01 研究背景

本次研究的目的為初步建立一個基于真實條件的大尺度地貌動力學(xué)模型以對大型河口灣地區(qū)的泥沙遷移以及中期（5年）河床演變進行相對準(zhǔn)確的預(yù)測。該模型最終可被用于測試各類解決方案以防止河口灣地區(qū)的一些關(guān)鍵設(shè)施遭到泥沙遷移的侵蝕和堵塞等影響。

此次研究的區(qū)域是位于法國西部的吉倫特（Gironde）河口灣。作為法國乃至歐洲西部沿海最大的河口灣，吉倫特是多爾多涅河（Dordogne）和加龍河（Garonne）的匯合點以及入?？?，其寬度從3到11公里不等，而縱深有將近80公里，總面積達到635平方公里。受到兩條主干河流的影響，其累計流量一般在50到2000 立方米/秒不等，在洪澇季節(jié)甚至可超過5000立方米/秒。其復(fù)雜的河口條件以及巨大的面積使得該地區(qū)在數(shù)值模擬方面需要大量的計算資源，因此對該地區(qū)泥沙遷移以及地貌動力學(xué)方面的研究直到最近都一直難以推進。鑒于吉倫特的典型性，我們將其作為我們此次的主要研究對象。

本次的研究將涵蓋整個吉倫特河口灣，在其中我們將選取多個測量點以在模型輸出結(jié)果和觀測數(shù)據(jù)之間做出一個初步的比對。在工具方面我們將利用法國電力自主開發(fā)的自由水力學(xué)軟件TELEMAC-MASCARET。其中為平衡模型精度和計算資源要求，我們將主要利用2D模型來進行研究。關(guān)于該模型的具體細節(jié)設(shè)定會在接下來的部分介紹。

02 模型建立

水力學(xué)模型

水力學(xué)部分將由TELEMAC-MASCARET系統(tǒng)中的二維水力學(xué)模塊TELEMAC-2D完成建模。模型的計算范圍將覆蓋整個吉倫特河口，包括上游河段、中央?yún)R流區(qū)和入?？凇ELEMAC-2D中所使用的非結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格可以更加適應(yīng)大尺度建模的需要，同時在重點區(qū)域（例如在本案例中的中央?yún)R流區(qū)）可以進行較為靈活的網(wǎng)格加密以反映該區(qū)復(fù)雜的物理現(xiàn)象。另外深度平均淺水控制方程的使用也可以節(jié)省更多的計算資源。

泥沙遷移模型

泥沙遷移部分的建模由同樣包含于TELEMAC-MASCARET系統(tǒng)的SISYPHE模塊完成。該模塊的核心控制方程為?？思{方程（Exner equation），其廣泛用于反應(yīng)泥沙等沉積物的質(zhì)量守恒。在泥沙遷移的計算過程中SISYPHE會將整個泥沙部分分成河床底積以及懸移質(zhì)，前者可通過半經(jīng)驗公式Meyer-Peter Muller 來估計，而后者將通過解算另一個遷移方程以獲得深度平均泥沙含量。

模型耦合

鑒于泥沙遷移現(xiàn)象主要發(fā)生在河流近床部分，模型耦合過程中河流底部的速度將被作為主要參數(shù)之一參與泥沙遷移的計算。而考慮到基于深度平均淺水方程的TELEMAC-2D的輸出為深度平均流速，因此需要特殊的校正處理。主要方式是通過在解算過程中加入一個基于空間變化的位于[0,1]區(qū)間之內(nèi)的校正系數(shù)來人為降低河流的遷移速率，當(dāng)然這種處理會使模型在數(shù)值解算過程中產(chǎn)生不穩(wěn)定性，因此我們在水平移流解算過程中加入一個隱式的沉降速率項以避免計算崩潰。事實上由于這種方法已被作為一種常用工具集成在TELEMAC-MASCARET系統(tǒng)當(dāng)中，因此實際操作起來非常方便。

03 模擬結(jié)果

大尺度水力學(xué)模型的驗證

首先我們將要驗證大尺度下水力學(xué)模型的有效性。驗證地點方面我們選取入?？诟浇腣erdon（點1）站點以及中央地區(qū)的Pauillac（點4）站點。結(jié)果如下圖所示：

上圖為水位觀測數(shù)據(jù)（離散點）與計算結(jié)果（曲線）的比較，而下圖為水流速度的比較。其中水位計算的誤差平均在10cm以內(nèi)，速度觀測也取得了較好的擬合度。

大尺度泥沙遷移模型的驗證

1. 粒度分布驗證

由于泥沙在遷移過程中涉及多個粒度的混合，我們將首先驗證粒度分布的計算和觀測數(shù)據(jù)，結(jié)果如下圖所示：

上圖為觀測數(shù)據(jù)，而下圖為模擬的結(jié)果。如圖所見，在網(wǎng)格密集的中部地區(qū)粒度分布的計算結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)非常契合。

2. 中期河床演變

在中期河床演變部分，我們將展示吉倫特河口中央?yún)R流區(qū)域的河床演變情況。時間方面選取1995-2000年5年的變化情況，計算結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)的比對如下圖所示：

左圖為1995年-2000年5年內(nèi)河床演變的觀測數(shù)據(jù)，而右圖為針對該時間段的計算結(jié)果。由此可見計算結(jié)果在定性與定量方面都比較契合觀測數(shù)據(jù)。

04 研究結(jié)論

在本次研究中我們利用TELEMAC-2D與SISYPHE的耦合完成了對法國吉倫特河口灣的初步模擬?，F(xiàn)階段模型對泥沙遷移和中期（5年）河床演變的模擬在定性層面上能夠與觀測數(shù)據(jù)達到很好的一致性。而定量方面，中央?yún)R流區(qū)的模擬結(jié)果相對較好，而入海口和上游部分由于計算資源限制模擬效果相對有限。鑒于吉倫特河口灣巨大的面積，復(fù)雜的地理，水文形勢以及泥沙成分，達到完全契合的定量分析相對較難。因此對于本次研究來說，對大尺度河口灣的泥沙遷移和中期河床演變模擬已初步取得一定的效果。為獲得更加精細的模擬結(jié)果，在將來的工作中需要進一步完善各類參數(shù)的設(shè)置，以最終達成對大尺度河口灣更加契合實際情況的模擬效果。

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