01 研究背景

地中海附近河流沿岸區域是氣候災害的多發地帶。盡管在一年中的大部分時間，河道內水位低，流量小。但當短暫強勁的暴雨到來時，流量會急劇增加，這些“暴洪”帶來的強烈洪水波會引起相當大的推移質輸移。此外，河流輸沙量對河流形態也有顯著影響，這些河道形態變化可能會引發洪水，擾亂水利設施的穩定運行。

02 案例展示

CEFREM的工程師使用二維水動力耦合GAIA模塊，搭建了Têt河（法國獅灣南部）下游12.5 km長河段的水動力-泥沙沉積模型，對最近發生的三次洪水事件中河床的推移質輸沙量以及河道形態變化進行了仿真模擬。

03 模型搭建

模型主要研究流入獅子灣西南部的Têt河，自Perpignan起到距入海口500 m處，研究河段總長為12.5 km。網格總共有71733個三角形單元，網格的最大尺寸為100 m，河道內網格加密至10 m。

圖1：Têt河下游研究河段網格

CEFREM的工程師使用特征法來設置速度對流項，采用共軛梯度法求解，并進行對角預處理，從而保證數值穩定性。粘滯度和水的密度保持默認（10-6 m2.s-1, 1000 kg.m-3），計算時間步長設置為2 s。模型的上游Perpignan和Basse處施加流量邊界條件，下游邊界為河口實測的水位過程，該模型的模擬過程中還綜合考慮了降雨與蒸發的影響。

上游入流邊界處施加恒定的沉積物流量（1.5x10-6kg.s-1），下游出口處設置為沉積物的自由開放邊界。為了評估兩類非粘性沉積物（D50為200 μm和500 μm）的泥沙輸移，對不同的推移質公式（Meyer-Peter和Müller, Van Rijn公式）和全沙公式（Engelund-Hansen，經cholet-cunge修正的Engelund-Hansen公式）進行了測試。CEFREM的工程師將床層結構豎直離散為兩層: 0.15 m厚的活動沉積層和2m厚的可蝕層。

根據上述搭建的模型，CEFREM的工程師對三場最近發生的洪水事件進行了仿真模擬計算。三場洪水事件的主要特征如下表所示：

表1 ：研究洪水的洪水特征

04 模型驗證

首先利用二維水動力模型進行了計算，確定了洪水過程中水力參數的變化。工程師將洪水1和洪水2期間，在Bompas和Villelongue-la-Salanque的實測水位和ADCP測量記錄的流速與仿真計算的水位與流速結果進行對比，驗證河道中的Manning系數，校準了水動力學模型。

在形態動力學方面，由于缺乏控制數據，模型的校準和驗證主要是對輸沙規律、河床結構和泥沙分布（泥沙比率和D50）的敏感性分析。為了對模型進行校正，每次計算均輸出推移質輸沙量，并與相關文獻中估算的年輸沙總量進行了比較。

05 結果與討論

A, 水動力模型

經過檢驗，CEFREM的工程師發現，搭建好的水動力模型對河道Manning系數的敏感性弱。綜合考慮后，將Manning系數設置為0.04 s.m-1/3。

圖2為洪水3期間，仿真計算結果與實測數據的對比。在Aquapro的實測速度與仿真計算結果對比（圖2-c）顯示：均方根誤差RMSE為0.19m/s，NSE為0.57，相關性系數為0.96。從圖2-a, 2-b可以看出，仿真計算水位與在Bompas和Villelongue-la-Salanque兩個實測站的實測獲得的水位比較一致，相關性系數均在0.92以上。但在第二個位置，計算與實測結果的均方根誤差更大，納什效率系數NSE更低，且從整體上看，實測水位與計算結果之間存在連續約0.5 m的偏移，這也許是因為該處的測量儀表受到了山洪暴發引起的滑坡影響，參考標準發生了偏移。

圖2 洪水3發生期間3個測點位置的水位/流速實測數據與仿真計算結果對比 （黑色：實測數據，紅色：計算結果）

B．泥沙輸運

CEFREM的工程師對不同的輸沙公式進行了測試，以評估它們對推移質輸送的影響。圖3展示了在洪水1發生期間，使用不同輸沙公式時，河道下游推移質輸沙量的仿真計算結果。對應得，表2給出了根據不同輸沙公式模擬計算得到的河床輸沙量概況。從結果上可以看見，使用不同輸沙公式，沉積物的數量變化很大。原始的和改進的Engelund-Hansen公式似乎都低估了推移質輸沙量，而Van Rijn公式可能高估了推移質輸沙量。與相關文獻中的河道年泥沙量輸送量（表3）相比，Meyer-Peter Müller公式的精度最高。因此，接下來所有的結果都是用這個公式得到的。

圖3 洪水1期間，采用不同的輸沙公式河道下游邊界處的推移質輸沙量表2 洪水期間，使用不同輸沙公式Têt河的推移質輸沙量仿真計算結果表3 Têt河懸移質與推移質年輸沙量資料

C．河床演變

圖4展示了洪水1發生期間河床底部高程的演變過程。分析表明，侵蝕和沉積過程之間存在時空交替。洪峰到達時與洪水結束后（圖4b-c），侵蝕/沉積的幅度和區域有顯著差異。在洪水退去后（圖4c），河床侵蝕主要發生在河道上游，而沉積主要發生在河道下游。

圖4 河床底部高程演化（圖a：洪水到達前，圖b：洪水鋒現時，圖c：洪水結束后）

為了進一步分析河床形態演變，對洪水前、洪峰后一天和洪水結束時的幾個斷面(Bompas、villeltongue -dela- salanque和下游河口處)的形態進行了比較分析。從圖5觀察到橫截面的變化在空間和時間上并不一致：上游斷面受到侵蝕和沉積現象更加顯著，沉積和侵蝕分別可以達到2.0 m和1.1 m（圖5a）；而在下游位置侵蝕為零，平均沉積量小（<0.5 m)）（圖5c）。此外，從圖中還可以觀察到河床從峰現時到洪水退去之間發生了明顯的演化。

圖5 洪水1發生期間，3個河道垂直截面的模擬形態演變

（a：Bompas，b：Villelongue-de-la-Sal., c：下游河口邊界）

紅線：洪水到來前，藍線：洪峰達到1天后，橙線：洪水消退后

06 結論

CEFREM的工程師利用水動力通用仿真軟件搭建水動力-泥沙沉積模型，分析了法國獅灣Têt河在三次山洪暴發期間河床推移質輸沙量及其對河流形態變化的影響。針對兩次洪水成功校準了流體動力學模型，并對第三次洪水進行了驗證（NSE為0.66）。形態動力學模型經過對輸沙公式的敏感性分析，選擇了Meyer-Peter and Müller公式，對河床推移質的輸沙量進行了合理的評估。并在這個基礎上，研究了山洪對河道河床形態的影響。

07 小結

大多數泥沙通常是在山洪暴發期間從小河流流入大海的。據估計，小河流占地中海每年懸浮泥沙負荷的一半以上。因此，研究由于陡峭地形而引起的海洋高輸沙量的山洪事件對于全球輸沙通量研究具有重要意義。二維水動力可以很好地研究暴洪期間泥沙動力學與河流形態之間的聯系，從而對流入海洋的沉積物的運輸與堆積進行可靠有效的評估。

---

更多資訊可登錄格物CAE官方網站

https://cae.yuansuan.cn/

遠算科技在bilibili、頭條、知乎、技術鄰定期發布課程視頻等內容

或關注微信公眾號遠算云仿真

敬請關注