利用二维深度平均水力-地貌动力学模型来解释河流交汇处由密度差异驱动的次级水流现象

《Environmental Modelling & Software》：Accounting for density-driven secondary flows at river confluences with a 2-D depth-averaged hydro-morphodynamic model

河流交汇处温度梯度与弯曲流线共同驱动次生流动，影响水流和沉积物分布。本研究改进二维水动力-形态模型，耦合密度梯度与角动量方程，通过长江-鄱阳湖案例验证，模型能准确预测次生流动强度、温度场及沉积再分布，计算效率提升10,000倍。

　　在河流交汇处，温度驱动的横向密度梯度会引发次级环流，这些环流与由流线曲率引起的环流相互作用，影响水流模式和沉积物动态。本研究旨在通过增强一个二维（2-D）的水文和地貌动力学模型，以考虑密度驱动的次级流动，从而更准确地模拟交汇处的水动力学和沉积物输运过程。该模型通过求解浅水方程（SWEs）并将其与水温和沿程角动量的传输方程耦合，以考虑由流线曲率和横向密度梯度驱动的流动。此外，模型中还包含一个地貌模块，用于计算床面输运、悬浮沉积物输运以及床面演变。该模型经过三维计算流体力学（CFD）结果的验证，并应用于长江与鄱阳湖交汇处，既包括固定床也包括移动床的情况。研究结果与实测数据吻合良好，强调了温度动态在次级环流模式和强度中的作用，以及其在塑造河床形态中的贡献。该模型能够在较低的计算成本下实现长期的地貌动力学模拟。

河流交汇是河川系统的重要组成部分，常常表现出复杂的水动力学和地貌动力学相互作用。交汇不仅在沉积物输运、污染物扩散和生态栖息地形成方面起着重要作用，而且对于预测河流形态的变化、水资源管理以及减轻洪水风险也至关重要。此外，交汇处的地貌变化可能影响航道、基础设施稳定性和水生栖息地。因此，准确预测这些变化对于各种工程和环境应用至关重要。然而，对交汇处沉积物动态的精确理解高度依赖于当地的实际情况以及复杂的流动特征，如次级环流和密度驱动流动。尽管近年来已有大量研究聚焦于这些现象，但现有模型在某些关键方面仍存在局限性。

为了更全面地模拟交汇处的流动行为，特别是那些受密度梯度影响的次级环流，研究人员对传统的二维模型进行了改进。通过引入横向密度梯度的影响，可以更精确地预测水流模式和沉积物输运过程。这一增强模型不仅考虑了流线曲率产生的次级环流，还引入了密度变化对环流强度的影响。该模型适用于不同水文条件下的河流交汇，特别是在温度差异显著的区域。例如，在长江与鄱阳湖交汇处，由于温度的差异，导致了不同的密度分布，从而形成了显著的横向环流。研究发现，即使在两支流的温度差异很小的情况下，这些差异也会对水流动力学和标量分布产生显著影响。因此，通过将温度驱动的密度梯度纳入模型，可以更准确地模拟交汇处的次级环流对水流和沉积物输运的影响。

本研究以长江与鄱阳湖交汇处为案例，进行了一系列的模拟实验。通过结合三维CFD模型和现场观测数据，研究人员验证了增强后的二维模型的准确性。在模型中，密度梯度被视为一个额外的源项，用于计算沿程角动量。这一改进使得模型能够更有效地捕捉次级环流的动态变化，并模拟其对河床演变的影响。此外，模型在固定床和移动床模式下均进行了验证，展示了其在长期地貌演化模拟中的适用性。在移动床模拟中，模型考虑了床面输运和悬浮沉积物输运，以及它们对河床形态的影响。结果表明，该模型在预测沉积物分布和河床变化方面具有较高的准确性，特别是在考虑密度梯度影响的情况下。

在长江与鄱阳湖交汇处的案例研究中，研究人员采用了不同的水文条件，包括高流量（8月）和低流量（12月）情况。这些条件下的水流和沉积物输运模式被详细记录，并与模型预测结果进行比较。研究发现，温度驱动的密度梯度对次级环流的强度和方向产生了显著影响。在高流量情况下，长江的水流速度远高于鄱阳湖，且其水温较低，导致密度较大。这种密度差异使得次级环流在交汇处形成，特别是在右岸和左岸的不同区域，产生了不同的沉积和侵蚀模式。而在低流量情况下，尽管长江的水流速度依然较高，但鄱阳湖的水温较低，导致其水流密度较大，从而在交汇处产生了不同的次级环流模式。通过比较模型预测结果与现场观测数据，研究人员确认了该模型在模拟这些复杂现象方面的有效性。

此外，研究还评估了该模型在计算效率方面的表现。与三维模型相比，二维模型在固定床模式下计算速度提高了约1000倍，在移动床模式下计算速度更是提高了约10,000倍。这使得二维模型在处理大型河流交汇的长期模拟时更具优势，特别是在计算资源有限的情况下。模型的增强并未显著增加计算成本，因此它为实际应用提供了高效的解决方案。研究还指出，尽管二维模型在某些方面存在简化，例如未考虑垂直方向的湍流结构和密度分布，但在大多数情况下，其对水流和沉积物输运的模拟已经足够精确，可以为河流管理提供可靠的预测工具。

在模型的验证过程中，研究人员使用了多个简化实验，如锁交换实验和直通道实验。锁交换实验模拟了不同密度流体在交汇处的混合过程，结果表明，二维模型在考虑密度梯度的情况下能够更准确地预测次级环流的强度和方向。而在直通道实验中，研究人员分析了密度梯度对次级环流的影响，发现温度差异在某些区域对次级环流的形成和演化起到了关键作用。这些实验结果进一步验证了二维模型在处理密度驱动次级环流方面的有效性。

综上所述，本研究通过增强二维模型，使其能够考虑温度驱动的横向密度梯度对次级环流的影响，从而提高了模型在模拟河流交汇处水动力学和沉积物输运方面的准确性。该模型在固定床和移动床模式下均表现出良好的预测能力，并且在计算效率方面具有显著优势。通过与三维模型和现场观测数据的对比，研究人员确认了该模型的有效性，并指出其在处理大型河流交汇问题时的适用性。未来的研究可以进一步优化模型，以考虑垂直方向的密度分布和床面材料的异质性，从而提高其在复杂水文条件下的预测能力。