輸沙的案例
【CAE案例】推移質輸移和河道形態變化模擬
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。
展開 【環境仿真專題第二講】使用TELEMAC-MASCARET研究英國諾福克和林肯郡海岸的疏浚對泥沙沉積和擴散路徑的影響
在海岸線邊界，輸沙通量設置為0，外海邊界條件的設置取決于水流條件。輸沙公式的選擇與泥沙粒徑有關，在此模型中，主要選擇了兩個公式即Bijker公式和Sousby-van Rijn公式進行測試。
在只有潮汐的情況下，Telemac-2D模塊和Sisyphe模塊在仿真過
程中會進行內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
在僅潮汐情況下計算的水位變化結果，來計算波浪相關的參數以及波浪輻射應力，然后該結果會傳輸到內部耦合了的
Telemac-2D
和
Sisyphe
模塊中，達到根據潮流和波浪的數據計算泥沙輸運過程的目的。
模型建立好后，分別對模型進行驗證，證明模型模擬結果可靠。
04
模擬結果
首先研究泥沙粒徑大小和所選擇的輸沙公式對運行結果的影響。
測試發現泥沙粒徑越小，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
模擬波浪對輸沙過程的影響，如圖2所示：
2-a表明波浪在淺水區對輸沙的影響較為明顯，如沙灘和岸線附近；
紅色區域表明與潮汐相比，波浪引起的輸沙通量更大，換句話說，在北部區域，輸沙通量主要由波浪主導，在東南部區域，潮汐對輸沙通量的影響更大。
展開 講講帥氣的MIKE
4.輸泥模塊（MT）
MIKE 21的輸泥模塊（MT）結合了多粒徑級和底床分層，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）床的不同固結程度。
5.粒子分析模塊（PA）
模擬水中溶解或懸浮物質的傳輸路徑及歸宿。PA模塊把水中污染物視為粒子，在二維水體中以傳輸和擴散的方式運動。PA應用拉格郎日法進行計算，所以粒子的運動和結果的精度不受網格大小的限制。
PA模塊主要用于江、河、湖、海中發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模塊根據水流的作用或水流和波浪的共同作用來計算輸沙率。在波浪和水流的共同作用時，模型利用DHI模型STP的波周期公式計算輸沙率。如果只有水流的作用，用戶可選擇多種常用的輸沙計算公式。初始的淤積/沖刷利用泥沙的質量守衡來確定。
展開 【CAE案例】堤壩潰壩分析
本文則將展開講解通用二維水動力仿真軟件中二維水動力模塊和泥沙模塊耦合建立的數值二維水動力-泥沙模型（以下簡稱二維水沙模型）在潰壩方面的應用。
02 案例展示
本文將講解法國電力集團（以下簡稱法電）的工程師使用二維水動力模塊與泥沙傳輸模塊耦合模擬潰壩過程的兩個案例。
第一個案例是建立數值模型重現科爾曼案例，研究一個均質土壩由于漫壩導致的潰壩過程。
第二個案例中，基于第一個案例的數值研究結果，工程師對一個造雪水庫（注：造雪水庫一般服務于滑雪場）的決堤過程進行了模擬。
1. 科爾曼案例
科爾曼案例由科爾曼等人進行，是研究均質土壩由于漫壩而潰壩的實驗。他們對均質土壩的潰壩過程進行了研究和分析，最終得到了決堤口形狀和決堤口侵蝕率的數據。
工程師用二維水動力模塊與泥沙傳輸模塊耦合建立了二維水沙模型，意在重現科爾曼案例并根據實驗結果校準水沙模型參數。
在數值模型中，大壩的沙土直徑與實驗物理模型一致，為0.5 mm；初始條件設置大壩為可侵蝕，并設設置了一個初始的決口；底部設為不可侵蝕的剛性床；邊界條件設置上游水深為0.3 m，下游為自由流出；研究區域邊界處網格精度為10 cm，大壩處網格精度為2 cm，共有42200個三角形網格，如下圖所示。
圖1. 二維水沙模型中的網格和初始條件設置情況
數值模擬結果和物理實驗結果的校準與對比主要基于大壩縱向截面的形狀數據，如圖2和圖3所示。
圖2為100秒后實驗堤壩橫截面形狀變化（黑色方框線）與數值堤壩橫截面形狀變化（其余顏色的線段）的對比情況。觀察發現，數值模型中采用默認參數值得到的結果（紫線）與實驗結果（黑色方框線）偏差較大；通過修改MPM輸沙公式中α參數（校正輸沙率）和Talmon公式β參數（校正輸沙的橫向偏差效應）的值后，最終得到的數值結果（紅線）與實驗結果吻合度顯著提高。
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FLOW3D培訓教程（官方培訓教程）-水利工程篇（水利與環境）
