An explicit two-dimensional finite element model to simulate short- and long-term bed evolution in alluvial rivers

摘要

Cet article présente un modèle bidimensionnel qui calcule les écoulements moyennes verticalement en eau peu profonde et les équations de transport de sédiment pour des simulations à court et à long terme. Le modèle met en œuvre un schéma explicite sur quatre pas de temps qui permet des pas de temps plus longs que les précédents modèles explicites en élément finis. En outre, on introduit un algorithme qui diminue considérablement le temps de calcul des simulations à long terme tout en préservant les avantages des schémas explicites. Les résultats du modèle se comparent très bien aux solutions analytiques des problèmes simples à une ou deux dimensions. Une simulation de cinq ans pour le fleuve Apure au Venezuela, démontre la capacité du modèle à prévoir l''évolution à long terme de grands fleuves d''une façon efficace au point de vue informatique. Les types d''évolution de lit que l''on obtient se comparent bien au comportement observé des structures de contrôle utilisées dans les applications similaires.%This paper presents a two-dimensional model to solve the vertically averaged shallow water and sediment transport equations for short- and long-term simulations. The model implements a four-time-step explicit scheme that permits longer time steps than previous explicit finite element models. Also, an algorithm is incorporated that decreases considerably computer times for long-term simulations while preserving the advantages of explicit schemes. The model results compare very well with analytical solutions for simplified one- and two-dimensional problems. A 5-year simulation for the Apure River in Venezuela, demonstrate the ability of the model to predict long-term evolution for large rivers in a computational efficient manner. The resulting bed evolution patterns compare well to the observed behavior of control structures used in similar applications.