輸沙
關(guān)注創(chuàng)建者：CAE璐姐 創(chuàng)建時(shí)間：2021-03-12
輸沙的實(shí)例教程
在形態(tài)動(dòng)力學(xué)方面，由于缺乏控制數(shù)據(jù)，模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證主要是對(duì)輸沙規(guī)律、河床結(jié)構(gòu)和泥沙分布（泥沙比率和D50）的敏感性分析。為了對(duì)模型進(jìn)行校正，每次計(jì)算均輸出推移質(zhì)輸沙量，并與相關(guān)文獻(xiàn)中估算的年輸沙總量進(jìn)行了比較。
05 結(jié)果與討論
A, 水動(dòng)力模型
經(jīng)過檢驗(yàn)，CEFREM的工程師發(fā)現(xiàn)，搭建好的水動(dòng)力模型對(duì)河道Manning系數(shù)的敏感性弱。綜合考慮后，將Manning系數(shù)設(shè)置為0.04 s.m-1/3。
圖2為洪水3期間，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比。在Aquapro的實(shí)測(cè)速度與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比（圖2-c）顯示：均方根誤差RMSE為0.19m/s，NSE為0.57，相關(guān)性系數(shù)為0.96。從圖2-a, 2-b可以看出，仿真計(jì)算水位與在Bompas和Villelongue-la-Salanque兩個(gè)實(shí)測(cè)站的實(shí)測(cè)獲得的水位比較一致，相關(guān)性系數(shù)均在0.92以上。但在第二個(gè)位置，計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的均方根誤差更大，納什效率系數(shù)NSE更低，且從整體上看，實(shí)測(cè)水位與計(jì)算結(jié)果之間存在連續(xù)約0.5 m的偏移，這也許是因?yàn)樵撎幍臏y(cè)量?jī)x表受到了山洪暴發(fā)引起的滑坡影響，參考標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生了偏移。
圖2 洪水3發(fā)生期間3個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的水位/流速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比 （黑色：實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，紅色：計(jì)算結(jié)果）
B．泥沙輸運(yùn)
CEFREM的工程師對(duì)不同的輸沙公式進(jìn)行了測(cè)試，以評(píng)估它們對(duì)推移質(zhì)輸送的影響。圖3展示了在洪水1發(fā)生期間，使用不同輸沙公式時(shí)，河道下游推移質(zhì)輸沙量的仿真計(jì)算結(jié)果。對(duì)應(yīng)得，表2給出了根據(jù)不同輸沙公式模擬計(jì)算得到的河床輸沙量概況。從結(jié)果上可以看見，使用不同輸沙公式，沉積物的數(shù)量變化很大。原始的和改進(jìn)的Engelund-Hansen公式似乎都低估了推移質(zhì)輸沙量，而Van Rijn公式可能高估了推移質(zhì)輸沙量。
展開 在海岸線邊界，輸沙通量設(shè)置為0，外海邊界條件的設(shè)置取決于水流條件。輸沙公式的選擇與泥沙粒徑有關(guān)，在此模型中，主要選擇了兩個(gè)公式即Bijker公式和Sousby-van Rijn公式進(jìn)行測(cè)試。
在只有潮汐的情況下，Telemac-2D模塊和Sisyphe模塊在仿真過
程中會(huì)進(jìn)行內(nèi)部耦合來模擬輸沙和海床演變過程。
在有波浪和潮汐的情況下，
Tomawac
基于
Telemac-2D
在僅潮汐情況下計(jì)算的水位變化結(jié)果，來計(jì)算波浪相關(guān)的參數(shù)以及波浪輻射應(yīng)力，然后該結(jié)果會(huì)傳輸?shù)絻?nèi)部耦合了的
Telemac-2D