「沖積及輸沙」「沖淤模型」
FLOW3D 可計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「取水道」「水頭損失」「壓力承受范圍」
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河流動力學涉及流量，輸沙和水路通道之間復雜的相互作用。這些相互作用的分析是許多河流管理的一個關鍵問題,這包括水路通道遷移，調寬和棲息地發展。
展開 【CAE案例】艾克（Ike）颶風對德克薩斯海岸影響的仿真模擬
圖 3 颶風期間模型內6條主干河流的流量
泥沙數據
模型采用了空間變化的粒徑分布和床層摩擦，海床由5種不同的泥沙類別組成：中等粉砂（30μm）、粗淤泥（70μm）、超細沙（125μm）、細砂（0.25mm）以及中砂（0.5mm）。此外，研究人員還設定諸如防波堤、碼頭和海堤結構，粘土含量超過40%的區域以及最大速度超過1.5m/s的區域為不可侵蝕區。
通過分布在不同點位的觀測和測量數據，研究者們分別對波浪、水位、流速等參數進行了校準。將預測的潮汐高度、海流與波浪結果與颶風艾克登陸期間成功采集的數據結果對比后，工程師們完成了對模型的驗證，如圖4和圖5所示，模型能夠很好得預測颶風帶來的影響。
圖 4 在TCOON點位的模型計算和實測結果的對比圖圖 5 在NDBC點位的模型計算和實測結果的對比圖
03 研究結論
如圖6所示的颶風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輸，而在通道以西，泥沙轉而從海岸向遠海處輸送。
圖 6 2008年9月13日07時颶風艾克登陸期間的輸沙速率
如下圖所展示的颶風期間海床泥沙的侵蝕與沉積，在颶風登陸期間，受到影響的多是東部的岸線，而西部岸線影響較小。由于颶風穿過加爾維斯頓海灣入口，在區域東面產生了陸上風，而在入口西面（圖中左側）則是近海風，這些離岸風降低了風暴潮的高度，并且抑制了加爾維斯頓以西的海浪傳播，所以對西面海床的整體影響較少。
圖 7 颶風艾克期間預測的海床底部形貌變化（紅色-泥沙沉積，藍色-泥沙侵蝕）
04 小結
本文介紹的模型旨在預測泥沙遷移路徑與大小，以及因颶風艾克導致的德克薩斯州海岸線沿線的海床變化和環境影響。
展開 MIKE 11的模型功能
主要有：
(1)水動力學模型(HD model)
(2)對流擴散及粘性輸沙模型
(3)非粘性沙傳導模型
(4)NAM降雨徑流模型(NAM model)
(5)單位線模型
(6)洪水實時預報模型(FF)
(7)地理信息系統
在本次合作項目中，主要進行NAM、HD、FF模型的應用研究。以下將對此三個模型進行主要介紹。
1.HD模型(水動力學模型)
MIKE 11 HD是用以模擬河流及河口水流的隱式有限差分模型。也適合于支流、河網及準二維的洪泛平原區水流的模型。MIKE 11 HD是一個一維一層(垂向均質)的水力學模型。其差分格式采用了六點中心隱式格式(Abbott Scheme)，其數值計算采用傳統的“追趕法”，即“雙掃”算法。該模型還可根據不同地區的水流條件調整差分計算模式，以描述超臨界水流條件及亞臨界水流。模型也可用于從陡峭的山區河流到感潮河口的各種垂向均質水流條件。此外，在進行完全水動力學模擬的同時，也可進行各種簡化的水流條件的水流模擬，如：擴散波、運動波及準穩定流的計算。目前，該系統已在世界各地各種工程研究中得以運用。
2．NAM模型
NAM是丹麥語"Nedbr-Afstrmnings-model"的縮寫，意為降雨徑流模型。該模型最初由DHI和丹麥技術大學聯合研制，后經DHI對其進行不斷完善。NAM是一個確定性概念性的集總性模型。是由一系列用簡單定量格式描述水文循環中各種陸相特征的模型上連接起來的。
模型類似于我國的“新安江模型”，將土壤含水量分成地表層(Surface Storage)、淺層(Lower Zone Storage)、地下水(ground water Storage)三個部分，分別進行連續計算，以模擬流域中各種相應的物理成分。
NAM模型的輸入為：降水、蒸發能力及溫度(僅在融雪中使用)。
展開 【CAE案例】海上風電場的三維海底地形形態變化研究
因此，本研究擬用大渦模擬LES替代RANS湍流模型，并研究其遠場模擬的性能和精度，進而證明水動力仿真軟件具有預測海上風電場樁基周圍的水流和泥沙輸移的能力。
水動力學模型
首先基于過往的實驗數據對三維水動力+ LES的模型進行了驗證。
