上周分享了環(huán)境仿真專題的第一個案例

這周第二個案例如期而至

圖文詳解 仿真思路更清晰

一起來學習吧

疏浚工程對人類社會經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境改善的作用非常大，被廣泛應用于開港建池、港池清淤、維護航道水深、填海造陸、岸灘養(yǎng)護等水環(huán)境改善和生態(tài)恢復相關方面。

• 《環(huán)境仿真專題》第二講
  

• 使用TELEMAC-MASCARET研究英國諾福克和林肯郡海岸的疏浚對泥沙沉積和擴散路徑的影響

01

研究背景

在疏浚工程進行中時，泥沙的擴散和沉降會受到波浪、潮汐、海流等的影響，造成施工水域的泥沙濃度增高，懸浮的泥沙會隨水流進一步擴散，影響到水體中水生動植物的正常生長。

研究疏浚工程對水體的主要影響，一般通過實地觀測、物理模型和數(shù)值模擬三個方法。 隨著泥沙輸運理論的完善和各種相關數(shù)值軟件的穩(wěn)定發(fā)展，使用數(shù)值模擬方法研究疏浚工程的影響逐漸成為一種非常重要的手段。

02

軟件介紹

TELEMAC-MASCARET是法國電力集團（EDF）的法國國立水利與環(huán)境實驗室開發(fā)的一款研究水動力學和水文學領域的高性能數(shù)值仿真開源軟件基于有限元法，使用不規(guī)則三角網(wǎng)格，讓復雜的海岸線和河口的描繪更為精確。該軟件可以構(gòu)建1D，2D和3D水動力學模型以解決波浪傳播、波浪振動特性、水質(zhì)污染、泥沙輸運和海床形態(tài)變化等問題，擁有豐富的用戶技術支持和廣泛的工業(yè)應用及驗證。

03

案例展示

在英國諾福克和林肯郡海岸線外有一處區(qū)域開展了疏浚工程，本項研究的主要目的是使用TELEMAC-MASCARET軟件來評估疏浚工程對該區(qū)域泥沙沉降的影響，以及預測在潮汐、波浪和浪涌的作用下泥沙的擴散路徑。

案例基于兩個假設：

• 海床固定不動，不可侵蝕

• 整個動力地貌系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)

仿真過程中建立了三個模型，涉及了 TELEMAC-MASCARET 軟件中的三個模塊，分別為水動力模型 ( Telemac-2D 模塊 ) ，波浪模型 (Tomawac 模塊 ) 和泥沙輸運模型 (Sisyphe 模塊 ) 。

• 使用Telemac-2D模塊建立二維水動力模型

計算區(qū)域除了疏浚區(qū)域外還包含了其附近的一片海域，海岸線處假設有最低的天文潮汐。 計算區(qū)域的水 深地形圖及疏浚區(qū)域位置如圖1所示：

  水深地形圖

（黑色方框處為疏浚區(qū)域）

  網(wǎng)格的精度范圍為250m到4000m，岸線和沙灘處的網(wǎng)格加密程度為最高。 網(wǎng)格由29762個節(jié)點和58689個三角形組成。 正壓潮汐和涌浪由水動力模型進行模擬，時間步長設置為90s。

•  使用Tomawac模塊建立波浪模型

設置當波浪進入研究區(qū)域時，海域開放邊界處施加一個JONSWAP波譜，波譜設置了22個頻率（從0.05HZ到0.37HZ）和24個波浪進入流場的方向。當波浪要離開研究區(qū)域時，邊界條件設置為自由邊界，時間步長為6min。

•  使用Sisyphe模塊建立泥沙輸運和海床演變模型

采用有限體積法求解泥沙質(zhì)量守恒方程。在海岸線邊界，輸沙通量設置為0，外海邊界條件的設置取決于水流條件。輸沙公式的選擇與泥沙粒徑有關，在此模型中，主要選擇了兩個公式即Bijker公式和Sousby-van Rijn公式進行測試。

