01 研究背景

地中海附近河流沿岸区域是气候灾害的多发地带。尽管在一年中的大部分时间，河道内水位低，流量小。但当短暂强劲的暴雨到来时，流量会急剧增加，这些“暴洪”带来的强烈洪水波会引起相当大的推移质输移。此外，河流输沙量对河流形态也有显著影响，这些河道形态变化可能会引发洪水，扰乱水利设施的稳定运行。

02 案例展示

CEFREM的工程师使用二维水动力耦合GAIA模块，搭建了Têt河（法国狮湾南部）下游12.5 km长河段的水动力-泥沙沉积模型，对最近发生的三次洪水事件中河床的推移质输沙量以及河道形态变化进行了仿真模拟。

03 模型搭建

模型主要研究流入狮子湾西南部的Têt河，自Perpignan起到距入海口500 m处，研究河段总长为12.5 km。网格总共有71733个三角形单元，网格的最大尺寸为100 m，河道内网格加密至10 m。

图1：Têt河下游研究河段网格

CEFREM的工程师使用特征法来设置速度对流项，采用共轭梯度法求解，并进行对角预处理，从而保证数值稳定性。粘滞度和水的密度保持默认（10-6 m2.s-1, 1000 kg.m-3），计算时间步长设置为2 s。模型的上游Perpignan和Basse处施加流量边界条件，下游边界为河口实测的水位过程，该模型的模拟过程中还综合考虑了降雨与蒸发的影响。

上游入流边界处施加恒定的沉积物流量（1.5x10-6kg.s-1），下游出口处设置为沉积物的自由开放边界。为了评估两类非粘性沉积物（D50为200 μm和500 μm）的泥沙输移，对不同的推移质公式（Meyer-Peter和Müller, Van Rijn公式）和全沙公式（Engelund-Hansen，经cholet-cunge修正的Engelund-Hansen公式）进行了测试。CEFREM的工程师将床层结构竖直离散为两层: 0.15 m厚的活动沉积层和2m厚的可蚀层。

根据上述搭建的模型，CEFREM的工程师对三场最近发生的洪水事件进行了仿真模拟计算。三场洪水事件的主要特征如下表所示：

表1 ：研究洪水的洪水特征

04 模型验证

首先利用二维水动力模型进行了计算，确定了洪水过程中水力参数的变化。工程师将洪水1和洪水2期间，在Bompas和Villelongue-la-Salanque的实测水位和ADCP测量记录的流速与仿真计算的水位与流速结果进行对比，验证河道中的Manning系数，校准了水动力学模型。

在形态动力学方面，由于缺乏控制数据，模型的校准和验证主要是对输沙规律、河床结构和泥沙分布（泥沙比率和D50）的敏感性分析。为了对模型进行校正，每次计算均输出推移质输沙量，并与相关文献中估算的年输沙总量进行了比较。

05 结果与讨论

A, 水动力模型

经过检验，CEFREM的工程师发现，搭建好的水动力模型对河道Manning系数的敏感性弱。综合考虑后，将Manning系数设置为0.04 s.m-1/3。

图2为洪水3期间，仿真计算结果与实测数据的对比。在Aquapro的实测速度与仿真计算结果对比（图2-c）显示：均方根误差RMSE为0.19m/s，NSE为0.57，相关性系数为0.96。从图2-a, 2-b可以看出，仿真计算水位与在Bompas和Villelongue-la-Salanque两个实测站的实测获得的水位比较一致，相关性系数均在0.92以上。但在第二个位置，计算与实测结果的均方根误差更大，纳什效率系数NSE更低，且从整体上看，实测水位与计算结果之间存在连续约0.5 m的偏移，这也许是因为该处的测量仪表受到了山洪暴发引起的滑坡影响，参考标准发生了偏移。

图2 洪水3发生期间3个测点位置的水位/流速实测数据与仿真计算结果对比 （黑色：实测数据，红色：计算结果）

B．泥沙输运

CEFREM的工程师对不同的输沙公式进行了测试，以评估它们对推移质输送的影响。图3展示了在洪水1发生期间，使用不同输沙公式时，河道下游推移质输沙量的仿真计算结果。对应得，表2给出了根据不同输沙公式模拟计算得到的河床输沙量概况。从结果上可以看见，使用不同输沙公式，沉积物的数量变化很大。原始的和改进的Engelund-Hansen公式似乎都低估了推移质输沙量，而Van Rijn公式可能高估了推移质输沙量。与相关文献中的河道年泥沙量输送量（表3）相比，Meyer-Peter Müller公式的精度最高。因此，接下来所有的结果都是用这个公式得到的。

图3 洪水1期间，采用不同的输沙公式河道下游边界处的推移质输沙量表2 洪水期间，使用不同输沙公式Têt河的推移质输沙量仿真计算结果表3 Têt河悬移质与推移质年输沙量资料

C．河床演变

图4展示了洪水1发生期间河床底部高程的演变过程。分析表明，侵蚀和沉积过程之间存在时空交替。洪峰到达时与洪水结束后（图4b-c），侵蚀/沉积的幅度和区域有显著差异。在洪水退去后（图4c），河床侵蚀主要发生在河道上游，而沉积主要发生在河道下游。

图4 河床底部高程演化（图a：洪水到达前，图b：洪水锋现时，图c：洪水结束后）

为了进一步分析河床形态演变，对洪水前、洪峰后一天和洪水结束时的几个断面(Bompas、villeltongue -dela- salanque和下游河口处)的形态进行了比较分析。从图5观察到横截面的变化在空间和时间上并不一致：上游断面受到侵蚀和沉积现象更加显著，沉积和侵蚀分别可以达到2.0 m和1.1 m（图5a）；而在下游位置侵蚀为零，平均沉积量小（<0.5 m)）（图5c）。此外，从图中还可以观察到河床从峰现时到洪水退去之间发生了明显的演化。

图5 洪水1发生期间，3个河道垂直截面的模拟形态演变

（a：Bompas，b：Villelongue-de-la-Sal., c：下游河口边界）

红线：洪水到来前，蓝线：洪峰达到1天后，橙线：洪水消退后

06 结论

CEFREM的工程师利用水动力通用仿真软件搭建水动力-泥沙沉积模型，分析了法国狮湾Têt河在三次山洪暴发期间河床推移质输沙量及其对河流形态变化的影响。针对两次洪水成功校准了流体动力学模型，并对第三次洪水进行了验证（NSE为0.66）。形态动力学模型经过对输沙公式的敏感性分析，选择了Meyer-Peter and Müller公式，对河床推移质的输沙量进行了合理的评估。并在这个基础上，研究了山洪对河道河床形态的影响。

07 小结

大多数泥沙通常是在山洪暴发期间从小河流流入大海的。据估计，小河流占地中海每年悬浮泥沙负荷的一半以上。因此，研究由于陡峭地形而引起的海洋高输沙量的山洪事件对于全球输沙通量研究具有重要意义。二维水动力可以很好地研究暴洪期间泥沙动力学与河流形态之间的联系，从而对流入海洋的沉积物的运输与堆积进行可靠有效的评估。

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