地球科学进展

地球科学进展 ›› 2024, Vol. 39 ›› Issue (11): 1136 -1155. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2024.081

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沉积源—汇系统数值模拟研究进展：多模型比较与应用
何锦秋 1( ), 李海鹏 2 , 3( ), 侯明才 1 , 4   
  1. 1.成都理工大学 沉积地质研究院，四川 成都 610059
    2.苏州深时数字地球研究中心，江苏 昆山 215347
    3.浙江深时数字地球国际研究中心，浙江 杭州 311121
    4.深时地理环境重建与应用自然资源部重点实验室，四川 成都 610059
  • 收稿日期:2024-07-05 修回日期:2024-10-18 出版日期:2024-11-10
  • 通讯作者: 李海鹏 E-mail:2022050768@stu.cdut.edu.cn;li.haipeng@ddeworld.org;haipeng.geo@gmail.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金青年科学基金项目(42302133);江苏省重大科技开放合作平台建设项目(BZ2022057)

Advances in Numerical Simulation Research of Source-to-Sink Systems: Comparison and Application of Multiple Models

Jinqiu HE 1( ), Haipeng LI 2 , 3( ), Mingcai HOU 1 , 4   

  1. 1.Institute of Sedimentary Geology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
    2.Suzhou Deep-time Digital Earth Research Center, Kunshan Jiangsu 215347, China
    3.Deep-time Digital Earth Research Center of Excellence, Zhejiang, Hangzhou 311121, China
    4.Key Laboratory of Deep-time Geography and Environment Reconstruction and Applications of Ministry of Natural Resources, Chengdu 610059, China
  • Received:2024-07-05 Revised:2024-10-18 Online:2024-11-10 Published:2025-01-17
  • Contact: Haipeng LI E-mail:2022050768@stu.cdut.edu.cn;li.haipeng@ddeworld.org;haipeng.geo@gmail.com
  • About author:HE Jinqiu, research area includes sedimentology. E-mail: 2022050768@stu.cdut.edu.cn
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(42302133);The Jiangsu Province Major Technological Open Cooperation Platform Construction Project(BZ2022057)
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沉积源—汇系统研究通过分析物质从源到汇的全过程，旨在揭示地表动态变化、物质循环机制及其对环境变化的响应，有助于我们全面了解沉积物从母岩风化、剥蚀、搬运至最终沉积的复杂过程。传统的源—汇研究多依赖于野外地质观测和实验室分析，这些方法受限于数据的可获取性较差、时空分辨率低和多解性，难以捕捉过程的动态变化和长期、大尺度的系统演化。随着计算机软硬件的飞速发展，数值模拟已成为源—汇研究的重要工具。数值模拟能够弥补传统方法的不足，定量分析沉积物在不同环境条件下的侵蚀、搬运和沉积过程，从而提供更全面、更动态的沉积源—汇系统演化视图。重点介绍5种主流的沉积源—汇系统数值模拟工具：Dionisos、SEDSIM、Landlab、goSPL和Delft3D。这些工具各具特点，适用于不同的研究场景。Dionisos擅长模拟大尺度、长时间跨度的沉积盆地充填过程，但结果趋于平均化，不擅长小尺度的动态变化模拟；SEDSIM基于水动力方程精准模拟沉积过程，结果更符合实际情况，但模拟速度较慢，更多集中于碎屑岩沉积模拟；Landlab提供高度自定义和多过程耦合的模拟能力，适合多种研究需求，但需要用户有较强的编程能力；goSPL能够进行全球尺度的高分辨率源—汇过程模拟，但处理局部地质现象时存在局限，同时对计算资源要求较高；而Delft3D在小尺度精细模拟方面表现优越，广泛应用于海岸、河流和湖泊环境模拟，但对于大尺度模拟存在一定的局限性。未来，随着算力的进一步增强和算法模型的优化，预计将出现更多高精度、多过程耦合的模拟工具。同时，大数据和人工智能技术在源—汇研究中的应用将成为重要趋势，也将更好地助力源—汇模拟，推动该领域的多学科融合和智能化发展。