和
Sisyphe
模塊中，達(dá)到根據(jù)潮流和波浪的數(shù)據(jù)計(jì)算泥沙輸運(yùn)過程的目的。
模型建立好后，分別對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，證明模型模擬結(jié)果可靠。
04
模擬結(jié)果
首先研究泥沙粒徑大小和所選擇的輸沙公式對(duì)運(yùn)行結(jié)果的影響。
測(cè)試發(fā)現(xiàn)泥沙粒徑越小，輸沙率越高；
Sousby-van Rijn公式算出的輸沙率是Bijker公式算出結(jié)果的10倍。
于是，在接下來的模擬中，泥沙粒徑采取較大值400微米，而輸沙公式采用Sousby-van Rijn公式。
其次是
模擬波浪對(duì)輸沙過程的影響，如圖2所示：
2-a表明波浪在淺水區(qū)對(duì)輸沙的影響較為明顯，如沙灘和岸線附近；
紅色區(qū)域表明與潮汐相比，波浪引起的輸沙通量更大，換句話說，在北部區(qū)域，輸沙通量主要由波浪主導(dǎo)，在東南部區(qū)域，潮汐對(duì)輸沙通量的影響更大。
展開 4.輸泥模塊（MT）
MIKE 21的輸泥模塊（MT）結(jié)合了多粒徑級(jí)和底床分層，描述了粘聚性泥沙（淤泥或黏土）在波浪和水流作用下的沖刷、傳輸和沉積。MT模塊還考慮了河（海）床的不同固結(jié)程度。
5.粒子分析模塊（PA）
模擬水中溶解或懸浮物質(zhì)的傳輸路徑及歸宿。PA模塊把水中污染物視為粒子，在二維水體中以傳輸和擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)。PA應(yīng)用拉格郎日法進(jìn)行計(jì)算，所以粒子的運(yùn)動(dòng)和結(jié)果的精度不受網(wǎng)格大小的限制。
PA模塊主要用于江、河、湖、海中發(fā)生的意外溢漏的模擬，并且能夠模擬沉淀和衰減的過程。
6.輸沙模塊（ST）
MIKE 21的ST模塊根據(jù)水流的作用或水流和波浪的共同作用來計(jì)算輸沙率。在波浪和水流的共同作用時(shí)，模型利用DHI模型STP的波周期公式計(jì)算輸沙率。如果只有水流的作用，用戶可選擇多種常用的輸沙計(jì)算公式。初始的淤積/沖刷利用泥沙的質(zhì)量守衡來確定。
展開 本文則將展開講解通用二維水動(dòng)力仿真軟件中二維水動(dòng)力模塊和泥沙模塊耦合建立的數(shù)值二維水動(dòng)力-泥沙模型（以下簡(jiǎn)稱二維水沙模型）在潰壩方面的應(yīng)用。
02 案例展示
本文將講解法國(guó)電力集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱法電）的工程師使用二維水動(dòng)力模塊與泥沙傳輸模塊耦合模擬潰壩過程的兩個(gè)案例。
第一個(gè)案例是建立數(shù)值模型重現(xiàn)科爾曼案例，研究一個(gè)均質(zhì)土壩由于漫壩導(dǎo)致的潰壩過程。
第二個(gè)案例中，基于第一個(gè)案例的數(shù)值研究結(jié)果，工程師對(duì)一個(gè)造雪水庫(kù)（注：造雪水庫(kù)一般服務(wù)于滑雪場(chǎng)）的決堤過程進(jìn)行了模擬。
1. 科爾曼案例
科爾曼案例由科爾曼等人進(jìn)行，是研究均質(zhì)土壩由于漫壩而潰壩的實(shí)驗(yàn)。他們對(duì)均質(zhì)土壩的潰壩過程進(jìn)行了研究和分析，最終得到了決堤口形狀和決堤口侵蝕率的數(shù)據(jù)。
工程師用二維水動(dòng)力模塊與泥沙傳輸模塊耦合建立了二維水沙模型，意在重現(xiàn)科爾曼案例并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果校準(zhǔn)水沙模型參數(shù)。
在數(shù)值模型中，大壩的沙土直徑與實(shí)驗(yàn)物理模型一致，為0.5 mm；初始條件設(shè)置大壩為可侵蝕，并設(shè)設(shè)置了一個(gè)初始的決口；底部設(shè)為不可侵蝕的剛性床；邊界條件設(shè)置上游水深為0.3 m，下游為自由流出；研究區(qū)域邊界處網(wǎng)格精度為10 cm，大壩處網(wǎng)格精度為2 cm，共有42200個(gè)三角形網(wǎng)格，如下圖所示。
