01 研究背景

入海口周邊通常有大量人類進行休閑和旅游活動，且入海口本身就是需要保護的生態系統。因此氣候變化引起海平面上升對入海口的影響，以及未來入海口的管理是一個備受關注的議題。

構建仿真可幫助評估極端天氣下的城鎮淹沒風險、泥沙輸運帶來的入海口形態變化和不同海岸線管理措施帶來的影響，對入海口的管理具有重要意義。

在英國威爾士海岸線上，有數個入海口迫切需要采取措施來降低淹沒風險。由于海平面的上升以及頻繁的風暴潮，洪水經常越過海岸防線，對一些重要的生態系統和基礎設施造成負面影響。

為了研究氣候變化將如何改變沿海洪災情勢，以及比較不同管理措施的效果，研究人員選擇了三個典型的入海口（如圖1所示，依次為1- Burry灣、2- Dyfi入海口和3-Mawddach入海口），然后建立了精細的二維模型，用二維水動力通用仿真軟件進行了仿真計算。

模型考慮了如沿海防波堤、鐵路堤壩和導流堤等人工設施。網格密度的設置因地制宜，目的是體現近岸區的小尺度海床特征。為了模擬潮汐的傳播過程，計算域擴展到了近海區域。每個入海口都研究了尋常和極端情況下的淹沒和泥沙輸運情況。

圖 1 研究的三個典型入海口位置，

1- Burry灣、2- Dyfi入海口和3- Mawddach 入海口

02 研究案例情況

 

上文所述的三個入海口都屬于淺水區，有一個狹長的退水通道，兩側是廣闊的潮灘和鹽沼（洪水泛濫區），河沙主要為中砂。三個入海口的出口處都存在海岬，因此出口寬度較小，潮水最為洶涌。

在過去一個世紀里，這里的農業用地因為戰爭的原因而變得很緊張，用于抵御極端高水位的堤壩和海岸防線逐漸被農業用地取代，洪水事件開始變得頻繁起來。

威爾士南部的Burry灣是三個入海口中最大的一個（長度為16公里，潮水量1*10¹²m³），其北岸有相當多的人口面臨洪水風險。南岸的鹽沼地也面臨潮汐淹沒和沉積物侵蝕的風險。

由于鐵路堤壩和導流堤的限制，威爾士中部的Dyfi入海口的自然潮汐水量受到極大的限制。

在河水流量大的時候，Machynlleth鎮可能出現嚴重的洪災。這里的海岸管理現在面臨的問題是加固堤壩，還是調整堤壩的部分段以減少洪水風險。后者要以土地的耗損作為代價，而其中一些土地是受保護的沼澤生態系統。

此外，位于威爾士中部的Mawddach入海口面臨的管理問題與臨近的Dyfi入海口類似。此外，因為它是一個潮間帶環境，所以也受海岸線變化的影響。圖2顯示了Mawddach入海口模型的部分地形和網格。綠色 網格是主要的退潮通道，紅色 網格是堤壩或防洪設施。

所有案例使用的地形數據來自高精度的LIDAR入海口數據，海圖數據或船測數據，然而仍缺少河道地形數據，因此河道地形是用均勻向下降低2m后的LIDAR測量河高。

圖2 Mawddach入海口的局部地形（上圖）和網格（下圖）

03 模型設置

 

模型求解的方程是圣維南淺水方程，其中包含動量和連續性方程。在本次研究中，因為地形的坡度比較小，由壓力帶來的垂向加速度將被重力的影響抵消，所以靜水假設成立。

摩擦的計算使用Nikuradse定律，系數為3*10^-2m，粘度系數等于10^-2m²/s。科氏力的影響也在模型的考慮范疇內。近海邊界的潮汐高程和速度由一個外部模型計算得到，陸地河流邊界采用流量邊界。模型不涉及大氣帶來的影響，如風生波。鹽度以示蹤物的形式引入到模型。

在該研究中，在該研究中，將使用二維水動力模型與泥沙輸運模塊進行耦合計算，模擬河床的演變。

04 模型驗證

 

使用 Dyfi 入海口在 2007 年 7 月 9 號到 21 號采集的數據，完成模型的率定工作。 潮位高程的實測數據來自 Aberdyfi 、 Dyfi 河岔和 Pennal 河曲三個位置。 該研究使用二維水動力仿真模擬了這段時間三個位置的水位變化。 結果如 圖 3 所示。

