01 研究背景

強寒潮風暴潮等極端天氣會造成港口與外航道泥沙淤積嚴重，導致船只不能正常通航。有研究表明：在小風天氣下觀測時，海域含沙量較小，而在特殊天氣條件(如臺風、地震引起的大風天)持續作用時，海域的含沙量會持續增大，相對小風天氣，增幅達到3~6倍左右，2003年10月黃驊港海區的一次強寒潮就造成了航道泥沙嚴重淤積。

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力模塊、波浪模塊TOMAWAC和泥沙輸運模塊SISYPHE耦合預測風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，這種趨勢將在未來不斷持續下去。

對此，當地政府十分關心風暴氣候導致的波候變化對海峽泥沙輸運影響。本文將介紹極端天氣情況下海峽近岸泥沙輸運的仿真案例，從而了解大氣驅動因素和遠處產生的涌浪如何影響該區域的泥沙輸送。

圖1 吉普斯蘭地區的位置和網格化的全球后報點

首先，使用TOMAWAC二維譜波模型來計算得到波浪高度Hs、波浪峰值周期Tp、波浪方向Dp等數據，并且與全球風象后報CFSR、波浪后報NWW3值以及測量值進行對比，最后作為海床演變計算的輸入文件。如圖2所示，TOMAWAC二維譜波模型計算得到的值（藍線）與全球波浪后報NWW3（紅線）與測量值（綠線）對比，驗證了TOMAWAC的計算值與測量值相符。

圖2 TOMAWAC得到的Hs、Dp 、Tp模擬值與CFSR、NWW3測量值的對比

圖3展示了二維水動力模型的水位和流量驗證結果。圖中模擬值（藍線）與測量值（紅線）對比，發現模擬得到的水位值是測量值的3/4，但經過調低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確。因此需要獲取更多關于湖區水深測量的信息，以改進水動力模擬。總體來說，此次驗證證明了二維水動力模塊的仿真能力。

圖3 二維水動力水位值（調低1/3）與測量值比較

驗證模型之后，本案例建立了三種泥沙輸運模型來進行模擬仿真，研究在風暴條件下模型的不同設置對泥沙輸運的影響。以下三幅圖展示了9月10日 UTC 00:00的海床演變模擬結果：

• 圖4是有推移質，但無波浪和懸移質輸運模型的模擬結果；在沒有波浪和懸移質輸運的情況下，海床演變的跡象很小。

• 圖5是有推移質和波浪，但無懸移質輸運模型的模擬結果；當同時考慮到推移質輸運和波浪時，9月8日發生的風暴導致泥沙相對均勻地以沙壩的形式向外海移動。

• 圖6是同時考慮推移質、波浪、懸移質輸運模型的模擬結果。當同時考慮到推移質、懸移質輸運和波浪時，整個海床的演化是守恒的，較少的泥沙會被沖進外海中。

圖4 有推移質無波浪且懸移質輸運模型的海床演變

圖5有推移質和波浪無懸移質輸運模型的海床演變

圖6 同時有推移質、波浪、懸移質輸運模型的海床演變

03 研究結論

本文首先使用二維水動力模塊與TOMAWAC模塊計算風暴氣候下海浪的相關參數并與測量值對比，驗證模型的仿真能力。TOMWAC模塊得到的海浪數據作為泥沙輸運模塊SISYPHE的輸入文件。然后使用三個模塊耦合建立三種不同的泥沙輸運模型仿真模擬極端氣候條件下的海床泥沙輸運情況，證明了極端天氣對泥沙輸運的影響。

04 小結

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

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