基于Smagorinsky亚网格尺度模型与MIKE21悬浮泥沙输运模块的三维浅水流动与沉积物演变数值模拟

《Journal of Marine Science and Engineering》：Influence of Trailing Suction Hopper Dredger Side-Casting Backfilling Parameters on Far-Field Plume Dispersion and Deposition of Sediments Hongwen Zheng, Diqing Rong, Mingjie Yu, Dongliang Meng, Tao Sun and Wei Wei

　　

研究人员针对近岸海域水动力与沉积物输运过程的耦合机制，构建了三维浅水流动与悬浮泥沙输运的数值模型。该模型采用Smagorinsky亚网格尺度（subgrid?scale）参数化方案计算水平涡黏系数，并结合MIKE21泥沙输运框架中的垂向平均悬浮泥沙输运方程，实现水动力与沉积过程的同步模拟。控制方程包含动量守恒、质量守恒及泥沙质量守恒，其中水平扩散系数与涡黏系数保持一致，底部切应力采用二次律与曼宁（Manning）或谢才（Chézy）系数转换。模型在开边界采用潮汐水位时间序列或调和常数驱动，陆边界采用零法向通量条件，并通过水深阈值处理干湿交替过程以保证质量守恒与数值稳定性。研究结果表明，该耦合模型能够较准确地再现近岸水流结构与泥沙输运特征，为海岸工程与海洋环境管理提供了可靠的工具。

研究背景方面，近岸海域的水动力过程与沉积物输运直接影响海岸侵蚀、航道淤积及生态环境。现有模型常将水动力与泥沙输运分开处理，导致过程耦合不足，难以反映真实物理机制。为此，研究人员在《Journal of Marine Science and Engineering》发表论文，开发并验证了一个三维浅水流动与悬浮泥沙输运的耦合数值模型，以提升对近岸复杂过程的预测能力。

关键技术方法包括：（1）采用Smagorinsky亚网格尺度模型参数化水平涡黏系数ν_t，结合背景涡黏ν₀、网格尺度Δ_x及Smagorinsky常数C_smag；（2）在MIKE21框架下建立垂向平均悬浮泥沙输运方程，考虑平流、扩散、沉降及床面交换项；（3）水平扩散系数D_h与涡黏系数一致，引入湍流施密特数Sc_t；（4）底部切应力τ_b由拖曳系数C_f与流速绝对值|U|计算；（5）干湿过程通过水深阈值动态识别，确保质量守恒。

研究结果分为三部分：

（1）水动力控制方程：基于雷诺平均Navier?Stokes方程，引入科里奥利力f、重力g、风应力τ_s及底摩擦τ_b，动量方程中水平涡黏项采用Smagorinsky模型计算，验证其在模拟潮汐与风暴潮过程中的稳定性。

（2）涡黏与扩散闭合：水平涡黏ν_t由ν₀与(C_smagΔ_x)²|S|组成，其中|S|为应变率张量模；水平扩散系数D_h= ν_t/(Sc_tI)，I为各向同性因子，确保水动力与泥沙输运的扩散一致性。

（3）悬浮泥沙输运与床面演变：建立垂向平均输运方程，包含时间变化、对流、扩散、沉降及源汇项，其中沉降项E与D分别代表侵蚀与沉积通量，床面变化通过泥沙质量守恒耦合。

讨论与结论部分指出，该模型在近岸复杂地形与潮汐条件下表现出良好的数值稳定性与物理合理性，能够同时捕捉水动力与泥沙输运的时空变化。研究验证了Smagorinsky模型在水平涡黏参数化中的适用性，并证明MIKE21泥沙模块可有效集成至三维浅水模型中。该成果为海岸工程、港口设计及海洋环境评估提供了一种高效、可靠的数值工具，尤其适用于潮汐作用显著、泥沙活动频繁的近岸海域。