模型在Aberdyfi的比對結果如圖3a)，計算結果與實測數據較符合；在Dyfi河岔以及Pennal河曲的比對結果如圖3b)和3c)，在100h后的一段時間里符合較差，這段時間內因為有降雨事件，所以水位下降得比預期要慢。

圖 3 a) Aberdyfi，b) Dyfi河岔和c) Pennal河曲三個位置的實測水位和計算水位對比

05 工況計算與分析

 

本研究設計了6種工況，覆蓋日常天氣條件和極端天氣條件等多種不同情況。具體的工況描述如表格1所示。所有案例的仿真時長為8天，以完全包含潮水的漲退過程。

表格  1 模型研究的工況的具體描述

在三個入海口的案例研究中，1米及1米以上的海平面上升造成的洪水影響比“河流徑流極大”工況更嚴重。

造成如此程度海平面上升的原因有極端風暴潮和未來極端條件（預測100年后的海平面上升高度有1m）。按目前的海平面高度，大多數堤壩和海岸防線在漲潮時不會被淹沒，但隨著海平面上升到1米或更高 ，沼澤保護區和城市地帶都會被淹沒。

圖4展示了沒有和有2m風暴潮兩種條件下，Mawddach入海口的受淹情況。在前一種條件下，堤壩可以保護阿索格沼地和費爾伯恩村不受淹沒，但在極端風暴潮條件下卻不能。

圖 4 沒有（上圖）和有（下圖）2米風暴潮的情況下，Mawddach入海口的漲潮淹沒范圍（淺藍色）和速度矢量結果

Dyfi入海口的模擬結果顯示，如果未來不采取任何海岸管理措施，鹽沼地區將因海岸的擠壓而減少。伯斯沼澤的稀缺生態系統將因洪水的增加而改變，附近的村莊也將面臨洪水的威脅。

模型預測，海岸調整可以保護伯斯沼澤和村落。圖5顯示了Dyfi入海口在不同管理方案下的洪水淹沒情況。

在方案1中，堤壩作為防洪設施被加固，提高了2m的高度。入海口形狀沒有發生變化，但海平面上升將導致鹽沼地面積的減少。

在方案2中，有一段鐵路線被調整到更南的位置。這使得北部的沼澤被淹沒（由于大部分是農業用地，所以不太重要），但也保護了南部的大部分泥炭沼澤和住宅。

方案3顯示，如果拆除這段堤壩，在極端條件（工況5）下整個伯斯沼澤都會被淹沒。

圖 5 不同海岸管理方案下的洪水情況。

方案1：藍色區域為現有鐵路堤壩（黑色實線）被提高2m后的受淹范圍；

方案2：綠色區域為鐵路堤壩向南調整后（黑色虛線）的受淹范圍；

方案3：橙色區域為鐵路堤壩被全部移除后的受淹范圍。

Burry灣的模擬顯示，在城市化的北海岸，洪水的風險越來越大，這可能會影響到Llanelli和Burry港口，并殃及南部河口具有極大環境價值的鹽濕地。極端的潮水和河流情況（工況5）會使潮頭高度提高一倍（相比于工況1），并使潮流往上游深入3km，整個入海口的流速變成原來的1.5倍。因此，Whiteford海岬會被嚴重侵蝕，脫落的泥沙將向北輸送，然后沉積在三角洲的岸邊。

圖6展示了兩種管理措施對泥沙輸運的影響。這兩種管理分別是拆除和恢復一個已經破損的導流堤。如果移除導流堤，那么流速和泥沙輸運速率在堤壩被拆除的地方有所降低，但在入海口上游則有所上升。恢復導流堤將使水流收縮，增加了墻兩側的侵蝕，但減少了入海口上游的沉積物。

圖6 移除導流堤和修復導流堤對泥沙輸運的影響

此外，研究也發現，在三個案例中，如果移除部分或全部堤壩，洪水會進一步在洪泛區擴散，但河道上游的水位將降低，從而減少入海口上游低洼地區的洪水風險。

06 小結

 

入海口區域一直是人口聚集區。最初是由于貿易和工業，但今天則更多的是因為人們被其優美的自然環境所吸引。為了應對未來氣候變化挑戰，沿海管理是必不可少的。通過這項研究和其他建模項目，威爾士的有關當局現在已意識到仿真在幫助海岸管理方面的潛力。

07 總結

 

入海口的仿真具有重要意義，入海口周邊通常是一些需要保護的生態系統，或有大量的人類在該地區進行休閑和旅游活動。這項研究表明，二維水動力仿真是一個適合入海口研究的水動力仿真模塊，其具備良好的處理淺水問題和漫灘的能力。

 文章來源遠算云仿真