【CAE案例】普尔湾与基督城湾的泥沙模拟

CAE璐姐 2023年2月23日浏览：1050

01 研究背景

由于地处狭窄海滩地貌，英国普尔湾和基督城湾（图 1）吸引了络绎不绝的游客前来观光，而这也对当地经济起到了至关重要的作用。然而，常年累月地受到潮汐和波浪的侵蚀作用，海滩地貌遭到了破坏：仅在2013至2014年的冬季期间，伯恩茅斯的海滩就流失了144,000 m³的沙子，普尔港前的Sandbank半岛也流失了30,000 m³的沙子。目前人们通过定期养护海滩的方式维持着这一自然景观。此外，海平面的上升也可能加剧海滩受到的侵蚀，增加海滩养护的频率。

但是，如果可以提前预知泥沙沉积的具体位置，就可以通过在泥沙沉积区域疏浚作业，实现侵蚀地带的泥沙回收。因此，有必要针对这一需求，开发一个用于计算英吉利海峡泥沙迁移路径的数值模型，并且把研究区域重点放在斯沃尼奇和怀特岛之间。

【CAE案例】普尔湾与基督城湾的泥沙模拟的图1

图 1 普尔湾和基督城湾（来源：谷歌地球）

02 案例展示

网格

使用二维水动力模块对英吉利海峡和南部北海区域建模。由于在海岸附近的泥沙输运主要由波浪驱动的洋流控制，为了正确地模拟这些过程，需要准确地表示波浪破碎现象发生的位置。最终使用的小尺度细网格的整体精度为25m，局部尺度加密网格至5m，而在坡度较缓的弯曲海滩将网格精度调整为10m，远岸（海豚沙附近）精度拉长至50m。

地形

通过从英国水文局（UKHO）和海峡海岸观测站（CCO）收集得到测量水深数据，整合并形成海洋大尺度地形数据集如图 2所示。其中索伦特湾、普尔湾以及基督城湾的CCO数据为2006年至今的一系列测量数据，UKHO数据则是从2004年至今的调查数据。

图 2 研究区域（左上角）以及研究区域地形DEM示意图

潮汐边界

通过海洋边界处的水位变化，让水动力条件由潮汐和洋流控制，并将其包括在数值模型中。该模型具有东西两个开放的、用于施加水力条件的边界。通过从TPXO卫星测高数据集提取的潮位作为驱动水动力模型的边界条件，研究者们向研究区域施加了时空变化的潮汐波动，从而模拟出大海的潮汐变化。其中，欧洲大陆架的TPXO全球海洋潮汐模型分辨率为1/30度（约3.7公里），由八个不同的潮汐分潮，和三个非线性分潮（M4、MS4和MN4）组成。

波浪条件

波浪条件由ERA5（ECMWF再分析数据）产生，通过估计历史大气活动信息，综合数值模型和观测数据得到。ERA5提供了高质量的中高分辨率大气和海面水波参数估计，其水平分辨率为31km，每小时记录有137个垂直标高的数据。

大气条件

仿真模型的大气压力、风速及其方向也取自ERA5再分析数据集。研究人员通过获取到的ERA5的校正后风速，按照其空间和时间分布插值到模型的网格节点处，可实现估算风所造成的应力变化和波浪的生成。

海床构成

在该研究模型中，研究人员按照泥沙粒径定义了6种泥沙类别，分别为（从淤泥到粗砾石）：40μm（淤泥）、94μm（极细砂）、188μm（细砂）、375μm（中砂）、1.0mm（粗砾）和20mm（砾石）。根据此前的其他研究信息，针对部分已知的异常点位和信息修改了这些地质成分构成。最终形成的平均粒径模型如图 3所示

图3 海床泥沙的平均粒径分布图及重要点位分布（从S1到S9共9个点位）

最终，根据以上条件形成了研究所用的大尺度海域模型，通过耦合TOMAWAC以及GAIA模块，计算推演该尺度下大范围的海床泥沙迁移现象。

03 研究结论

通过水动力仿真模块耦合计算结果，该模型能良好地再现大多数位置处的观测流量、波浪条件和泥沙迁移与输送现象。图 4展示了模型计算得到的泥沙迁移方向以及残余泥沙迁移量。由于缺乏最新的精确的卵石滩水深测量数据，在S4（卵石滩）和S3（赫斯特海岬）计算的流量和水位受到影响，导致无法正确表征该地区的泥沙迁移模型。在S6处（基督城湾东南方向），模型很好地再现了波流条件，然而其预测的泥沙输送量仍有点偏高，与实际情况不符合。由于模型中海床的成分组成允许在基督城边缘侵蚀掉更多的泥沙，导致S6乃至S7处泥沙迁移量相对较多。

【CAE案例】普尔湾与基督城湾的泥沙模拟的图4

图4 模型推演出的泥沙迁移方向以及迁移量

在研究者们的实测数据中，泥沙的输送量是基于高于海床面0.5m 以上的水体中的流速和泥沙浓度确定的剖面近似值。由于绝大多数泥沙迁移发生在更靠近海床的位置，测量得到的泥沙迁移速率具有较大的不确定性。尽管如此，测量值和模型计算值之间依旧存在着相对良好的近似度，说明该水动力仿真软件在此类大尺度海域仿真领域中具备相当的实用能力。

图 5展示了模型计算区域的海床侵蚀和沉积现象。然而由于岩石和坚硬粘土等不可侵蚀层在模型中被表示为在高能量条件下会受到侵蚀的砾石层，该模型在海床的长期侵蚀和沉积分析方面依旧有所不足。