基于GUI 的冷泉羽狀流數值模型可視化系統研究與應用

李燦蘋，陳鳳英，郭子豪，田鑫裕

（1.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（湛江），廣東 湛江 524025；2.廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088）

天然氣水合物，俗稱“可燃冰”，存在于海底沉積層或陸地永久凍土帶，具有能量高、分布廣、規模大等特點，被認為是21 世紀的重要新能源[1-3]。因此，天然氣水合物具有重要的能源戰略地位，水合物的識別和勘探開發也是當今科學界研究的熱點。近年來，中國在水合物勘探和開采上取得了顯著成績，不僅在海洋和陸地都成功鉆獲實物樣品[4-5]，而且在試采上也連續取得了一系列重大突破，實現了從“探索性試采”向“試驗性試采”的重大跨越，邁出天然氣水合物產業化進程中極其關鍵的一步[6-7]。

在海底深部沉積地層，游離氣通過裂隙、裂縫等通道向上運移，一部分在水合物穩定帶內形成水合物，另一部分與水合物分解的氣體一起繼續向上運移到達海底[8]，然后以噴涌或滲漏的方式注入到海洋中，從而形成冷泉和氣泡羽狀流[9-10]。因此，冷泉羽狀流是海底氣體滲漏的直接表現形式，同時也對水合物勘探識別起到間接指示作用。冷泉羽狀流近些年吸引了眾多學者的目光，在數值模擬方面取得了一定進展，如李燦蘋等[11-14]較早進行了海底冷泉活動區氣泡羽狀流的地震數值模擬，通過建立羽狀流水體模型，研究了冷泉活動區氣泡羽狀流的地震響應特征，并探討了氣含量與地震屬性之間的關系；段沛然等[15]使用交錯網格有限差分法進行了羽狀流數值模擬并觀測其地震響應特征，其正演結果表明地震響應能夠準確描述海底冷泉羽流；張閃閃等[16]采用含氣泡液體聲波方程進行了海底冷泉高頻地震波數值模擬，實現了冷泉羽狀流地震響應的高精度數值模擬；宋海斌等[17]利用地震海洋學的方法進行了羽狀流的數值模擬研究。在羽狀流探測技術上也取得了一定進展，如劉斌等[18]利用多波束聲吶發現了瓊東南海域的羽狀流，并結合淺剖剖面分析了氣體滲漏與水合物系統之間的相互作用；韓同剛等[19]總結了羽狀流在海底可視技術、聲吶系統、地震方法的表現形態特征，分析了3 種探測方法的適用性和局限性；楊力等[20]利用多波束聲吶數據、多道地震數據和底質取樣結果研究了瓊東南海域活動冷泉系統，分析了活動冷泉的羽狀流特征、海底地貌與底質特征，以及流體活動構造特征。目前，利用聲學探測技術可以對羽狀流清晰成像[11]，但羽狀流氣含量、地震響應機理，以及與下伏地層中水合物的相關性尚不明確，這些都需要將海洋水體與海底地層連接在一起，通過地震的方法得以更好地解決。另外，雖然眾多學者都開展了羽狀流的數值模擬研究，但基本都未將其開發成便于模擬的系統軟件的形式。

基于以上，為深入研究羽狀流地震響應特征，以及利用地震方法進行氣含量反演，本文前期根據含氣泡海水聲波速度模型及隨機介質理論建立了羽狀流數值模型[11]，但生成每個模型時都要重新輸入參數和執行源程序，步驟繁瑣。由此，本文在已有羽狀流模型算法程序基礎上開發了羽狀流數值模型可視化系統，使得生成羽狀流模型更加簡潔和方便，以服務于羽狀流后續相關研究工作。

1 羽狀流數值模型

羽狀流地震響應機理研究，首先要通過羽狀流數值模擬試驗研究其地震波場特征、氣含量與地震屬性的相關性等，然后根據所獲得的理論知識來指導實際地震資料的處理和解釋，完成羽狀流地震識別和反演研究，在此基礎上探索羽狀流地震響應機理。羽狀流地震數值模擬的前提是先建立數值模型，實現羽狀流數值模型的基本思路是：通過分析含氣泡海水介質的聲學特性，利用姚文葦[21]推導的含氣泡介質內聲速模型或等效介質理論[22]來實現羽狀流水體聲波速度[11]；由實際羽狀流探測結果[23-24]推測出羽狀流中氣泡在海水介質中的分布特點，由此依據隨機介質理論可實現氣泡的隨機分布；根據圖1 所示的羽狀流實際賦存狀態，利用橢圓函數實現羽狀流的外形特征[25]。有關羽狀流建模的算法和詳細流程參見文獻[11]，本文重點關注羽狀流數值模型可視化系統的實現。文獻[11]中所實現的羽狀流模型是通過在源程序中輸入參數，然后執行源程序實現的。如果要進行較多的實驗操作，需每次修改源程序的參數語句，這不僅繁瑣，而且還容易出錯，給實驗研究帶來不便。因此，為了解決以上問題，本文在源程序基礎上，通過圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI) 軟件實現羽狀流模型數值模擬的可視化系統，通過點擊系統界面上的按鈕，可以方便地產生各類羽狀流模型。

