近海岸冲流、泥沙运动与滩面变形的耦合数值模拟研究

The narrow swash zone is characterized by complex hydrodynamics and active sediment transport, and thus strong interactions among the swash, sediment transport and beach deformation. However, previous theoretical and numerical investigations on the swash zone ignore these interactions to different extents (e.g., ignorance of the feedback impacts of beach deformation, assume instant adaptation of bed load to transport capacity, uniform sediment transport etc), which greatly confines our understanding to swash hydro-morphodynamics, and thus contributes to uncertainty for engineering application. In this project, a depth-averaged fully coupled modelling framework, which is based on the basic laws of fluid mechanics and a high-resolution numerical scheme, will be established for swash zone. Classical swash events will be numerically reproduced, so that the interactions among the swash, sediment transport and beach deformation can be systematically investigated. Specifically, the adaptation features of sediment, the applicability of the concept of sediment transport capacity, the feedback impacts of beach morphological change, and the beach evolution in response to uniform or nonuniform sediment transport will be clarified. Finally, the derived understanding on these aspects will help us to delimit the validity of existing numerical modelling techniques of the swash zone.

近海岸冲流带在垂直海岸方向较窄、但水动力特性复杂、泥沙含量高，是海岸环境重要的水沙运动区域。然而，以往理论与数值研究不同程度上忽略了水、沙和滩面之间的相互作用（如忽略滩面变形对冲流的反作用、假定推移质向饱和状态的瞬间调整、仅考虑均匀泥沙输移等）。这严重制约着对冲流带水沙运动特性和规律的认识，影响工程效应。本项目基于流体力学水沙两相基本的质量和动量守恒律、应用高性能激波捕捉数值格式，建立冲流带深度积分水沙耦合数值模式和多重时间尺度理论，揭示冲流带冲流、非均匀泥沙运动和海岸滩面变形之间的相互作用机制，阐明冲流带推移质水流挟沙力概念适应性、滩面变形对波浪水流反作用机制、以及滩面地形对均匀与非均匀泥沙输移的响应规律，界定现有冲流带数值模型的适应性及适应条件；为海岸防护、海岸线整治规划和合理开发提供理论基础和科学预测。

地形冲淤对强冲积水流过程演化反作用的重要性得到了广泛承认，考虑该反作用的水沙与河床耦合数值模型得以建立，并开始被用于长江航道水沙运动规律和滩槽演变机理的数值研究。近海岸冲流带的海滩冲淤幅度非常之大，属于强冲积过程，但地形冲淤的反作用尚未在冲流水沙数学模型中得到考虑。主流近海岸软件（如Xbeach）对推移质泥沙的模拟依然采用饱和输沙假定（即饱和输沙模型）：直接采用经验公式估算推移质输沙率，忽略了推移质向饱和状态调整需要的时空尺度。采用充分考虑水流-泥沙-海滩之间相互作用（即考虑地形冲淤反作用，也考虑推移质向饱和状态调整所需时空尺度）的深度积分RANS方程，用非结构三角形网格离散计算区域，用有限体积法求解控制方程，用可以自动捕捉激波/间断的HLLC近似黎曼算子求解相邻三角形单元之间的数值通量，用Slope Flux Method离散底坡，建立了近海岸冲流-泥沙-海滩耦合动力学数值模型。应用该数值模型，模拟了近年Aberdeen大学开展的9组针对冲流过程的水槽实验。对于每组实验，采用三种不同的摩阻系数估算方法（Swart公式，Colebrook公式，摩阻系数为常数值）进行了数值计算。将计算得到的床面剪切应力与实测值（两种实测值：采用流速垂向分布log-law反算的床面剪切应力，采用Shear plate直接测量的床面剪切应力）对比发现，不同摩阻系数估算方法得到的床面剪切应力与实测值有一定差异。然而，实测床面剪切应力量级被三种估算方法包络起来。这表明，数学模型结合经验公式能够捕捉到冲流过程床面剪切应力的量级。在此基础上，通过数值对比，研究了冲流带推移质向饱和输沙状态的调整所需时空尺度的影响。研究表明，对于近海岸冲流带数学模拟而言，必须考虑推移质向饱和输沙状态调整所需的时空尺度，即采用非饱和输沙数学模型。研究还发现，现有输沙率经验公式应用于冲流带时往往会计算出物理上不切实际的高含沙量值，并指出其不适应于冲流带的主要原因在于现有输沙率公式没有合理考虑冲流带独特的小水深大流速特点。