圖1. 二維水沙模型中的網(wǎng)格和初始條件設(shè)置情況
數(shù)值模擬結(jié)果和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的校準(zhǔn)與對(duì)比主要基于大壩縱向截面的形狀數(shù)據(jù)，如圖2和圖3所示。
圖2為100秒后實(shí)驗(yàn)堤壩橫截面形狀變化（黑色方框線）與數(shù)值堤壩橫截面形狀變化（其余顏色的線段）的對(duì)比情況。觀察發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模型中采用默認(rèn)參數(shù)值得到的結(jié)果（紫線）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（黑色方框線）偏差較大；通過修改MPM輸沙公式中α參數(shù)（校正輸沙率）和Talmon公式β參數(shù)（校正輸沙的橫向偏差效應(yīng)）的值后，最終得到的數(shù)值結(jié)果（紅線）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度顯著提高。
展開 「沖積及輸沙」「沖淤模型」
FLOW3D 可計(jì)算取水道的水頭損失,用以決定流量及壓力是否在可承受范圍內(nèi)「取水道」「水頭損失」「壓力承受范圍」
FLOW3D 可以用來計(jì)算在任何流量下，包括可能最大洪水（PMF）的條件下的負(fù)載壓力分析。「流量」「壓力」「壓參氣模擬」「沖刷仿真」
FLOW3D 用于水閘設(shè)計(jì)可計(jì)算放水系數(shù)及水量強(qiáng)度曲線「水閘設(shè)」「放水系數(shù)」「水量強(qiáng)度曲線」
FLOW3D可設(shè)定不同顏色于流過不同通道的流體.這功能可追蹤各通道進(jìn)來的流體在流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)分布。「流動(dòng)標(biāo)幟」
「FLOW 3D 溢洪道仿真」魚道設(shè)計(jì)方案
FLOW3D 應(yīng)用于改善現(xiàn)有水壩及其溢洪道的操作及維護(hù)是很有效的工具。 FLOW3D 常被用來評(píng)估各種簡(jiǎn)單或復(fù)雜溢洪道的水利效益。「溢洪道仿真」「水壩仿真」「水利工程」
FLOW3D 經(jīng)常被用來改善現(xiàn)有魚道的設(shè)計(jì)和根據(jù)不同的魚類物種的生理特點(diǎn)開發(fā)新的設(shè)計(jì)。「魚道的設(shè)計(jì)」
「FLOW 3D災(zāi)難仿真」泛洪仿真
FLOW3D高分辨率的淺水模型可以用來評(píng)估泛水情況。許多其他沿海的應(yīng)用模擬都是用FLOW3D 。「水災(zāi)仿真」「洪水泛濫仿真」「泛洪仿真」「水庫(kù)濁流」
山體滑坡所誘發(fā)波浪可能越過大壩，這種現(xiàn)象可以用FLOW-3D進(jìn)行研究。「山體滑仿真」
FLOW3D VOF模型已被證明能成功的模擬潰壩時(shí)瞬間的流況。可模擬各種潰壩情況瞬間接近壩體的流場(chǎng)，所以能預(yù)測(cè)流況史。「潰壩仿真」「瞬間壩體流場(chǎng)」
FLOW-3D 波浪產(chǎn)生器模型是以傅里葉級(jí)數(shù)為基礎(chǔ)延伸發(fā)展到所有周期性非線性波。「波浪模型」「非線性波」
河流動(dòng)力學(xué)涉及流量，輸沙和水路通道之間復(fù)雜的相互作用。這些相互作用的分析是許多河流管理的一個(gè)關(guān)鍵問題,這包括水路通道遷移，調(diào)寬和棲息地發(fā)展。
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輸沙的最新內(nèi)容
圖2 洪水3發(fā)生期間3個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的水位/流速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比 （黑色：實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，紅色：計(jì)算結(jié)果）
B．泥沙輸運(yùn)
