Abstract The development of morphodynamic models to simulate sediment transport accurately is a challenging process that is becoming ever more important because of our increasing exploitation of the coastal zone, as well as sea-level rise and the potential increase in strength and frequency of storms due to a changing climate. Morphodynamic models are highly complex given the non-linear and coupled nature of the sediment transport problem. Here we implement a new depth-averaged coupled hydrodynamic and sediment transport model within the coastal ocean model Thetis, built using the code generating framework Firedrake which facilitates code flexibility and optimisation benefits. To the best of our knowledge, this represents the first full morphodynamic model including both bedload and suspended sediment transport which uses a discontinuous Galerkin based finite element discretisation. We implement new functionalities within Thetis extending its existing capacity to model scalar transport to modelling suspended sediment transport, incorporating within Thetis options to model bedload transport and bedlevel changes. We apply our model to problems with non-cohesive sediment and account for effects of gravity and helical flow by adding slope gradient terms and parametrising secondary currents. For validation purposes and in demonstrating model capability, we present results from test cases of a migrating trench and a meandering channel comparing against experimental data and the widely-used model Telemac-Mascaret.

中文翻译：

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使用不连续 Galerkin 离散化的流体形态动力学 2D 建模

摘要 发展形态动力学模型以准确模拟沉积物输送是一个具有挑战性的过程，由于我们对沿海地区的日益开发，以及海平面上升和风暴强度和频率的潜在增加，这一过程变得越来越重要。不断变化的气候。鉴于沉积物输送问题的非线性和耦合性质，形态动力学模型非常复杂。在这里，我们在沿海海洋模型 Thetis 中实施了一个新的深度平均耦合水动力和沉积物运输模型，该模型使用代码生成框架 Firedrake 构建，该框架有助于代码灵活性和优化优势。据我们所知，这代表了第一个完整的形态动力学模型，包括使用基于不连续伽辽金的有限元离散化的床载和悬浮泥沙输运。我们在 Thetis 中实施了新功能，将其现有的模拟标量运输的能力扩展到模拟悬浮沉积物运输，并结合 Thetis 选项来模拟床载运输和床位变化。我们将我们的模型应用于非粘性沉积物的问题，并通过添加坡度梯度项和参数化二次流来解释重力和螺旋流的影响。出于验证目的和展示模型能力，我们展示了迁移沟槽和蜿蜒通道的测试案例的结果，与实验数据和广泛使用的模型 Telemac-Mascaret 进行了比较。我们在 Thetis 中实施了新功能，将其现有的模拟标量运输的能力扩展到模拟悬浮泥沙运输，并结合 Thetis 选项来模拟床载运输和床位变化。我们将我们的模型应用于非粘性沉积物的问题，并通过添加坡度梯度项和参数化二次流来解释重力和螺旋流的影响。出于验证目的和展示模型能力，我们展示了迁移沟槽和蜿蜒通道的测试案例的结果，与实验数据和广泛使用的模型 Telemac-Mascaret 进行了比较。我们在 Thetis 中实施了新功能，将其现有的模拟标量运输的能力扩展到模拟悬浮沉积物运输，并结合 Thetis 选项来模拟床载运输和床位变化。我们将我们的模型应用于非粘性沉积物的问题，并通过添加坡度梯度项和参数化二次流来解释重力和螺旋流的影响。出于验证目的和展示模型能力，我们展示了迁移沟槽和蜿蜒通道的测试案例的结果，与实验数据和广泛使用的模型 Telemac-Mascaret 进行了比较。纳入 Thetis 选项以模拟床载运输和床位变化。我们将我们的模型应用于非粘性沉积物的问题，并通过添加坡度梯度项和参数化二次流来解释重力和螺旋流的影响。出于验证目的和展示模型能力，我们展示了迁移沟槽和蜿蜒通道的测试案例的结果，与实验数据和广泛使用的模型 Telemac-Mascaret 进行了比较。纳入 Thetis 选项以模拟床载运输和床位变化。我们将我们的模型应用于非粘性沉积物的问题，并通过添加坡度梯度项和参数化二次流来解释重力和螺旋流的影响。出于验证目的和展示模型能力，我们展示了迁移沟槽和蜿蜒通道的测试案例的结果，与实验数据和广泛使用的模型 Telemac-Mascaret 进行了比较。