【CAE案例】复杂入海口水动力仿真
01 研究背景
入海口周边通常有大量人类进行休闲和旅游活动，且入海口本身就是需要保护的生态系统。因此气候变化引起海平面上升对入海口的影响，以及未来入海口的管理是一个备受关注的议题。
构建仿真可帮助评估极端天气下的城镇淹没风险、泥沙输运带来的入海口形态变化和不同海岸线管理措施带来的影响，对入海口的管理具有重要意义。
在英国威尔士海岸线上，有数个入海口迫切需要采取措施来降低淹没风险。由于海平面的上升以及频繁的风暴潮，洪水经常越过海岸防线，对一些重要的生态系统和基础设施造成负面影响。
为了研究气候变化将如何改变沿海洪灾情势，以及比较不同管理措施的效果，研究人员选择了三个典型的入海口（如图1所示，依次为1- Burry湾、2- Dyfi入海口和3-Mawddach入海口），然后建立了精细的二维模型，用二维水动力通用仿真软件进行了仿真计算。
模型考虑了如沿海防波堤、铁路堤坝和导流堤等人工设施。网格密度的设置因地制宜，目的是体现近岸区的小尺度海床特征。为了模拟潮汐的传播过程，计算域扩展到了近海区域。每个入海口都研究了寻常和极端情况下的淹没和泥沙输运情况。
图 1 研究的三个典型入海口位置， 1- Burry湾、2- Dyfi入海口和3-Mawddach入海口
02 研究案例情况
上文所述的三个入海口都属于浅水区，有一个狭长的退水通道，两侧是广阔的潮滩和盐沼（洪水泛滥区），河沙主要为中砂。三个入海口的出口处都存在海岬，因此出口宽度较小，潮水最为汹涌。
在过去一个世纪里，这里的农业用地因为战争的原因而变得很紧张，用于抵御极端高水位的堤坝和海岸防线逐渐被农业用地取代，洪水事件开始变得频繁起来。
威尔士南部的Burry湾是三个入海口中最大的一个（长度为16公里，潮水量1*1012m3），其北岸有相当多的人口面临洪水风险。南岸的盐沼地也面临潮汐淹没和沉积物侵蚀的风险。
由于铁路堤坝和导流堤的限制，威尔士中部的Dyfi入海口的自然潮汐水量受到极大的限制。
在河水流量大的时候，Machynlleth镇可能出现严重的洪灾。这里的海岸管理现在面临的问题是加固堤坝，还是调整堤坝的部分段以减少洪水风险。后者要以土地的耗损作为代价，而其中一些土地是受保护的沼泽生态系统。
此外，位于威尔士中部的Mawddach入海口面临的管理问题与临近的Dyfi入海口类似。此外，因为它是一个潮间带环境，所以也受海岸线变化的影响。图2显示了Mawddach入海口模型的部分地形和网格。绿网格是主要的退潮通道，红网格是堤坝或防洪设施。
所有案例使用的地形数据来自高精度的LIDAR入海口数据，海图数据或船测数据，然而仍缺少河道地形数据，因此河道地形是用均匀向下降低2m后的LIDAR测量河高。
图2 Mawddach入海口的局部地形（上图）和网格（下图）
03 模型设置
模型求解的方程是圣维南浅水方程，其中包含动量和连续性方程。在本次研究中，因为地形的坡度比较小，由压力带来的垂向加速度将被重力的影响抵消，所以静水假设成立。
摩擦的计算使用Nikuradse定律，系数为3*10-2m，粘度系数等于10-2m2/s。科氏力的影响也在模型的考虑范畴内。近海边界的潮汐高程和速度由一个外部模型计算得到，陆地河流边界采用流量边界。模型不涉及大气带来的影响，如风生波。盐度以示踪物的形式引入到模型。
在该研究中，在该研究中，将使用二维水动力模型与泥沙输运模块进行耦合计算，模拟河床的演变。
04 模型验证
使用Dyfi入海口在2007年7月9号到21号采集的数据，完成模型的率定工作。潮位高程的实测数据来自Aberdyfi、Dyfi河岔和Pennal河曲三个位置。该研究使用二维水动力仿真模拟了这段时间三个位置的水位变化。结果如图3所示。
