01 研究背景

強(qiáng)寒潮風(fēng)暴潮等極端天氣會(huì)造成港口與外航道泥沙淤積嚴(yán)重，導(dǎo)致船只不能正常通航。有研究表明：在小風(fēng)天氣下觀測(cè)時(shí)，海域含沙量較小，而在特殊天氣條件(如臺(tái)風(fēng)、地震引起的大風(fēng)天)持續(xù)作用時(shí)，海域的含沙量會(huì)持續(xù)增大，相對(duì)小風(fēng)天氣，增幅達(dá)到3~6倍左右，2003年10月黃驊港海區(qū)的一次強(qiáng)寒潮就造成了航道泥沙嚴(yán)重淤積。

含沙量除受波高、流速的影響外，很大程度上還受流向與波浪傳播方向的夾角，以及床面泥沙特性等等的影響。今天將由此切入講解采用二維水動(dòng)力模塊、波浪模塊TOMAWAC和泥沙輸運(yùn)模塊SISYPHE耦合預(yù)測(cè)風(fēng)暴等極端天氣下海床的演變情況。

02 案例展示

澳大利亞東南方的萊克斯恩特倫斯(圖1)是澳大利亞最大的漁港，位于連接吉普斯蘭湖和巴斯海峽的人造海峽的入口處。海峽于1889年首次開放，歷年來都需要不斷疏浚來維持漁船通行。有不少研究記錄了澳大利亞東南部的極端天氣，并表明在大氣的影響下南部的波浪高度不斷增加，這種趨勢(shì)將在未來不斷持續(xù)下去。

對(duì)此，當(dāng)?shù)卣株P(guān)心風(fēng)暴氣候?qū)е碌牟ê蜃兓瘜?duì)海峽泥沙輸運(yùn)影響。本文將介紹極端天氣情況下海峽近岸泥沙輸運(yùn)的仿真案例，從而了解大氣驅(qū)動(dòng)因素和遠(yuǎn)處產(chǎn)生的涌浪如何影響該區(qū)域的泥沙輸送。

首先，使用TOMAWAC二維譜波模型來計(jì)算得到波浪高度Hs、波浪峰值周期Tp、波浪方向Dp等數(shù)據(jù)，并且與全球風(fēng)象后報(bào)CFSR、波浪后報(bào)NWW3值以及測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，最后作為海床演變計(jì)算的輸入文件。如圖2所示，TOMAWAC二維譜波模型計(jì)算得到的值（藍(lán)線）與全球波浪后報(bào)NWW3（紅線）與測(cè)量值（綠線）對(duì)比，驗(yàn)證了TOMAWAC的計(jì)算值與測(cè)量值相符。

圖3展示了二維水動(dòng)力模型的水位和流量驗(yàn)證結(jié)果。圖中模擬值（藍(lán)線）與測(cè)量值（紅線）對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬得到的水位值是測(cè)量值的3/4，但經(jīng)過調(diào)低1/3后二者能很好的吻合，原因可能是水深的地形文件不準(zhǔn)確。因此需要獲取更多關(guān)于湖區(qū)水深測(cè)量的信息，以改進(jìn)水動(dòng)力模擬?？傮w來說，此次驗(yàn)證證明了二維水動(dòng)力模塊的仿真能力。

驗(yàn)證模型之后，本案例建立了三種泥沙輸運(yùn)模型來進(jìn)行模擬仿真，研究在風(fēng)暴條件下模型的不同設(shè)置對(duì)泥沙輸運(yùn)的影響。以下三幅圖展示了9月10日 UTC 00:00的海床演變模擬結(jié)果：

• 圖4是有推移質(zhì)，但無波浪和懸移質(zhì)輸運(yùn)模型的模擬結(jié)果；在沒有波浪和懸移質(zhì)輸運(yùn)的情況下，海床演變的跡象很小。

• 圖5是有推移質(zhì)和波浪，但無懸移質(zhì)輸運(yùn)模型的模擬結(jié)果；當(dāng)同時(shí)考慮到推移質(zhì)輸運(yùn)和波浪時(shí)，9月8日發(fā)生的風(fēng)暴導(dǎo)致泥沙相對(duì)均勻地以沙壩的形式向外海移動(dòng)。

• 圖6是同時(shí)考慮推移質(zhì)、波浪、懸移質(zhì)輸運(yùn)模型的模擬結(jié)果。當(dāng)同時(shí)考慮到推移質(zhì)、懸移質(zhì)輸運(yùn)和波浪時(shí)，整個(gè)海床的演化是守恒的，較少的泥沙會(huì)被沖進(jìn)外海中。

03 研究結(jié)論

本文首先使用二維水動(dòng)力模塊與TOMAWAC模塊計(jì)算風(fēng)暴氣候下海浪的相關(guān)參數(shù)并與測(cè)量值對(duì)比，驗(yàn)證模型的仿真能力。TOMWAC模塊得到的海浪數(shù)據(jù)作為泥沙輸運(yùn)模塊SISYPHE的輸入文件。然后使用三個(gè)模塊耦合建立三種不同的泥沙輸運(yùn)模型仿真模擬極端氣候條件下的海床泥沙輸運(yùn)情況，證明了極端天氣對(duì)泥沙輸運(yùn)的影響。

04 小結(jié)

今天主要講述了使用二維水動(dòng)力模塊、波浪模塊TOMAWAC和泥沙輸運(yùn)模塊SISYPHE耦合建立的二維泥沙輸運(yùn)模型仿真模擬極端氣候條件下海床泥沙輸運(yùn)情況。極端天氣會(huì)造成港口與外航道泥沙淤積嚴(yán)重，導(dǎo)致船只不能正常通航，使用水動(dòng)力仿真軟件建立模型研究海床的泥沙運(yùn)輸，有助于提出由于極端天氣引起的泥沙淤積的解決方案。該模型也可以復(fù)用到其他類似的場(chǎng)景中。

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