01 研究背景

由于地處狹窄海灘地貌，英國普爾灣和基督城灣（圖 1）吸引了絡(luò)繹不絕的游客前來觀光，而這也對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟起到了至關(guān)重要的作用。然而，常年累月地受到潮汐和波浪的侵蝕作用，海灘地貌遭到了破壞：僅在2013至2014年的冬季期間，伯恩茅斯的海灘就流失了144,000 m3的沙子，普爾港前的Sandbank半島也流失了30,000 m3的沙子。目前人們通過定期養(yǎng)護海灘的方式維持著這一自然景觀。此外，海平面的上升也可能加劇海灘受到的侵蝕，增加海灘養(yǎng)護的頻率。

但是，如果可以提前預(yù)知泥沙沉積的具體位置，就可以通過在泥沙沉積區(qū)域疏浚作業(yè)，實現(xiàn)侵蝕地帶的泥沙回收。因此，有必要針對這一需求，開發(fā)一個用于計算英吉利海峽泥沙遷移路徑的數(shù)值模型，并且把研究區(qū)域重點放在斯沃尼奇和懷特島之間。

02 案例展示

網(wǎng)格

使用二維水動力模塊對英吉利海峽和南部北海區(qū)域建模。由于在海岸附近的泥沙輸運主要由波浪驅(qū)動的洋流控制，為了正確地模擬這些過程，需要準(zhǔn)確地表示波浪破碎現(xiàn)象發(fā)生的位置。最終使用的小尺度細網(wǎng)格的整體精度為25m，局部尺度加密網(wǎng)格至5m，而在坡度較緩的彎曲海灘將網(wǎng)格精度調(diào)整為10m，遠岸（海豚沙附近）精度拉長至50m。

地形

通過從英國水文局（UKHO）和海峽海岸觀測站（CCO）收集得到測量水深數(shù)據(jù)，整合并形成海洋大尺度地形數(shù)據(jù)集如圖 2所示。其中索倫特灣、普爾灣以及基督城灣的CCO數(shù)據(jù)為2006年至今的一系列測量數(shù)據(jù)，UKHO數(shù)據(jù)則是從2004年至今的調(diào)查數(shù)據(jù)。

潮汐邊界

通過海洋邊界處的水位變化，讓水動力條件由潮汐和洋流控制，并將其包括在數(shù)值模型中。該模型具有東西兩個開放的、用于施加水力條件的邊界。通過從TPXO衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)集提取的潮位作為驅(qū)動水動力模型的邊界條件，研究者們向研究區(qū)域施加了時空變化的潮汐波動，從而模擬出大海的潮汐變化。其中，歐洲大陸架的TPXO全球海洋潮汐模型分辨率為1/30度（約3.7公里），由八個不同的潮汐分潮，和三個非線性分潮（M4、MS4和MN4）組成。

波浪條件

波浪條件由ERA5（ECMWF再分析數(shù)據(jù)）產(chǎn)生，通過估計歷史大氣活動信息，綜合數(shù)值模型和觀測數(shù)據(jù)得到。ERA5提供了高質(zhì)量的中高分辨率大氣和海面水波參數(shù)估計，其水平分辨率為31km，每小時記錄有137個垂直標(biāo)高的數(shù)據(jù)。

大氣條件

仿真模型的大氣壓力、風(fēng)速及其方向也取自ERA5再分析數(shù)據(jù)集。研究人員通過獲取到的ERA5的校正后風(fēng)速，按照其空間和時間分布插值到模型的網(wǎng)格節(jié)點處，可實現(xiàn)估算風(fēng)所造成的應(yīng)力變化和波浪的生成。

海床構(gòu)成

在該研究模型中，研究人員按照泥沙粒徑定義了6種泥沙類別，分別為（從淤泥到粗礫石）：40μm（淤泥）、94μm（極細砂）、188μm（細砂）、375μm（中砂）、1.0mm（粗礫）和20mm（礫石）。根據(jù)此前的其他研究信息，針對部分已知的異常點位和信息修改了這些地質(zhì)成分構(gòu)成。最終形成的平均粒徑模型如圖 3所示

最終，根據(jù)以上條件形成了研究所用的大尺度海域模型，通過耦合TOMAWAC以及GAIA模塊，計算推演該尺度下大范圍的海床泥沙遷移現(xiàn)象。

03 研究結(jié)論

通過水動力仿真模塊耦合計算結(jié)果，該模型能良好地再現(xiàn)大多數(shù)位置處的觀測流量、波浪條件和泥沙遷移與輸送現(xiàn)象。圖 4展示了模型計算得到的泥沙遷移方向以及殘余泥沙遷移量。由于缺乏最新的精確的卵石灘水深測量數(shù)據(jù)，在S4（卵石灘）和S3（赫斯特海岬）計算的流量和水位受到影響，導(dǎo)致無法正確表征該地區(qū)的泥沙遷移模型。在S6處（基督城灣東南方向），模型很好地再現(xiàn)了波流條件，然而其預(yù)測的泥沙輸送量仍有點偏高，與實際情況不符合。由于模型中海床的成分組成允許在基督城邊緣侵蝕掉更多的泥沙，導(dǎo)致S6乃至S7處泥沙遷移量相對較多。

在研究者們的實測數(shù)據(jù)中，泥沙的輸送量是基于高于海床面0.5m以上的水體中的流速和泥沙濃度確定的剖面近似值。由于絕大多數(shù)泥沙遷移發(fā)生在更靠近海床的位置，測量得到的泥沙遷移速率具有較大的不確定性。盡管如此，測量值和模型計算值之間依舊存在著相對良好的近似度，說明該水動力仿真軟件在此類大尺度海域仿真領(lǐng)域中具備相當(dāng)?shù)膶嵱媚芰Α?/p>

圖 5展示了模型計算區(qū)域的海床侵蝕和沉積現(xiàn)象。然而由于巖石和堅硬粘土等不可侵蝕層在模型中被表示為在高能量條件下會受到侵蝕的礫石層，該模型在海床的長期侵蝕和沉積分析方面依舊有所不足。

04 小結(jié)

為分析研究普爾灣和基督城灣的泥沙沉積路徑，針對性地用水動力仿真軟件開發(fā)了用于模擬英吉利海峽的波浪、洋流和泥沙遷移的水動力數(shù)值模型。通過在不同地點獲取實測數(shù)據(jù)，并與仿真結(jié)果相驗證，研究者們發(fā)現(xiàn)模型的波浪和海流結(jié)果與觀測值高度吻合，并且絕大部分的觀測到的泥沙遷移現(xiàn)象也被模型再現(xiàn)。

雖然該模型尚未被開發(fā)用于預(yù)測未來的海床床位變化，但計算結(jié)果中的海床變遷與歷史變化大體一致。總體來說，在高精度的水深測量和海床成分數(shù)據(jù)的支持下，使用多物理場耦合的泥沙輸運建模與計算是準(zhǔn)確的。

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