关键词: 沉积源—汇系统, 数值模拟, 数值模型

The study of Source-to-Sink systems is an important field of research focused on understanding the entire process of material transport from source areas like mountain ranges or other landforms to sink areas like river basins, lakes, and oceans. This process entails weathering of the parent rock, erosion of materials, transportation via various agents (such as wind, water, or ice), and eventual deposition at sink locations. Analyzing this system reveals dynamic surface changes, material cycling mechanisms, and how these processes adapt to environmental shifts over time. Understanding these complex processes is crucial for a variety of scientific fields, including geomorphology, environmental science, and natural resource management; however, the traditional methods such as field observations and laboratory analyses, Have their own set of challenges. Data availability, low spatiotemporal resolution, and ambiguity in interpretation make it difficult to capture the rapid and dynamic changes occurring in natural systems. Furthermore, these methods are not ideally suited for analyzing long-term evolutionary processes or large-scale systems. Consequently, numerical modeling has emerged as an essential tool studying source-to-sink systems, addressing these traditional limitations by simulating complex processes over varying spatial and temporal scales. They offer more quantitative insights into the dynamics of erosion, transport, and deposition under different environmental conditions.This paper reviews five key numerical tools commonly used in source-to-sink research: Dionisos, SEDSIM, Landlab, goSPL, and Delft3D. Each tool has specific advantages that render it suitable for various research purposes. Dionisos, for instance, excels at modeling large-scale, long-term basin-filling processes though it is less effective for simulating small-scale, dynamic changes. SEDSIM, based on hydrodynamic equations, produces highly accurate results for clastic sedimentary processes, but tends to be slower and more focused on specific types of sediment. LandLab is highly customizable and capable of multi-process simulations; although, it requires advanced programming skills. goSPL handles global-scale high-resolution simulations effectively, despite struggling with localized phenomena and requiring significant computational resources. Delft3D is ideal for small-scale, fine-detail simulations, particularly in coastal, riverine, and lacustrine environments, although it faces challenges in large-scale applications. With ongoing advances in computational power and algorithms, future advancements in source-to-sink modeling are expected. The integration of big data and AI will likely enhance the accuracy of predictions, facilitate multidisciplinary integration, and drive the intelligent evolution of the field.

Key words: Sediment Source-to-Sink system, Numerical simulation, Numerical model

中图分类号: 

