本发明涉及甲烷参数监测的，更具体地，涉及一种深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测系统与方法。
背景技术：
1、天然气水合物俗称可燃冰，广泛赋存于大陆边缘海底沉积物中，与常规油气藏资源不同的是，天然气水合物没有天然的圈闭层，以固体形式胶结在沉积物孔隙中或者以填充沉积层中的裂隙和空腔以层状、脉状和大块状等形式存在。天然气水合物分解后，储层胶结度会降低，大量分解的甲烷气体集聚和储层内的流体流动流动可能造成孔隙超压，引起储层失稳和地质滑坡。海底滑坡后天然气水合物储层的温度压力条件发生改变，可能连锁引起更广泛范围内天然气水合物的分解。泄漏后的甲烷可进一步进入上覆沉积物、水体、甚至大气，诱发海洋酸化、生物灭绝、气候变暖等环境生态问题。
2、目前，现有的科学手段还无法精细回答天然气水合物形成与分解对大气环境、海底环境、海水环境和生态环境的影响与作用机制，以及天然气水合物分解甲烷泄漏的控制机理和动力机制。因此，如何实现在深海甲烷泄漏区域长时期精准检测甲烷泄漏情况，成为探究这一系列问题的重点。
3、深海甲烷泄漏区域的极端环境往往具有高压、低温、高腐蚀性等特征，同时该区域甲烷泄漏存在着间歇性泄漏、泄漏通量差异性大、泄漏时间随机性大、泄漏区域甲烷浓度变化幅度大等特征，因此，能够长周期监测甲烷泄漏区域相关参数，对于了解甲烷泄漏规律、甲烷泄漏对周边生态系统影响以及对上覆水层甲烷浓度变化等地球物理过程十分关键。现有的长周期甲烷监测系统往往运用于各类如采矿区等易燃气体出现高发场景，针对甲烷泄漏区域泄漏通量变化大与周围水层甲烷浓度变化幅度大等监测难点，现有的单体甲烷浓度传感器在面对过低、过高甲烷浓度时往往准确度欠佳，因此，如何协同配置不同检测浓度的甲烷浓度传感器对于提高在具有特殊泄漏背景的甲烷泄漏区域的检测精度，变成解决该难点的关键所在。当前，通过多台不同测量范围的甲烷浓度传感器共同检测甲烷浓度后，然后取平均值，以提高甲烷浓度监测的方法有被提出，但是，受制于单个传感器通常具备最佳监测量程范围和深海甲烷泄漏区域的甲烷泄漏通量差异大带来的问题并没有被妥善解决，多个传感器同时开启保持工作状态，深海环境下却无外接电源，也不利于长周期监测的工作目标实现。
4、与此同时，在深海甲烷的泄漏位置，会存在由于洋流扰动情况和甲烷喷发造成的海底水力流场变化，从原理上，监测点水体中甲烷浓度会随着与甲烷泄漏口的相对位置变化而存在近似同心圆扩散的浓度梯度变化，但是，在海底水力流场变化的影响下，甲烷浓度扩散的空间变化规律，有待进一步进行研究。
技术实现思路
1、为解决当前针对深海甲烷泄漏区域的甲烷参数监测精准度低、监测方式未考虑到海底流场变化带来的影响甲烷分布扩散的问题，本技术提出一种深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测系统与方法，不仅能对深海甲烷泄漏区域的甲烷参数进行自适应监测，同时对甲烷渗漏区域的流场变化进行多方向实时监测，便于系统的揭示深海甲烷泄漏区域的海底洋流流场和甲烷浓度梯度扩散的关联性和空间分布关系。
2、为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
3、第一方面，本技术提出了一种深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测系统，所述系统包括：
4、气体与流场检测单元，包括若干个用于测量甲烷浓度的深海甲烷传感器、用于测量不同方向水流流速的水流流速传感器，所述若干个深海甲烷传感器设置于深海甲烷泄漏区域的待测区，每一个深海甲烷传感器具有不同的最佳甲烷浓度检测范围；
5、控制器单元，用于根据待测区的甲烷浓度区间和每一个深海甲烷传感器具有的不同最佳甲烷浓度检测范围，在每一个监测周期内，控制若干个深海甲烷传感器中每一个深海甲烷传感器的开启检测与关闭检测的时序，并且用于控制水流流速传感器的开启与关闭，将深海甲烷传感器测量的甲烷浓度数据及水流流速传感器测量的水流流速数据存储。
6、储能单元，用于为气体与流场检测单元、控制器单元长周期供电。
7、在申请的第一方面，针对深海甲烷泄漏区的甲烷泄漏特点，泄漏区域甲烷浓度变化幅度大，有着宽范围的甲烷浓度区间，以及针对普遍采用外供能导致无法长时期取样、多以单体式传感器或者多个同一类别传感器监测后取平均值的监测手段使得监测精准度受限、针对深海甲烷泄漏区域的监测方式未考虑到海底流场变化带来的影响待测物分布扩散的问题以及甲烷浓度梯度变化的空间分布规律并未厘清等痛难点，提出了深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测系统，配置具有不同的最佳甲烷浓度检测范围的深海甲烷浓度传感器，选取最佳甲烷浓度检测范围覆盖深海甲烷泄漏区域的宽范围甲烷浓度区间，提高了具有特殊泄漏背景的深海甲烷泄漏区域的甲烷浓度检测精度，同时配备水流流速传感器，获取检测位置实时的矢量流速与方向变化数据，不仅能对深海甲烷泄漏区域的甲烷参数进行自适应监测，同时对甲烷渗漏区域的流场变化进行多方向实时监测，便于系统的揭示深海甲烷泄漏区域的海底洋流流场和甲烷浓度梯度扩散的关联性和空间分布关系。而且储能单元避免了普遍采用外功能方式导致无法长时期取样的缺陷。
