由于地處狹窄海灘地貌，英國普爾灣和基督城灣（圖 1）吸引了絡繹不絕的游客前來觀光，而這也對當地經濟起到了至關重要的作用。然而，常年累月地受到潮汐和波浪的侵蝕作用，海灘地貌遭到了破壞：僅在2013至2014年的冬季期間，伯恩茅斯的海灘就流失了144,000 m3的沙子，普爾港前的Sandbank半島也流失了30,000 m3的沙子。目前人們通過定期養(yǎng)護海灘的方式維持著這一自然景觀。此外，海平面的上升也可能加劇海灘受到的侵蝕，增加海灘養(yǎng)護的頻率。
但是，如果可以提前預知泥沙沉積的具體位置，就可以通過在泥沙沉積區(qū)域疏浚作業(yè)，實現侵蝕地帶的泥沙回收。因此，有必要針對這一需求，開發(fā)一個用于計算英吉利海峽泥沙遷移路徑的數值模型，并且把研究區(qū)域重點放在斯沃尼奇和懷特島之間。
圖 1 普爾灣和基督城灣（來源：谷歌地球）
使用二維水動力模塊對英吉利海峽和南部北海區(qū)域建模。由于在海岸附近的泥沙輸運主要由波浪驅動的洋流控制，為了正確地模擬這些過程，需要準確地表示波浪破碎現象發(fā)生的位置。最終使用的小尺度細網格的整體精度為25m，局部尺度加密網格至5m，而在坡度較緩的彎曲海灘將網格精度調整為10m，遠岸（海豚沙附近）精度拉長至50m。
通過從英國水文局（UKHO）和海峽海岸觀測站（CCO）收集得到測量水深數據，整合并形成海洋大尺度地形數據集如圖 2所示。其中索倫特灣、普爾灣以及基督城灣的CCO數據為2006年至今的一系列測量數據，UKHO數據則是從2004年至今的調查數據。
圖 2 研究區(qū)域（左上角）以及研究區(qū)域地形DEM示意圖
潮汐邊界
通過海洋邊界處的水位變化，讓水動力條件由潮汐和洋流控制，并將其包括在數值模型中。該模型具有東西兩個開放的、用于施加水力條件的邊界。通過從TPXO衛(wèi)星測高數據集提取的潮位作為驅動水動力模型的邊界條件，研究者們向研究區(qū)域施加了時空變化的潮汐波動，從而模擬出大海的潮汐變化。其中，歐洲大陸架的TPXO全球海洋潮汐模型分辨率為1/30度（約3.7公里），由八個不同的潮汐分潮，和三個非線性分潮（M4、MS4和MN4）組成。
波浪條件由ERA5（ECMWF再分析數據）產生，通過估計歷史大氣活動信息，綜合數值模型和觀測數據得到。ERA5提供了高質量的中高分辨率大氣和海面水波參數估計，其水平分辨率為31km，每小時記錄有137個垂直標高的數據。
仿真模型的大氣壓力、風速及其方向也取自ERA5再分析數據集。研究人員通過獲取到的ERA5的校正后風速，按照其空間和時間分布插值到模型的網格節(jié)點處，可實現估算風所造成的應力變化和波浪的生成。
在該研究模型中，研究人員按照泥沙粒徑定義了6種泥沙類別，分別為（從淤泥到粗礫石）：40μm（淤泥）、94μm（極細砂）、188μm（細砂）、375μm（中砂）、1.0mm（粗礫）和20mm（礫石）。根據此前的其他研究信息，針對部分已知的異常點位和信息修改了這些地質成分構成。最終形成的平均粒徑模型如圖 3所示
圖3 海床泥沙的平均粒徑分布圖及重要點位分布（從S1到S9共9個點位）
最終，根據以上條件形成了研究所用的大尺度海域模型，通過耦合TOMAWAC以及GAIA模塊，計算推演該尺度下大范圍的海床泥沙遷移現象。
通過水動力仿真模塊耦合計算結果，該模型能良好地再現大多數位置處的觀測流量、波浪條件和泥沙遷移與輸送現象。圖 4展示了模型計算得到的泥沙遷移方向以及殘余泥沙遷移量。由于缺乏最新的精確的卵石灘水深測量數據，在S4（卵石灘）和S3（赫斯特海岬）計算的流量和水位受到影響，導致無法正確表征該地區(qū)的泥沙遷移模型。在S6處（基督城灣東南方向），模型很好地再現了波流條件，然而其預測的泥沙輸送量仍有點偏高，與實際情況不符合。由于模型中海床的成分組成允許在基督城邊緣侵蝕掉更多的泥沙，導致S6乃至S7處泥沙遷移量相對較多。
在研究者們的實測數據中，泥沙的輸送量是基于高于海床面0.5m
以上的水體中的流速和泥沙濃度確定的剖面近似值。由于絕大多數泥沙遷移發(fā)生在更靠近海床的位置，測量得到的泥沙遷移速率具有較大的不確定性。盡管如此，測量值和模型計算值之間依舊存在著相對良好的近似度，說明該水動力仿真軟件在此類大尺度海域仿真領域中具備相當的實用能力。
圖 5展示了模型計算區(qū)域的海床侵蝕和沉積現象。然而由于巖石和堅硬粘土等不可侵蝕層在模型中被表示為在高能量條件下會受到侵蝕的礫石層，該模型在海床的長期侵蝕和沉積分析方面依舊有所不足。
圖5 海域海床侵蝕與沉積相關表征，藍色代表泥沙沉積而紅色代表侵蝕（單位：m）
為分析研究普爾灣和基督城灣的泥沙沉積路徑，針對性地用水動力仿真軟件開發(fā)了用于模擬英吉利海峽的波浪、洋流和泥沙遷移的水動力數值模型。通過在不同地點獲取實測數據，并與仿真結果相驗證，研究者們發(fā)現模型的波浪和海流結果與觀測值高度吻合，并且絕大部分的觀測到的泥沙遷移現象也被模型再現。
雖然該模型尚未被開發(fā)用于預測未來的海床床位變化，但計算結果中的海床變遷與歷史變化大體一致。總體來說，在高精度的水深測量和海床成分數據的支持下，使用多物理場耦合的泥沙輸運建模與計算是準確的。
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