模型在Aberdyfi的比对结果如图3a)，计算结果与实测数据较符合；在Dyfi河岔以及Pennal河曲的比对结果如图3b)和3c)，在100h后的一段时间里符合较差，这段时间内因为有降雨事件，所以水位下降得比预期要慢。
图3 a) Aberdyfi，b) Dyfi河岔和c) Pennal河曲三个位置的实测水位和计算水位对比
05 工况计算与分析
本研究设计了6种工况，覆盖日常天气条件和极端天气条件等多种不同情况。具体的工况描述如表格1所示。所有案例的仿真时长为8天，以完全包含潮水的涨退过程。
在三个入海口的案例研究中，1米及1米以上的海平面上升造成的洪水影响比“河流径流极大”工况更严重。
造成如此程度海平面上升的原因有极端风暴潮和未来极端条件（预测100年后的海平面上升高度有1m）。按目前的海平面高度，大多数堤坝和海岸防线在涨潮时不会被淹没，但随着海平面上升到1米或更高 ，沼泽保护区和城市地带都会被淹没。
图4展示了没有和有2m风暴潮两种条件下，Mawddach入海口的受淹情况。在前一种条件下，堤坝可以保护阿索格沼地和费尔伯恩村不受淹没，但在极端风暴潮条件下却不能。
图 4 没有（上图）和有（下图）2米风暴潮的情况下，Mawddach入海口的涨潮淹没范围（浅蓝色）和速度矢量结果
Dyfi入海口的模拟结果显示，如果未来不采取任何海岸管理措施，盐沼地区将因海岸的挤压而减少。伯斯沼泽的稀缺生态系统将因洪水的增加而改变，附近的村庄也将面临洪水的威胁。
模型预测，海岸调整可以保护伯斯沼泽和村落。图5显示了Dyfi入海口在不同管理方案下的洪水淹没情况。
在方案1中，堤坝作为防洪设施被加固，提高了2m的高度。入海口形状没有发生变化，但海平面上升将导致盐沼地面积的减少。
在方案2中，有一段铁路线被调整到更南的位置。这使得北部的沼泽被淹没（由于大部分是农业用地，所以不太重要），但也保护了南部的大部分泥炭沼泽和住宅。
方案3显示，如果拆除这段堤坝，在极端条件（工况5）下整个伯斯沼泽都会被淹没。
方案1：蓝色区域为现有铁路堤坝（黑色实线）被提高2m后的受淹范围；
方案2：绿色区域为铁路堤坝向南调整后（黑色虚线）的受淹范围；
方案3：橙色区域为铁路堤坝被全部移除后的受淹范围。
Burry湾的模拟显示，在城市化的北海岸，洪水的风险越来越大，这可能会影响到Llanelli和Burry港口，并殃及南部河口具有极大环境价值的盐湿地。极端的潮水和河流情况（工况5）会使潮头高度提高一倍（相比于工况1），并使潮流往上游深入3km，整个入海口的流速变成原来的1.5倍。因此，Whiteford海岬会被严重侵蚀，脱落的泥沙将向北输送，然后沉积在三角洲的岸边。
图6展示了两种管理措施对泥沙输运的影响。这两种管理分别是拆除和恢复一个已经破损的导流堤。如果移除导流堤，那么流速和泥沙输运速率在堤坝被拆除的地方有所降低，但在入海口上游则有所上升。恢复导流堤将使水流收缩，增加了墙两侧的侵蚀，但减少了入海口上游的沉积物。
此外，研究也发现，在三个案例中，如果移除部分或全部堤坝，洪水会进一步在洪泛区扩散，但河道上游的水位将降低，从而减少入海口上游低洼地区的洪水风险。
06 小结
入海口区域一直是人口聚集区。最初是由于贸易和工业，但今天则更多的是因为人们被其优美的自然环境所吸引。为了应对未来气候变化挑战，沿海管理是必不可少的。通过这项研究和其他建模项目，威尔士的有关当局现在已意识到仿真在帮助海岸管理方面的潜力。
07 总结
入海口的仿真具有重要意义，入海口周边通常是一些需要保护的生态系统，或有大量的人类在该地区进行休闲和旅游活动。这项研究表明，二维水动力仿真是一个适合入海口研究的水动力仿真模块，其具备良好的处理浅水问题和漫滩的能力。
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