圖1 鄂霍次克海冷泉氣泡羽狀流

2 模型可視化系統的設計

系統總體設計思路：在已實現的羽狀流水體模型算法程序基礎上，利用軟件完成GUI 設計，達到羽狀流數值模擬的可視化。具體為：首先新建一個GUI，利用界面的Panel 按鈕完成界面初步布局，將界面劃分成5 個模塊：常量賦值、模型規格賦值、生成圖像、實現角度傾斜的羽狀流和導出數據；然后對各模塊添加所需按鈕，修改按鈕信息及編寫其Callback 回調函數；最后通過GUI 修改常量賦值和模型規格賦值中的可變參數值，點擊相關按鈕生成不同情況下羽狀流模型圖和導出相應的羽狀流速度數據文件。

根據以上設計方案，羽狀流模型數值模擬可視化系統實現流程如圖2 所示，最終實現的可視化系統界面如圖3 所示。

圖2 羽狀流模型數值模擬可視化系統流程圖

圖3 羽狀流模型數值模擬可視化系統界面

3 模型可視化系統各模塊的實現

3.1 常量賦值模塊

本模塊主要功能是為生成圖像、實現角度傾斜的羽狀流和導出數據3 個模塊提供常量數據。模塊實現過程為：先利用工具欄中Panel 控件劃分一個區域，然后在區域中使用靜態文本框Static Text 來顯示每一個參數的名稱，其作用是對文本信息進行顯示，通過修改字符串屬性項中的輸入完成。使用可編輯文本框Edit Text 來顯示每一個參數的初始值，其作用是輸入數據，在其字符串屬性項中修改要顯示的數據或公式。

本模塊在輸入常量參數值時還設置了判斷環節，如果輸入的數值不在所設定的區間內或是不滿足所需要的條件關系式，界面會彈出“error”提示，如圖4 和圖5 所示。出現這種情況需要按下OK 按鈕或是關閉窗口，然后重新輸入滿足提示框條件的數值。

圖4 信息框提示參數取值范圍

圖5 信息框提示參數應滿足的條件

3.2 模型規格賦值模塊

與常量賦值模塊不同，模型規格賦值模塊的參數會直接影響到羽狀流模型和羽狀流水體模型的建立，它們的改變能直觀地從生成的圖像中反映出來。模型規格模塊共有19 個參數，各參數的默認值、取值范圍及部分參數之間的關系如表1所示。

表1 模型規格參數及其取值

模型規格賦值模塊的界面制作過程與常量賦值模塊完全相同，此處不再贅述。其中灰色方框的參數值為默認值，不必修改，白色方框的參數值可修改，并對部分參數設定了取值范圍。

3.3 生成圖像模塊

生成圖像模塊包括4 部分：羽狀流氣泡半徑圖、羽狀流氣泡含量圖、羽狀流聲波速度圖、羽狀流水體聲波速度圖。本模塊通過工具欄中的Push Button 按鈕生成所需要的4 個模塊按鈕。模塊實現過程為：將Push Button 按鈕放在區域內，先修改其字符串屬性項，通過ForegroundColor 屬性修改字體顏色，然后將每個羽狀流數值模擬的程序放在相應Push Button 按鈕的回調函數中，激活對象，最后成功運行程序，實現按鈕功能。

按圖3 中生成圖像模塊各按鈕，界面就會彈出相應各類模型圖，如圖6 所示。其中圖6（d）的所有參數都為默認值，通過改變模型規格賦值模塊里的參數，可以生成所需要的羽狀流水體聲速模型圖。

圖6 生成圖像模塊各按鈕對應的模型圖

3.4 實現角度傾斜的羽狀流模塊

該模塊包括3 部分：輸入傾斜角度、生成羽狀流聲波速度圖和羽狀流水體聲波速度圖。本模塊主要功能是實現角度傾斜的羽狀流，通過在傾斜角度文本框輸入不同角度，羽狀流可以傾斜到不同程度。羽狀流傾斜角度大小是以水平坐標為準，左側傾斜n 度即是羽狀流與水平軸負方向的夾角，右側傾斜m 度即是羽狀流與水平軸正方形的夾角。其中“-”表示左側角傾斜，若左、右側傾斜角度相等，則-n=m，角度參數fai 的取值范圍為[-60°，60°]。

本模塊實現過程與生成圖像模塊相同，但生成的速度圖與圖6 中各類速度圖不同之處是可以實現傾斜的橢圓形羽狀流。為模擬出更加符合羽狀流的實際賦存特點，實現角度傾斜的橢圓形羽狀流速度體和羽狀流水體聲波速度模型，可以進行如下操作。例如，要實現左側傾斜60°或右傾斜60°，這時在傾斜角度文本框輸入-60°或60°，點擊按鈕，便可生成所需模型圖。圖7 為左側傾斜60°的羽狀流水體速度模型，圖8 為右側傾斜60°的羽狀流水體速度模型。