設置50米長，4米寬的研究區域。假定床層是平的，固定深度為0.54m。直徑為0.53米的圓柱體放置在入口下游13米處。研究區域的三維網格每層的二維單元共282740個，縱向劃分20層。
網格的俯視圖
模型分別驗證了光滑床層和粗糙床層的情況。設置雷諾數為1.7×，水深入口流速 0.326 m/s。實驗表明，該模型可以較好地模擬單樁實驗的流場。
光滑床層的模擬結果與實驗結果對比
然后將該模型用于愛爾蘭東部海域利物浦灣的遠場模擬，該海域有Burbo Bank、North Hoyle和Rhyl Flats三個海上風電場，分別由25、30和25個單樁風機組成。三維網格水平劃分為323830個三角形單元，縱向劃分15個水平層。三角形單元大小從樁基附近的0.4 m到遠場邊界上的5500 m不等。
利物浦灣網格模型
泥沙輸運模型
泥沙輸移采用粒徑為0.23mm的推移質，使用梅耶爾-彼得輸移公式求解輸沙率。
03 模擬結果
基于利物浦港的Burbo Bank風電廠的模型，模擬了為期30天的大小潮流場，并結合SISYPHE模擬了風電場海底7天內的泥沙遷移情況。
BurboBank風電廠樁基的湍流模擬結果
BurboBank風電廠樁基附近泥沙在5天內的侵蝕和堆積情況，揭示了海床在5天內的形態變化
04 研究結論
使用三維水動力在實驗室尺度上模擬了一個圓柱體周圍的流動，對圓柱體繞流的測量結果與實驗數據吻合較好。
展開 生態流量是什么？如何計算？
綜上可見，生態流量是維系河湖生物多樣性健康可持續的流量，保持河道形態穩定的輸沙流量，保持河湖水質要求的污染物降解流量，維持河口咸淡平衡的流量等。
02
我國的生態流量制度
我國水利和生態環境部門出于生態流量監測考慮提出“生態流量”的概念，是指為保障河流環境生態功能，維持水資源可持續開發利用，而不至于發生生態環境惡化所必須保證下游河道的小流量。其主要作用是保證河流所需要的自凈擴散能力，不因流量及水流形態發生巨大變化，造成水體污染；維持下游河道內水生生物的生存和水生態系統的固有平衡；保證下游沿岸居民生活取水、農業生產取水等基本需求。
隨著我國生態文明建設向縱深推進，有必要構建完善“三水”統籌制度體系，補齊水生態保護制度載體的生態流量制度。《水污染防治行動計劃》（以下簡稱“水十條”）提出，要科學確定生態流量，加強江河湖庫水量調度管理，維持河湖生態用水需求，重點保障枯水期生態基流。新頒布的《長江保護法》在我國法律中首次建立生態流量保障制度，并從三個方面做出規定：（1）建立生態流量標準、提出生態流量管控指標；（2）將生態水量納入年度水量調度計劃；（3）將生態用水調度納入工程日常運行調度規程。
03
常用的生態流量計算方法
迄今為止國際上有200多種生態流量計算方法，概括起來主要有4類：水文學法、水力學法、生境模擬法以及整體分析法。常用的生態流量計算方法見表1。目前這些方法仍在世界各地使用，我國引進了這些計算方法并在諸多生態流量相關的導則與指南中引用，如水資源保護規劃編制規程（SL 613—2013）、河湖生態保護與修復規劃導則（SL 709—2015）等均有相關內容，這些方法在實踐中應根據當地實際情況和需求有所選擇地進行使用。
展開 【環境仿真專題第一講】使用TELEMAC-MASCARET研究海上風電場的三維海底地形形態變化
因此，本研究擬用大渦模擬(LES)替代RANS湍流模型，并研究其遠場模擬的性能和精度，進而證明TELEMAC-MASCARET具有預測海上風電場樁基周圍的水流和泥沙輸移的能力。
水動力學模型
首先基于過往的實驗數據對TELEMAC3D +LES的模型進行了驗證。
設置50米長，4米寬的研究區域。假定床層是平的，固定深度為0.54 m。直徑為0.53米的圓柱體放置在入口下游13米處。研究區域的三維網格每層的二維單元共282740個，縱向劃分20層。
網格的俯視圖
模型分別驗證了光滑床層和粗糙床層的情況。設置雷諾數為1.7×105，水深入口流速 0.326 m/s。實驗表明，該模型可以較好地模擬單樁實驗的流場。
光滑床層的模擬結果與實驗結果對比
然后將該模型用于愛爾蘭東部海域利物浦灣的遠場模擬，該海域有Burbo Bank、North Hoyle和Rhyl Flats三個海上風電場，分別由25、30和25個單樁風機組成。三維網格水平劃分為323830個三角形單元，縱向劃分15個水平層。三角形單元大小從樁基附近的0.4 m到遠場邊界上的5500 m不等。
利物浦灣網格模型
泥沙輸運模型
泥沙輸移采用粒徑為0.23mm的推移質，使用梅耶爾-彼得輸移公式求解輸沙率。
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