王文柳 孫蓓蓓 丁圓圓 焦嬌

【摘要】本文在綜述了海洋泥沙濃度及輸移的研究方法的基礎(chǔ)上，分析了各種研究方法的優(yōu)劣，并詳細(xì)介紹了MIKE-21數(shù)值計(jì)算與分析軟件，以期為相關(guān)科研工作者提供幫助。

【關(guān)鍵字】泥沙濃度；研究方法；MIKE-21

海洋泥沙濃度及輸運(yùn)過(guò)程的變化，直接影響著岸灘地貌的演變過(guò)程，尤其是近岸工程的實(shí)施，或改變水動(dòng)力環(huán)境，進(jìn)而影響泥沙輸運(yùn)過(guò)程。李建超等[1]研究發(fā)現(xiàn)，1855年黃河北徙人渤海后，黃海泥沙補(bǔ)給驟減，改變了水沙之間原有的平衡狀態(tài)，使蘇北海岸沖淤分布格局發(fā)生改變。對(duì)于海洋泥沙濃度及輸運(yùn)研究，應(yīng)用較多的是建立模型來(lái)反演輸運(yùn)與沉積關(guān)系[2]。而建立泥沙模型的方法有很多。其中比較常見(jiàn)的有VB程序模式和遙感。但是，這些方法都有些不足之處。VB程序過(guò)于簡(jiǎn)單，無(wú)法應(yīng)對(duì)海洋環(huán)境比較惡劣的海域沉積研究，而遙感主要是偏向于宏觀觀測(cè)，對(duì)于具體的海洋沉積情況不能做出更加準(zhǔn)確的判斷。本文介紹了各種泥沙濃度及輸運(yùn)的研究方法，重點(diǎn)敘述MIKE-21泥沙輸移模型的應(yīng)用。

1. GIS與遙感

GIS與遙感作為20世紀(jì)快速盛行的地理系軟件，應(yīng)用十分廣泛。遙感技術(shù)具有實(shí)時(shí)、連續(xù)、準(zhǔn)確地獲取大范圍地表信息的能力，而GIS 因?yàn)槠溆辛Φ姆治瞿芰Ρ粡V泛應(yīng)用。特別在海岸帶地區(qū)，海水和陸地具有明顯的光譜特性差異，因而在遙感圖像上可以非常清楚地反映出來(lái)[3]；而區(qū)域性地表測(cè)量資料往往由于水陸性質(zhì)不同及其他限制因素取得較為困難，因此綜合GIS與遙感，使二者相互補(bǔ)充、相互利用，所取得的結(jié)果具有較高時(shí)間與空間分辨率，并具有直觀、準(zhǔn)確、易于應(yīng)用的特點(diǎn)[4]。遙感技術(shù)憑借著獨(dú)特的宏觀優(yōu)勢(shì)和實(shí)時(shí)精確的特點(diǎn)，在近岸泥沙輸運(yùn)中運(yùn)用廣泛。余佳 [5]應(yīng)用MODIS L1B數(shù)據(jù)完成了對(duì)于黃海泥沙懸浮體的數(shù)值反演，建立了單波段懸浮體反演模型。通過(guò)建立這種懸浮體的反演模型，可以清晰地發(fā)現(xiàn)遙感波段與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的各種相關(guān)性，進(jìn)一步地建立懸浮體泥沙濃度反演模型，定量地對(duì)懸浮體泥沙與其他因素的變化關(guān)系進(jìn)行研究。

2. 現(xiàn)場(chǎng)激光粒度儀

近年來(lái)，隨著觀測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)場(chǎng)激光粒度分析儀（LISST）被廣泛應(yīng)用，用來(lái)實(shí)時(shí)地完成對(duì)泥沙顆粒級(jí)配與濃度的測(cè)量，其具有測(cè)驗(yàn)效率高、垂向分辨率高、實(shí)現(xiàn)分粒級(jí)測(cè)量泥沙懸浮體濃度的能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。LISST在測(cè)定水體懸浮體體積分?jǐn)?shù)時(shí)會(huì)將所有顆粒都計(jì)入最終結(jié)果中，如含有較多礦物聚合體或生物碎屑時(shí)會(huì)有較大的LISST數(shù)值，在測(cè)量粒徑的上界，產(chǎn)生“上升尾”現(xiàn)象。因此，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將明顯異常值（如具有較高抽濾數(shù)據(jù)，但較低LISST數(shù)據(jù)點(diǎn)）剔除掉。為了使結(jié)果更直觀且能利用于傳統(tǒng)的基于質(zhì)量濃度的懸浮體分析，且削弱大顆粒、低密度懸浮體對(duì)LISST觀測(cè)結(jié)果的影響，將LISST數(shù)據(jù)與抽濾數(shù)據(jù)對(duì)比，將體積濃度轉(zhuǎn)化為質(zhì)量濃度。

