01 研究背景

强寒潮风暴潮等极端天气会造成港口与外航道泥沙淤积严重，导致船只不能正常通航。有研究表明：在小风天气下观测时，海域含沙量较小，而在特殊天气条件(如台风、地震引起的大风天)持续作用时，海域的含沙量会持续增大，相对小风天气，增幅达到3~6倍左右，2003年10月黄骅港海区的一次强寒潮就造成了航道泥沙严重淤积。

含沙量除受波高、流速的影响外，很大程度上还受流向与波浪传播方向的夹角，以及床面泥沙特性等等的影响。今天将由此切入讲解采用二维水动力模块、波浪模块TOMAWAC和泥沙输运模块SISYPHE耦合预测风暴等极端天气下海床的演变情况。

02 案例展示

澳大利亚东南方的莱克斯恩特伦斯(图1)是澳大利亚最大的渔港，位于连接吉普斯兰湖和巴斯海峡的人造海峡的入口处。海峡于1889年首次开放，历年来都需要不断疏浚来维持渔船通行。有不少研究记录了澳大利亚东南部的极端天气，并表明在大气的影响下南部的波浪高度不断增加，这种趋势将在未来不断持续下去。

对此，当地政府十分关心风暴气候导致的波候变化对海峡泥沙输运影响。本文将介绍极端天气情况下海峡近岸泥沙输运的仿真案例，从而了解大气驱动因素和远处产生的涌浪如何影响该区域的泥沙输送。

图1 吉普斯兰地区的位置和网格化的全球后报点

首先，使用TOMAWAC二维谱波模型来计算得到波浪高度Hs、波浪峰值周期Tp、波浪方向Dp等数据，并且与全球风象后报CFSR、波浪后报NWW3值以及测量值进行对比，最后作为海床演变计算的输入文件。如图2所示，TOMAWAC二维谱波模型计算得到的值（蓝线）与全球波浪后报NWW3（红线）与测量值（绿线）对比，验证了TOMAWAC的计算值与测量值相符。

图2 TOMAWAC得到的Hs、Dp 、Tp模拟值与CFSR、NWW3测量值的对比

图3展示了二维水动力模型的水位和流量验证结果。图中模拟值（蓝线）与测量值（红线）对比，发现模拟得到的水位值是测量值的3/4，但经过调低1/3后二者能很好的吻合，原因可能是水深的地形文件不准确。因此需要获取更多关于湖区水深测量的信息，以改进水动力模拟。总体来说，此次验证证明了二维水动力模块的仿真能力。

图3 二维水动力水位值（调低1/3）与测量值比较

验证模型之后，本案例建立了三种泥沙输运模型来进行模拟仿真，研究在风暴条件下模型的不同设置对泥沙输运的影响。以下三幅图展示了9月10日 UTC 00:00的海床演变模拟结果：

• 图4是有推移质，但无波浪和悬移质输运模型的模拟结果；在没有波浪和悬移质输运的情况下，海床演变的迹象很小。

• 图5是有推移质和波浪，但无悬移质输运模型的模拟结果；当同时考虑到推移质输运和波浪时，9月8日发生的风暴导致泥沙相对均匀地以沙坝的形式向外海移动。

• 图6是同时考虑推移质、波浪、悬移质输运模型的模拟结果。当同时考虑到推移质、悬移质输运和波浪时，整个海床的演化是守恒的，较少的泥沙会被冲进外海中。

图4 有推移质无波浪且悬移质输运模型的海床演变

图5有推移质和波浪无悬移质输运模型的海床演变

图6 同时有推移质、波浪、悬移质输运模型的海床演变

03 研究结论

本文首先使用二维水动力模块与TOMAWAC模块计算风暴气候下海浪的相关参数并与测量值对比，验证模型的仿真能力。TOMWAC模块得到的海浪数据作为泥沙输运模块SISYPHE的输入文件。然后使用三个模块耦合建立三种不同的泥沙输运模型仿真模拟极端气候条件下的海床泥沙输运情况，证明了极端天气对泥沙输运的影响。

04 小结

今天主要讲述了使用二维水动力模块、波浪模块TOMAWAC和泥沙输运模块SISYPHE耦合建立的二维泥沙输运模型仿真模拟极端气候条件下海床泥沙输运情况。极端天气会造成港口与外航道泥沙淤积严重，导致船只不能正常通航，使用水动力仿真软件建立模型研究海床的泥沙运输，有助于提出由于极端天气引起的泥沙淤积的解决方案。该模型也可以复用到其他类似的场景中。

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