CEFREM的工程師對(duì)不同的輸沙公式進(jìn)行了測(cè)試，以評(píng)估它們對(duì)推移質(zhì)輸送的影響。圖3展示了在洪水1發(fā)生期間，使用不同輸沙公式時(shí)，河道下游推移質(zhì)輸沙量的仿真計(jì)算結(jié)果。對(duì)應(yīng)得，表2給出了根據(jù)不同輸沙公式模擬計(jì)算得到的河床輸沙量概況。
觀察發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模型中采用默認(rèn)參數(shù)值得到的結(jié)果（紫線）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（黑色方框線）偏差較大；通過修改MPM輸沙公式中α參數(shù)（校正輸沙率）和Talmon公式β參數(shù)（校正輸沙的橫向偏差效應(yīng)）的值后，最終得到的數(shù)值結(jié)果（紅線）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度顯著提高。
圖 4 在TCOON點(diǎn)位的模型計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比圖圖 5 在NDBC點(diǎn)位的模型計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比圖
03 研究結(jié)論
如圖6所示的颶風(fēng)艾克登陸期間的輸沙率云圖，這期間泥沙主要往加爾維斯頓灣（Galveston Bay）入口通道以東的陸上運(yùn)輸，而在通道以西，泥沙轉(zhuǎn)而從海岸向遠(yuǎn)海處輸送。
利物浦灣網(wǎng)格模型
泥沙輸運(yùn)模型
泥沙輸移采用粒徑為0.23mm的推移質(zhì)，使用梅耶爾-彼得輸移公式求解輸沙率。
03 模擬結(jié)果
基于利物浦港的Burbo Bank風(fēng)電廠的模型，模擬了為期30天的大小潮流場(chǎng)，并結(jié)合SISYPHE模擬了風(fēng)電場(chǎng)海底7天內(nèi)的泥沙遷移情況。
綜上可見，生態(tài)流量是維系河湖生物多樣性健康可持續(xù)的流量，保持河道形態(tài)穩(wěn)定的輸沙流量，保持河湖水質(zhì)要求的污染物降解流量，維持河口咸淡平衡的流量等。
于是，在接下來的模擬中，泥沙粒徑采取較大值400微米，而輸沙公式采用Sousby-van Rijn公式。
其次是
模擬波浪對(duì)輸沙過程的影響，如圖2所示：
2-a表明波浪在淺水區(qū)對(duì)輸沙的影響較為明顯，如沙灘和岸線附近；
紅色區(qū)域表明與潮汐相比，波浪引起的輸沙通量更大，換句話說，在北部區(qū)域，輸沙通量主要由波浪主導(dǎo)，在東南部區(qū)域，潮汐對(duì)輸沙通量的影響更大。
利物浦灣網(wǎng)格模型
泥沙輸運(yùn)模型
泥沙輸移采用粒徑為0.23mm的推移質(zhì)，使用梅耶爾-彼得輸移公式求解輸沙率。
「沖積及輸沙」「沖淤模型」
FLOW3D 可計(jì)算取水道的水頭損失,用以決定流量及壓力是否在可承受范圍內(nèi)「取水道」「水頭損失」「壓力承受范圍」
FLOW3D 可以用來計(jì)算在任何流量下，包括可能最大洪水（PMF）的條件下的負(fù)載壓力分析。
6.輸沙模塊（ST）
MIKE 21的ST模塊根據(jù)水流的作用或水流和波浪的共同作用來計(jì)算輸沙率。在波浪和水流的共同作用時(shí)，模型利用DHI模型STP的波周期公式計(jì)算輸沙率。如果只有水流的作用，用戶可選擇多種常用的輸沙計(jì)算公式。初始的淤積/沖刷利用泥沙的質(zhì)量守衡來確定。
主要有：
(1)水動(dòng)力學(xué)模型(HD model)
(2)對(duì)流擴(kuò)散及粘性輸沙模型
(3)非粘性沙傳導(dǎo)模型
(4)NAM降雨徑流模型(NAM model)
(5)單位線模型
(6)洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)模型(FF)
(7)地理信息系統(tǒng)
在本次合作項(xiàng)目中，主要進(jìn)行NAM、HD、FF模型的應(yīng)用研究。以下將對(duì)此三個(gè)模型進(jìn)行主要介紹。
