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模型以對大型河口灣地區的泥沙遷移以及中期（5年）河床演變進行相對準確的預測。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的一些關鍵設施遭到泥沙遷移的侵蝕和堵塞等影響。

此次研究的區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）的匯合點以及入海口，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，在洪澇季節甚至可超過5000立方米/秒。其復雜的河口條件以及巨大的面積使得該地區在數值模擬方面需要大量的計算資源，因此對該地區泥沙遷移以及地貌動力學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果和觀測數據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的自由水力學軟件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。關于該模型的具體細節設定會在接下來的部分介紹。

02 模型建立

水力學模型

水力學部分將由TELEMAC-MASCARET系統中的二維水力學模塊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、中央匯流區和入海口。TELEMAC-2D中所使用的非結構有限元網格可以更加適應大尺度建模的需要，同時在重點區域（例如在本案例中的中央匯流區）可以進行較為靈活的網格加密以反映該區復雜的物理現象。另外深度平均淺水控制方程的使用也可以節省更多的計算資源。

泥沙遷移模型

泥沙遷移部分的建模由同樣包含于TELEMAC-MASCARET系統的SISYPHE模塊完成。該模塊的核心控制方程為埃克納方程（Exner equation），其廣泛用于反應泥沙等沉積物的質量守恒。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，前者可通過半經驗公式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

鑒于泥沙遷移現象主要發生在河流近床部分，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]區間之內的校正系數來人為降低河流的遷移速率，當然這種處理會使模型在數值解算過程中產生不穩定性，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系統當中，因此實際操作起來非常方便。

03 模擬結果

大尺度水力學模型的驗證

首先我們將要驗證大尺度下水力學模型的有效性。驗證地點方面我們選取入海口附近的Verdon（點1）站點以及中央地區的Pauillac（點4）站點。結果如下圖所示：

上圖為水位觀測數據（離散點）與計算結果（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，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據，結果如下圖所示：

上圖為觀測數據，而下圖為模擬的結果。如圖所見，在網格密集的中部地區粒度分布的計算結果與觀測數據非常契合。

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匯流區域的河床演變情況。時間方面選取1995-2000年5年的變化情況，計算結果與觀測數據的比對如下圖所示：

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

04 研究結論

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。現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據達到很好的一致性。而定量方面，中央匯流區的模擬結果相對較好，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果，在將來的工作中需要進一步完善各類參數的設置，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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