8、优选地，所述水流流速传感器在同平面内交叉90°设置，以获取设置点所在平面内的双向水流流速数据。
9、通过上述技术手段，获取设置点所在平面内的双向水流流速，进而计算该设置点的矢量流速情况，结合甲烷浓度数据，为探明深海甲烷泄漏区甲烷喷发和海底流场变化的关联性奠定基础。
10、优选地，设用于测量甲烷浓度的深海甲烷传感器的最佳甲烷浓度检测范围分别是c1、c2、...、cn，n表示深海甲烷传感器的个数，设待测区的甲烷浓度区间为0～x，x表示甲烷浓度区间的浓度上限，n个深海甲烷传感器的最佳甲烷浓度检测范围之和：c1+c2+...+cn，覆盖待测区的甲烷浓度区间。
11、根据上述技术手段，所有深海甲烷传感器的最佳甲烷浓度检测范围叠加覆盖待测区的甲烷浓度区间，可以满足深海甲烷泄漏区甲烷浓度不稳定且变化范围大的特殊条件。
12、优选地，在所述系统用于深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测时，若干个用于测量甲烷浓度的深海甲烷传感器同步开启甲烷浓度检测，同时获取初始甲烷浓度数据。
13、优选地，所述控制器单元包括：主控芯片模块、存储模块、日历模块；
14、其中，所述主控芯片模块，用于将若干个深海甲烷传感器同时获取的初始甲烷浓度数据与每一个深海甲烷传感器具有的不同最佳甲烷浓度检测范围进行对比，在一个监测周期内，将最佳甲烷浓度检测范围与同时获取的初始甲烷浓度数据匹配的深海甲烷传感器开启，将最佳甲烷浓度检测范围与同时获取的初始甲烷浓度数据不匹配的深海甲烷传感器关闭；
15、所述存储模块，用于存储若干个深海甲烷传感器同时获取的初始甲烷浓度数据及每一个深海甲烷传感器具有的不同最佳甲烷浓度检测范围，以及存储水流流速传感器测量的水流流速数据；
16、所述日历模块，用于记录监测周期。
17、通过上述技术手段，通过将多个深海甲烷传感器同时获取的初始甲烷浓度数据与主控芯片模块中储存的各深海甲烷传感器的最佳甲烷浓度检测范围进行比对，满足全浓度区间精准测量的效果的基础上，选取当前监测时序上最适合的甲烷浓度传感器开启，剩余甲烷浓度传感器关闭，实现节能，满足短时序、长周期工作时的供能稳定性和持久性，也满足了深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测需求。
18、优选地，所述控制器单元还包括：调试充电接口及电源管理模块；
19、所述调试充电接口，用于对控制器单元的参数进行预设定、数据读取，以及对储能单元进行充电；
20、所述电源管理模块，用于管理系统的供电情况。
21、通过上述技术手段，方便控制器单元的使用，且保证了本技术所提出系统的易用性。
22、优选地，所述系统还包括：耐压仓，所述控制器单元与储能单元封装集成于耐压仓内。
23、通过上述技术手段，既满足系统自容式的设计要求，又可以保证本技术所提出系统的控制器单元在深海极端条件下可以稳定运行。
24、优选地，所述系统环绕深海甲烷泄漏区的中心泄漏喷口处的四周放置。
25、通过上述技术手段，在深海甲烷泄漏区的中心泄漏喷口处的四周放置环绕放置该系统，可将甲烷浓度的长周期、短时序监测数据与海底流场变化数据结合，进而用以研究甲烷浓度变化与海底流场变化之间的关联性，研究深海甲烷泄漏区域的甲烷浓度的空间分布规律。
26、第二方面，本技术提出了一种深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测方法，所述方法基于所述的深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测系统实现，包括以下步骤：
27、s1：设置监测周期数上限值；
28、s2：获取深海甲烷泄漏区域的待测区喷口位置的甲烷浓度区间；
29、s3：若干个用于测量甲烷浓度的深海甲烷传感器同步开启甲烷浓度检测，同时获取初始甲烷浓度数据，且开启水流流速传感器进行水流流速测量；
30、s4:在一个监测周期内，将若干个深海甲烷传感器同时获取的初始甲烷浓度数据与每一个深海甲烷传感器具有的不同最佳甲烷浓度检测范围进行对比，将最佳甲烷浓度检测范围与初始甲烷浓度数据匹配的深海甲烷传感器保持开启，使其处于工作状态，检测甲烷浓度；将最佳甲烷浓度检测范围与初始甲烷浓度数据不匹配的深海甲烷传感器关闭，使其处于休眠状态；