圖7 左側傾斜60°的羽狀流水體速度模型

圖8 右側傾斜60°的羽狀流水體速度模型

3.5 導出數據模塊

本模塊功能是導出并保存已經生成的速度文件，方便重復使用數據。該模塊只有兩個按鈕，分別用來輸出羽狀流聲波速度文件及羽狀流水體聲波速度文件。

該模塊利用uiputfile 函數實現，此函數格式是[filename pathname] =uiputfile（{文件類型，可選類型}，′提示名稱′），返回值第一項是文件名，第二項是文件存放路徑。uiputfile 函數在回調函數中添加，從而實現界面保存速度數據功能并以文件形式輸出。

在執行生成圖像模塊或實現角度傾斜的羽狀流模塊后，將會生成羽狀流聲波速度文件或水體聲波速度文件，此時點擊導出數據模塊按鈕，將跳出一個保存的信息框，如圖9 所示，在信息框中選擇保存路徑，輸入文件名，保存類型默認為txt 文本，最后點擊保存，即可完成數據保存。

圖9 保存羽狀流聲波速度文件

4 討論與分析

按照以上系統實現思路及各模塊的設計方案，最終可以實現如圖3 所示的羽狀流模型數值模擬可視化系統。通過給常量賦值，設置模型規格參數，點擊各藍色字體按鈕，即可方便產生對應的模型圖。從圖3 中可以看出，該系統功能多樣，整體簡潔直觀，相比于執行源程序代碼，避免了每次生成模型都要輸入參數的繁瑣步驟，因此，該系統更便于生成羽狀流模型。

以上可視化系統是在羽狀流模型初期建立的基礎上完成的，該系統還有進一步改進的空間，比如模型規格參數，可以擴大取值范圍，但一定要有限定條件，否則參數之間不滿足既定關系，將會報錯；可以建立多個羽狀流，形態各異，更符合實際羽狀流的賦存狀態；后續也可以進一步將羽狀流地震記錄、偏移處理及提取屬性等環節添加進來，由此獲得一個完整的冷泉羽狀流正演模擬軟件。通過該軟件，可以更方便地研究羽狀流地震響應特征、羽狀流氣含量與地震屬性的關系等。由于羽狀流氣含量的分布特征及其變化狀態與海底氣體來源及地質構造直接相關，而水合物分解的甲烷是羽狀流氣體的重要來源。因此，在本文開發的羽狀流數值模型可視化系統基礎上，可以進一步探索羽狀流與水合物之間的內在聯系，尋找識別水合物的地球物理特征標志，為水合物的勘探識別提供有意義的方法指導。

5 結 論

冷泉活動區上覆海水中常見氣泡羽狀流，羽狀流是海底氣體滲漏的直接表現形式，而羽狀流下伏地層常富含天然氣水合物，所以，羽狀流對水合物勘探起到間接指示作用。

為更深入研究冷泉活動區氣泡羽狀流地震響應機理，以及與水合物的內在聯系，需要建立符合實際氣泡羽狀流特征的數值模型。為更便于產生羽狀流模型，本文在已有羽狀流建模算法程序基礎上，利用軟件完成了GUI 設計，實現了羽狀流模型數值模擬的可視化系統。系統可以實現如下功能：常量賦值、模型規格賦值、生成圖像、實現角度傾斜的羽狀流，以及導出羽狀流速度數據，具體結論如下。

（1）常量賦值模塊是實現羽狀流模型的前提，根據含氣泡海水聲波速度公式，對公式中的常量進行賦值，為執行后續模塊內容做準備。

（2）模型規格賦值模塊可以設置羽狀流區域的規格、在水體中的位置，以及整個水體模型規格的大小，以便產生羽狀流模型。

（3）生成圖像模塊，在常量賦值及模型規格賦值后，通過點擊模塊內各按鈕，可以方便地產生羽狀流氣泡半徑圖、羽狀流氣泡含量圖、羽狀流速度圖和羽狀流水體速度圖。

（4）角度傾斜羽狀流模塊實現了羽狀流傾斜的形狀特征，當輸入傾斜角度后，點擊模塊中兩個按鈕，分別會生成角度傾斜的羽狀流聲波速度模型圖和羽狀流水體速度模型圖。

（5）導出數據模塊實現了羽狀流速度數據的輸出，在執行生成圖像模塊或實現角度傾斜的羽狀流模塊后，點擊該模塊按鈕就會保存相應的羽狀流速度文件到指定路徑。

本文實現的羽狀流數值模型的可視化系統功能多樣，整體簡潔直觀，應用效果良好，相較于執行源程序，該系統更便于產生羽狀流模型。此外，該系統還有進一步改進的空間，如建立更符合實際賦存特征的羽狀流模型，添加地震記錄、偏移處理及提取地震屬性等內容，從而獲得一個完整的冷泉羽狀流正演模擬軟件，以服務于冷泉羽狀流后續相關研究工作。