海岸地区长周期地貌模型研究进展

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1、第34卷第6期水道港口Vo1．34No．62013年12月JournalofWaterwayandHarborDee．2013海岸地区长周期地貌模型研究进展陈橙，王义刚，黄惠明，袁春光(河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京210098)摘要：海岸地区的长周期地貌演变关系到了人类对海岸带资源的合理开发、保护及可持续利用。研究者不断改进和提高了海岸地区长周期地貌模型的适用性和可靠性。文章从发展概况、时空尺度、计算原理、信息约减技术以及模型应用等方面简述了海岸地区长周期地貌模型的研究进展，并认为模型的理论、技术还可进一步提高，模

2、型的应用范围还可拓展到更大尺度。关键词：海岸系统；动力地貌；长周期模型；信息约减；研究进展中图分类号：P737．1文献标识码：A文章编号：1005—8443(2013)06—0467—06海岸地区包括了沿岸、河口、潮汐水道以及三角洲等，是一个复杂的动力地貌系统。随着社会经济的发展，人们对海岸地区地貌的影响日益增加，尤其是长周期的影响关系到海岸带资源可持续利用和保护、工程建设、农业发展、自然灾害防治以及生态环境保护等重大问题。因此，海岸地区动力地貌的长周期演变正成为研究和预测的热点。由于实测资料通常难以满足研究的需要，因此建立海岸动

3、力地貌过程的数学模型已成为研究的一个重要手段。经过几十年的发展，地貌模型无论从理论上还是从技术方法上都有了长足的进步，其对诸如沿岸系统l1、河口系统[2]、潮汐汊道系统以及三角洲系统模拟的适用性及可靠性都有了很大的提高。本文将对地貌模型的发展及长周期地貌模型的模拟技术进行综述，并探讨模型的应用及发展方向。1河口海岸地貌模型发展概况河口海岸地貌模型作为预测海岸、河流以及河口系统的基本工具，其发展是从早期的岸线模型开始的，近30a来经历了二维水深平均[、准三维]和三维[]的模式，现已经得到广泛的应用。DeVriend等8]将海岸地貌模

4、型分为两类，分别定义为面向过程模拟(process．orientedmodeling)和面向表现模拟(behavior．orientedmodeling)。面向过程模拟研究小尺度现象的具体发展过程，而面向表现模拟认为海岸现象存在时间尺度不匹配的问题，在模拟中仅关注与被研究变量尺度相近的动力作用下的净影响。多年来学者们对两种模型的优势与不足进行了探讨，认为面向表现模拟能够适用于长时间尺度(一年至千年)的研究，但是忽略了真实的力学背景，往往仅适用于特定的算例，通用性较差。面向过程模拟理论较为成熟，在模拟时间尺度较短(小时到天)的海岸动

5、力地貌时精度和可靠性较高，但是在长周期尺度下并不优于面向表现模拟。造成这一现象的原因有两方面：一方面是因为长周期的动力地貌是一个复杂系统，其动力作用具有多时空尺度，且各模块(水动力、泥沙输运、地貌演变)相互耦合，无法完全详尽正确地描述；另一方面，面向过程模型在偏微分方程解的计算中具有数值误差，这种误差在长时间尺度的大量迭代计算中被累积，并反馈在最终的地貌演变中。为了减少面向过程模型的数值误差，提高长周期动地地貌模型的可靠性，DeVriend等[5,11J和Latteux[引人了信息约减概念，包括输入约减、模型约减和输出约减，使得面

6、向过程模型得到了发展并受到了广泛的收稿日期：2012—12—17；修回日期：2013—02—18基金项目：国家科技支撑计划(2012BAB03B01)；江苏省自然科学基金青年基金项目(BK2012411)作者简介：陈橙(1988一)，男，福建省福州人，博士研究生，主要从事海岸、河口动力环境及模拟研究。Biography：CHENCheng(1988一)，male，doctorstudent．468水道港口第34卷第6期应用”一s。此外，Roelvink还提j_r地貌更新技术，将地貌更新方法分为潮平均法、地貌快速判定法、联机法和并行

7、联机法，这些地貌更新方法都被学者们(Cayocca。，Wu等。，I)astgheib等¨)应用于模型歼发中。基于两种模拟思路的总结和实践，Himbal。提⋯哿长时问度动力地貌模型分为复杂模型和理想化模型，前者使用真实的地彤、边界条件和物理参数，能够反映fH研究域的真实情况，后肯使用简化的方程和地形，把地貌演变的主要过程孤遗H{来进行分析。这儿年，一学者(Jimenez等!，Karunarathna等)还提川j了混合模型。混合模型结合_r前两类模型的优点，有良好的发展前景2时空尺度划分及长时间尺度模型计算原理在长周期动力地貌演变中，

8、一定时空尺度的水动力作丌{和地貌演变过程是互相联系的。DeVriend等将海岸动力地貌过程分为小尺度、中尺度、中长尺度及长尺度。不同的空间尺度与时问尺度是相对应的(表1)，同一行为现象可能是噪声，也可能是地形变化的动力作用，还可能是外部条件。因此在