海岸风成沙丘气流与沉积物输运的数值模拟研究：坡度与风向的多维影响机制

本研究通过OpenFOAM构建三维计算流体动力学(CFD)模型，结合Bagnold沉积物输运公式与Exner方程，系统量化了荷兰Hondsbossche沙丘的坡度(10°-80°)与风向(0°-75°)对近床气流、沉积输运及形态演变的调控作用。发现20°坡度垂直风向下沉积堆积最显著，植被可显著抑制侵蚀，但坡度>50°时效果减弱，为人工沙丘设计提供了关键理论依据。

　　

论文解读
在动态的海岸带生态系统中，风成沙丘如同自然的防波堤，其形态演变直接关系到海岸线的稳定性。然而，沙丘的发育受到复杂的气流-地形相互作用的制约——风速在迎风坡加速导致侵蚀，背风坡分离流形成沉积区，这种动力学过程又高度依赖于坡度与风向的耦合效应。尽管前人已认识到坡度55°-60°是流场分离的临界阈值，但关于多尺度地形参数如何系统性影响沉积通量空间分布的研究仍存在空白。尤其对于荷兰这类低洼海岸国家，理解盛行斜向风作用下沙丘的稳定性机制，对抵御海平面上升威胁具有紧迫现实意义。

为此，荷兰特文特大学与代尔夫特理工大学联合团队在《Geomorphology》发表研究，采用OpenFOAM构建全尺寸三维CFD模型，以荷兰Hondsbossche沙丘为原型，通过48组数值实验系统解析了坡度(10°-80°)与风向(0°-75°)对沉积动力学的调控规律。研究创新性地将Bagnold公式进行坡度修正，并耦合Exner方程实现形态动态反馈，同时引入植被参数化模块量化生物固沙效应。

关键技术方法
研究采用OpenFOAM平台开发的高阶湍流模型求解Navier-Stokes方程，地形网格基于Hondsbossche沙丘实测数据生成。沉积物输运通过修正的Bagnold公式计算（含坡度因子），形态演变通过Exner方程耦合求解。植被效应通过拖曳力系数参数化，验证数据来自EcoShape HPZ项目的现场观测。

研究结果

1. 近床气流三模态特征：发现临界坡度20°时垂直风向下出现最大剪切应力；斜向风(>45°)导致 helicoidal vortices（螺旋涡）取代传统分离涡，使沉积模式从坡脚集中转为沿脊线带状分布。
2. 坡度-沉积非线性响应：20°坡度下坡脚沉积量较10°增加217%，但超过50°后植被固沙效果锐减至11%，揭示坡度存在生态-地貌协同阈值。
3. 植被的差异化调控：植被使80°陡坡的侵蚀量降低63%，但仅使坡脚沉积增加8%，证实陡坡地形主导沉积格局。

结论与意义
该研究首次建立了坡度-风向-植被的多参数协同作用框架，指出人工沙丘设计应优先控制坡度<20°并优化植被布局。发现斜向风环境下50°坡度是工程干预的临界点，为荷兰"沙丘动态加固"战略提供了量化依据。方法论上发展的CFD-Exner耦合模型，为全球海岸带韧性规划提供了可迁移的工具范式。