31、s5:判断监测周期数是否达到上限值，若是，输出水流流速传感器在每个监测周期检测的水流流速数据以及在每个监测周期处于工作状态的深海甲烷传感器检测的甲烷浓度数据；否则，返回s2。
32、优选地，所述方法还包括：
33、s6：提取水流流速传感器在每个监测周期检测的水流流速数据以及在每个监测周期处于工作状态的深海甲烷传感器检测的甲烷浓度数据；
34、s7：进行水流流速数据和甲烷浓度数据的时间同步和坐标系对齐；
35、s8：将甲烷浓度数据与水流流速数据耦合后进行空间插值，在深海甲烷泄漏区的监测范围内生成连续数据场；
36、s9：根据连续数据场进行相关性分析；
37、s10：进行空间自相关分析，确定水流流速数据对应的水力流场和甲烷浓度梯度扩散之间的空间分布。
38、通过上述技术手段，将深海甲烷泄漏区的甲烷浓度的长周期、短时序监测数据与水流流速数据对应的水力流场变化数据结合，进而研究甲烷浓度变化与海底流场变化之间的关联性，为研究实现深海甲烷泄漏区域的甲烷浓度的空间分布规律奠定基础。
39、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
40、本发明提出一种深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测系统与方法，包括气体与流场检测单元、控制器单元及储能单元，其中，气体与流场检测单元配置具有不同的最佳甲烷浓度检测范围的深海甲烷浓度传感器，选取最佳甲烷浓度检测范围覆盖深海甲烷泄漏区域的宽范围甲烷浓度区间，提高了具有特殊泄漏背景的深海甲烷泄漏区域的甲烷浓度检测精度，同时配备水流流速传感器，获取检测位置实时的矢量流速与方向变化数据，不仅能对深海甲烷泄漏区域的甲烷参数进行自适应监测，同时对甲烷渗漏区域的流场变化进行多方向实时监测，便于系统的揭示深海甲烷泄漏区域的海底洋流流场和甲烷浓度梯度扩散的关联性和空间分布关系。
1.一种深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测系统，其特征在于，所述系统包括：
2.根据权利要求1所述的深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测系统，其特征在于，所述水流流速传感器在同平面内交叉90°设置，以获取设置点所在平面内的双向水流流速数据。
3.根据权利要求1所述的深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测系统，其特征在于，设用于测量甲烷浓度的深海甲烷传感器的最佳甲烷浓度检测范围分别是c1、c2、...、cn，n表示深海甲烷传感器的个数，设待测区的甲烷浓度区间为0～x，x表示甲烷浓度区间的浓度上限，n个深海甲烷传感器的最佳甲烷浓度检测范围之和：c1+c2+...+cn，覆盖待测区的甲烷浓度区间。
4.根据权利要求3所述的深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测系统，其特征在于，在所述系统用于深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测时，若干个用于测量甲烷浓度的深海甲烷传感器同步开启甲烷浓度检测，同时获取初始甲烷浓度数据。
5.根据权利要求4所述的深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测系统，其特征在于，所述控制器单元包括：主控芯片模块、存储模块、日历模块；
6.根据权利要求5所述的深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测系统，其特征在于，所述控制器单元还包括：调试充电接口及电源管理模块；
7.根据权利要求1所述的甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测系统，其特征在于，所述系统还包括：耐压仓，所述控制器单元与储能单元封装集成于耐压仓内。
8.根据权利要求1所述的深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测系统，其特征在于，所述系统环绕深海甲烷泄漏区的中心泄漏喷口处的四周放置。
9.一种深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1所述的深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测系统实现，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的深海甲烷泄漏区甲烷参数宽范围长周期自适应监测方法，其特征在于，所述方法还包括：