3. MIKE-21

3.1 泥沙輸移模塊簡(jiǎn)介

泥沙輸移模塊隸屬于MIKE-21水動(dòng)力模型里面的ST 模塊。MIKE -21的ST模塊根據(jù)水流作用或波流的共同作用來(lái)計(jì)算輸沙率。在波流共同作用時(shí)，模型利用DHI模型STP的波周期公式計(jì)算輸沙率。如果只有水流作用，用戶可選擇多種常用的輸沙計(jì)算公式。初始的淤積/沖刷利用泥沙的質(zhì)量守衡確定。

3.2 泥沙模塊步驟

在運(yùn)用泥沙模塊前，要明確要解決的問(wèn)題；選用適當(dāng)?shù)哪Ｐ停贿x擇維度（一維、二維或三維）；選用適當(dāng)?shù)哪K、水動(dòng)力、泥沙或波浪；模擬區(qū)域范圍、區(qū)域大小、空間步長(zhǎng)；坐標(biāo)投影（模型轉(zhuǎn)角）。

3.2.1 數(shù)據(jù)收集與前處理

地形數(shù)據(jù)（C-map，XYZ，GIS，CAD，紙制海圖等）；邊界實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)；風(fēng)場(chǎng)等參數(shù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)驗(yàn)證利用MIKE.21軟件驗(yàn)證其合理性與一致性。

1. 搭建模型

輸入模型參數(shù)有地形文件、邊界文件、糙率值、渦粘系數(shù)時(shí)間步長(zhǎng)、風(fēng) 場(chǎng)、干濕水深、初始水位等。

2. 運(yùn)行模型

3.3.2 泥沙模型實(shí)例分析

MIKE.21軟件對(duì)于泥沙的分析，學(xué)者們?cè)谶|寧黃海在花園口工程海域?qū)崪y(cè)水文測(cè)驗(yàn)資料和地形資料的基礎(chǔ)上，從平面二維水沙模型的基本方程和基本理論出發(fā)，用MIKE21建立大尺度黃渤海潮流模型，采用嵌套的方法建立了計(jì)算區(qū)域內(nèi)的小區(qū)域潮流耦合波浪的泥沙數(shù)學(xué)模型，三角單元有限體積法并對(duì)潮流運(yùn)動(dòng)和波浪潮流作用下泥沙的輸移進(jìn)行了數(shù)值模擬。

在運(yùn)用軟件時(shí)要注意對(duì)模型中關(guān)鍵參數(shù)（如剪切應(yīng)力，水流挾沙能力等）進(jìn)行重點(diǎn)研究，使地區(qū)模型能更好地適應(yīng)實(shí)地情況，并根據(jù)計(jì)算的實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證計(jì)算模式和資料處理的合理性。為工程設(shè)計(jì)、日后規(guī)劃發(fā)展提供必要的參考依據(jù)。對(duì)實(shí)地地區(qū)進(jìn)行了流場(chǎng)分析，解明其海域漲、落潮流特性。在此基礎(chǔ)上建立了波浪和潮流作用下的泥沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)懸沙濃度和地形演變兩方面進(jìn)行驗(yàn)證，若懸沙濃度計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合較為良好，則該泥沙計(jì)算模型沖淤是合理的。除此之外，還要關(guān)注地形演變反映出的海域的海床原始等深線是否處于動(dòng)態(tài)平衡，這也是影響計(jì)算模型合理性的重要因素之一。完成后就可以在此基礎(chǔ)上得出年淤積厚度，海岸線短期內(nèi)向近岸移動(dòng)不是很大。通過(guò)分析海床長(zhǎng)期沖淤處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，在處于動(dòng)態(tài)平衡的海岸上修建建筑物不會(huì)引起大范圍的地形演變，只需注意建筑物造成的局部沖刷和淤積問(wèn)題。這樣在只需要相關(guān)的實(shí)測(cè)資料就可以通過(guò)建立數(shù)字計(jì)算模型，快速有效地了解測(cè)定海域的泥沙輸運(yùn)與沉積狀況，從而制定更加有效的措施。

4. 總結(jié)

泥沙沉積作為一種在近海地區(qū)起巨大作用的沉積分類，對(duì)自然環(huán)境與人類生活和建設(shè)都有著非凡的影響。我國(guó)沿海泥沙沉積問(wèn)題一直是人們關(guān)注的話題，也有眾多學(xué)者采取各種方法進(jìn)行研究。隨著快捷、高效的MIKE.21軟件技術(shù)的發(fā)展，可以通過(guò)運(yùn)用泥沙模型分析方法對(duì)泥沙進(jìn)行分析與模擬，對(duì)中長(zhǎng)期的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而擬定解決措施。同時(shí)，在泥沙沉積研究方面GIS、遙感與激光粒度儀測(cè)泥沙粒徑法也有著不俗的作用。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410324023Y）