【环境仿真专题第二讲】使用TELEMAC-MASCARET研究英国诺福克和林肯郡海岸的疏浚对泥沙沉积和扩散路径的影响

上周分享了环境仿真专题的第一个案例

这周第二个案例如期而至

图文详解 仿真思路更清晰

一起来学习吧

疏浚工程对人类社会经济发展、环境改善的作用非常大，被广泛应用于开港建池、港池清淤、维护航道水深、填海造陆、岸滩养护等水环境改善和生态恢复相关方面。

• 《环境仿真专题》第二讲
  

• 使用TELEMAC-MASCARET研究英国诺福克和林肯郡海岸的疏浚对泥沙沉积和扩散路径的影响

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研究背景

在疏浚工程进行中时，泥沙的扩散和沉降会受到波浪、潮汐、海流等的影响，造成施工水域的泥沙浓度增高，悬浮的泥沙会随水流进一步扩散，影响到水体中水生动植物的正常生长。

研究疏浚工程对水体的主要影响，一般通过实地观测、物理模型和数值模拟三个方法。 随着泥沙输运理论的完善和各种相关数值软件的稳定发展，使用数值模拟方法研究疏浚工程的影响逐渐成为一种非常重要的手段。

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软件介绍

TELEMAC-MASCARET是法国电力集团（EDF）的法国国立水利与环境实验室开发的一款研究水动力学和水文学领域的高性能数值仿真开源软件基于有限元法，使用不规则三角网格，让复杂的海岸线和河口的描绘更为精确。该软件可以构建1D，2D和3D水动力学模型以解决波浪传播、波浪振动特性、水质污染、泥沙输运和海床形态变化等问题，拥有丰富的用户技术支持和广泛的工业应用及验证。

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案例展示

在英国诺福克和林肯郡海岸线外有一处区域开展了疏浚工程，本项研究的主要目的是使用TELEMAC-MASCARET软件来评估疏浚工程对该区域泥沙沉降的影响，以及预测在潮汐、波浪和浪涌的作用下泥沙的扩散路径。

案例基于两个假设：

• 海床固定不动，不可侵蚀

• 整个动力地貌系统处于稳态

仿真过程中建立了三个模型，涉及了 TELEMAC-MASCARET 软件中的三个模块，分别为水动力模型 ( Telemac-2D 模块 ) ，波浪模型 (Tomawac 模块 ) 和泥沙输运模型 (Sisyphe 模块 ) 。

• 使用Telemac-2D模块建立二维水动力模型

计算区域除了疏浚区域外还包含了其附近的一片海域，海岸线处假设有最低的天文潮汐。 计算区域的水 深地形图及疏浚区域位置如图1所示：

  水深地形图

（黑色方框处为疏浚区域）

  网格的精度范围为250m到4000m，岸线和沙滩处的网格加密程度为最高。 网格由29762个节点和58689个三角形组成。 正压潮汐和涌浪由水动力模型进行模拟，时间步长设置为90s。

•  使用Tomawac模块建立波浪模型

设置当波浪进入研究区域时，海域开放边界处施加一个JONSWAP波谱，波谱设置了22个频率（从0.05HZ到0.37HZ）和24个波浪进入流场的方向。当波浪要离开研究区域时，边界条件设置为自由边界，时间步长为6min。

•  使用Sisyphe模块建立泥沙输运和海床演变模型

采用有限体积法求解泥沙质量守恒方程。在海岸线边界，输沙通量设置为0，外海边界条件的设置取决于水流条件。输沙公式的选择与泥沙粒径有关，在此模型中，主要选择了两个公式即Bijker公式和Sousby-van Rijn公式进行测试。

  在只有潮汐的情况下，Telemac-2D模块和Sisyphe模块在仿真过 程中会进行内部耦合来模拟输沙和海床演变过程。

在有波浪和潮汐的情况下， Tomawac 基于 Telemac-2D 在仅潮汐情况下计算的水位变化结果，来计算波浪相关的参数以及波浪辐射应力，然后该结果会传输到内部耦合了的 Telemac-2D 和 Sisyphe 模块中，达到根据潮流和波浪的数据计算泥沙输运过程的目的。

模型建立好后，分别对模型进行验证，证明模型模拟结果可靠。

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模拟结果

首先研究泥沙粒径大小和所选择的输沙公式对运行结果的影响。 测试发现泥沙粒径越小，输沙率越高； Sousby-van Rijn公式算出的输沙率是Bijker公式算出结果的10倍。 于是，在接下来的模拟中，泥沙粒径采取较大值400微米，而输沙公式采用Sousby-van Rijn公式。

其次是 模拟波浪对输沙过程的影响，如图2所示：

2-a表明波浪在浅水区对输沙的影响较为明显，如沙滩和岸线附近； 红色区域表明与潮汐相比，波浪引起的输沙通量更大，换句话说，在北部区域，输沙通量主要由波浪主导，在东南部区域，潮汐对输沙通量的影响更大。

2-b表明在 Great Yarmouth附近的沙滩波浪对输沙方向影响较大。

波浪对年输沙量的影响

（a）相对通量差，（b）方向差度

细线分别代表10m、20m和30m等深线

图3对比了疏浚工程前后的影响。 在疏浚工程地点设置了一个1m的沙坑，模拟一年里的变化，发现疏浚前后海床演变最大的差异为海岸线附近，沙滩附近和南部区域受到的影响也较明显。

由于1米深的沙坑导致的海床演变差异

现在假设疏浚工程后，整个区域都均匀沉降了一层沉积物，研究沉积物在一年后的分布状况。 图4展示了在无波浪情况下，疏浚工程后一年里泥沙的空间分布，采用海床高程等值线表示， 两条等高线分别表示初始沉积层的0.01%和1%。

结果表明，在排除海浪的情况下，一年后林肯郡海岸有更多的泥沙残留。 该区沉积物主要分布在从北部到南部的海岸线上， 大量泥沙最初沉积在位于Skegness和Hunstanton之间的冲刷区的深槽中。

 

疏浚区域一年后释放的泥沙的空间分布（无波浪）

图5中沿开放海域边界的曲线显示了一年内离开该区域的泥沙体积的空间分布情况。 沉积物主要通过北部边界的西部和南部边界离开该研究区域。

一年后离开区域的泥沙量的空间分布

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研究结论

在此案例中一共运用了TELEMAC-MASCARET软件中的三个模块，即Telemac-2D、Tomawac和Sisysphe，研究了疏浚工程对周边海域和岸滩的影响。 对于英国这样海岸线较多，需要经常进行岸滩养护的国家而言，比较期望疏浚后涌出的泥沙能够达到近岸地带，进行一个天然的岸滩养护。 然而结果表明，对于该疏浚区域约15%的泥沙开采量未到达近岸地带，因此减少了海滩体积， 未达到海岸保护的目的。

小结

本案例是将环境仿真技术应用于 评估疏浚工程对施工区域及周边地区 的影响，模拟结果表证明TELEMAC-MASCARET有能力预测泥沙沉积和扩散路径的范围。 除了研究疏浚 工程的影响外，使用TELEMAC-MASCARET还可以建立类似的模型研究航道疏浚和港池维护导致的泥沙扩散和沉积现象、防波堤布局对输沙的影响以及岸线演变等等情景。

END

今天的案例分享就到这里啦

下周继续新专栏的分享

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