波后观测到的压力变化Pθ；S32、计算内孤立波造成的升温扰动对应的水合物分解量；带入水合物分解的温压平衡公式等效代替： 其中ΔPisw，T是内孤立波作用下的温度扰动对应的等效压力扰动；S33、分别计算温度扰动和压力扰动导致的海床表层水合物的分解通量，即将以上公式联立，可得： 其中FCH4，S为单位面积单位时间水合物的分解量，即水合物分解的摩尔气体通量；h0是有水合物赋存的海床表层沉积物前提下，压力或者温度扰动影响到的等效值深度； 其中，mCH4，S是水合物分解中甲烷释放量；FCH4，S是水合物分解单位面积的分解；是甲烷的相对分子质量16；S4、内孤立波作用下海底甲烷气体释放量的计算：内孤立波对海底甲烷气体的释放主要是两个方面引起的，一种是内孤立波直接作用于海底表层沉积物，造成海底表层沉积物的再悬浮，随着沉积物颗粒中的溶解态甲烷随之解离释放到海水中；另一方面，内孤立波造成的海底温度升高和压力降低，形成了向上的压力梯度，温度和压力变化影响了海底水合物的分解，促使甲烷释放；因此内孤立波作用下的海底甲烷气体释放量是两部分的综合，即M＝mCH4+mCH4，S其中M表示内孤立波作用下海底甲烷气体释放量；mCH4表示悬浮沉积物中甲烷释放量；mCH4，S表示水合物分解中甲烷释放量。

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