  在只有潮汐的情況下，Telemac-2D模塊和Sisyphe模塊在仿真過 程中會進行內(nèi)部耦合來模擬輸沙和海床演變過程。

在有波浪和潮汐的情況下， Tomawac 基于 Telemac-2D 在僅潮汐情況下計算的水位變化結(jié)果，來計算波浪相關的參數(shù)以及波浪輻射應力，然后該結(jié)果會傳輸?shù)絻?nèi)部耦合了的 Telemac-2D 和 Sisyphe 模塊中，達到根據(jù)潮流和波浪的數(shù)據(jù)計算泥沙輸運過程的目的。

模型建立好后，分別對模型進行驗證，證明模型模擬結(jié)果可靠。

04

模擬結(jié)果

首先研究泥沙粒徑大小和所選擇的輸沙公式對運行結(jié)果的影響。 測試發(fā)現(xiàn)泥沙粒徑越小，輸沙率越高； Sousby-van Rijn公式算出的輸沙率是Bijker公式算出結(jié)果的10倍。 于是，在接下來的模擬中，泥沙粒徑采取較大值400微米，而輸沙公式采用Sousby-van Rijn公式。

其次是 模擬波浪對輸沙過程的影響，如圖2所示：

2-a表明波浪在淺水區(qū)對輸沙的影響較為明顯，如沙灘和岸線附近； 紅色區(qū)域表明與潮汐相比，波浪引起的輸沙通量更大，換句話說，在北部區(qū)域，輸沙通量主要由波浪主導，在東南部區(qū)域，潮汐對輸沙通量的影響更大。

2-b表明在 Great Yarmouth附近的沙灘波浪對輸沙方向影響較大。

波浪對年輸沙量的影響

（a）相對通量差，（b）方向差度

細線分別代表10m、20m和30m等深線

圖3對比了疏浚工程前后的影響。 在疏浚工程地點設置了一個1m的沙坑，模擬一年里的變化，發(fā)現(xiàn)疏浚前后海床演變最大的差異為海岸線附近，沙灘附近和南部區(qū)域受到的影響也較明顯。

由于1米深的沙坑導致的海床演變差異

現(xiàn)在假設疏浚工程后，整個區(qū)域都均勻沉降了一層沉積物，研究沉積物在一年后的分布狀況。 圖4展示了在無波浪情況下，疏浚工程后一年里泥沙的空間分布，采用海床高程等值線表示， 兩條等高線分別表示初始沉積層的0.01%和1%。

結(jié)果表明，在排除海浪的情況下，一年后林肯郡海岸有更多的泥沙殘留。 該區(qū)沉積物主要分布在從北部到南部的海岸線上， 大量泥沙最初沉積在位于Skegness和Hunstanton之間的沖刷區(qū)的深槽中。

 

疏浚區(qū)域一年后釋放的泥沙的空間分布（無波浪）

圖5中沿開放海域邊界的曲線顯示了一年內(nèi)離開該區(qū)域的泥沙體積的空間分布情況。 沉積物主要通過北部邊界的西部和南部邊界離開該研究區(qū)域。

一年后離開區(qū)域的泥沙量的空間分布

05

研究結(jié)論

在此案例中一共運用了TELEMAC-MASCARET軟件中的三個模塊，即Telemac-2D、Tomawac和Sisysphe，研究了疏浚工程對周邊海域和岸灘的影響。 對于英國這樣海岸線較多，需要經(jīng)常進行岸灘養(yǎng)護的國家而言，比較期望疏浚后涌出的泥沙能夠達到近岸地帶，進行一個天然的岸灘養(yǎng)護。 然而結(jié)果表明，對于該疏浚區(qū)域約15%的泥沙開采量未到達近岸地帶，因此減少了海灘體積， 未達到海岸保護的目的。

小結(jié)

本案例是將環(huán)境仿真技術應用于 評估疏浚工程對施工區(qū)域及周邊地區(qū) 的影響，模擬結(jié)果表證明TELEMAC-MASCARET有能力預測泥沙沉積和擴散路徑的范圍。 除了研究疏浚 工程的影響外，使用TELEMAC-MASCARET還可以建立類似的模型研究航道疏浚和港池維護導致的泥沙擴散和沉積現(xiàn)象、防波堤布局對輸沙的影響以及岸線演變等等情景。

END

今天的案例分享就到這里啦

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