图1 沉积物路径系统模式图（据参考文献［ 5 ］修改）
沉积源汇系统由侵蚀区 ［ 6 - 15 ］、搬运区 ［ 16 - 29 ］和沉积区 ［ 30 - 37 ］3个子系统组成。D表示沉积物的输入，S表示沉积物的沉积
Fig. 1 The model of the sediment routing systems （modified after reference ［ 5 ］）
The sediment source-to-sink system comprises three subsystems： the erosion zone ［ 6 - 15 ］， the transport zone ［ 16 - 29 ］， and the deposition zone ［ 30 - 37 ］. D represents sediment input， and S represents sediment deposition
表1 沉积源—汇系统中的传统研究方法
Table 1 Various traditional research methods in Source-to-Sink systems
研究区 研究内容 研究方法 研究实例 参考文献
物源区 构造隆升 地质年代学方法 磷灰石裂变径迹约束青藏高原东南缘中甸地区上新世的快速隆升 ［ 67 ］
风化 同位素地球化学方法 东亚大陆边缘入海河流沉积物来源和源区风化特征 ［ 68 ］
侵蚀 支点法 利用水力学公式及比例关系估算古坡度和流动速度等参数，进而估算沉积通量 ［ 69 ］
地层沉积通量法 根据陆坡的迁移速率、地层沉降速率、海平面变化速率和陆坡地形来估算沉积通量 ［ 36 ］
宇宙成因核素测年 测定集水区沉积物剥蚀率的变化 ［ 7 ］
搬运区 水力学参数 水力学参数比例关系法 利用现代河流系统各水力学参数之间的线性拟合关系，通过地层记录恢复古河道规模 ［ 43 ］
搬运路径 地震资料分析 基于地震资料分析陆相湖盆物源通道特征 ［ 70 ］
物理水槽实验 河流系统对上游水流量变化和沉积物供给变化等环境扰动的响应 ［ 18 ］
河道几何特征 地貌要素比例关系法 陆坡长度是连接物源区地貌学参数和沉积区沉积物扩散参数的关键参数 ［ 44 ］
沉积区 沉积体规模 沉积物岩芯分析 陆架边缘三角洲—深水扇源—汇耦合关系及成因机制 ［ 71 ］
沉积速率 放射性同位素测年法 利用14C估计北亚得里亚海盆地地层边界表面的年龄 ［ 32 ］
图2 多个源—汇数值模拟模型示例
（a）eSCAPE ［ 75 ］模拟的全球规模的侵蚀沉积；（b）HyLands ［ 76 ］模型模拟的滑坡产生的沉积物厚度；（c）SPACE ［ 77 ］模型模拟的沉积物厚度；（d）Transport Length Hill slope Diffuser ［ 78 ］模型模拟的在构造作用下河道出口位置的迁移；（e）Terrainbento ［ 79 ］模拟的地貌演化；（f）Sedflux ［ 80 ］模拟的沉积盆地的粒度分布
Fig. 2 Examples of Source-to-Sink numerical simulation models
（a） eSCAPE ［ 75 ］ simulates global-scale erosion and deposition； （b） HyLands ［ 76 ］ models the sediment thickness generated by landslides；（c） SPACE ［ 77 ］ models sediment thickness；（d） Transport Length Hill slope Diffuser ［ 78 ］ models the migration of river outlet positions under tectonic influence；（e） Terrainbento ［ 79 ］ models landscape evolution；（f） Sedflux ［ 80 ］ models grain size distribution in sedimentary basins
表2 可用于沉积源—汇系统数值模拟的不同模型或软件
Table 2 Different models or software that can be used for numerical simulation of source-sink systems
模型 源 传输区 汇 空间尺度 时间尺度 正演/反演 是否开源 主要模拟过程 参考文献
HEC-RAS √ √ 局部尺度 数小时—数年 正演 开源 河流侵蚀沉积 ［ 85 ］
CHILD √ √ √ 流域尺度 数千年—数百万年 正演 开源 河流侵蚀沉积 ［ 86 ］
Sedflux √ √ √ 盆地尺度 数年—数百万年 正演 开源 沉积物搬运沉积 ［ 80 ］
Bayesian √ √ 可变 可变 反演 部分开源 取决于具体数据 ［ 87 ］
BQART √ √ 全球尺度 数年—数千年 反演 开源 沉积物通量估算 ［ 42 ］
eSCAPE √ √ √ 全球尺度 数十万年 正演 开源 沉积物传输 ［ 75 ］
pyBadlands √ √ √ 全球尺度 数百万年 正演 开源 景观演化、沉积物输送 ［ 88 ］
CAESAR √ √ √ 流域尺度 数千年 正演 开源 河流侵蚀与沉积 ［ 89 ］
GOLEM √ √ √ 流域尺度 数千年 正演 专有 景观演化 ［ 90 ］
CHONK 1.0 √ √ √ 全球尺度 数千年 正演 开源 沉积物侵蚀、沉积 ［ 91 ］
ZSCAPE √ √ √ 流域尺度 数千年 正演 专有 景观演化 ［ 92 ］
图3 玛湖凹陷中南部上乌尔禾组一段沉积过程模拟结果（据参考文献［ 104 ］修改）
（a）地层厚度；（b）砂岩厚度；（c）白碱滩扇顺物源剖面
Fig. 3 The simulation results of the sedimentary process of the first member of the Upper Wuerhe Formation in central and sorthern Mahu sag， northwestern Junggar Basin （modified after reference ［ 104 ］）
（a） Stratigraphic thickness；（b） Sandstone thickness；（c） Strike section of Baijiantan fan
图4 渤海湾盆地辽溪凹陷始新世沙河界组三段中部沉积过程模拟结果（据参考文献［ 106 ］修改）
（a）点源位置的地质时间和源供应率；（b）沉积相演化结果
Fig. 4 The sedimentary process simulation results for the middle section of the Eocene Shahejie Formation in the Liaoxi Sag of the Bohai Bay Basin （modified after reference ［ 106 ］）
（a）Geological time and source supply rate at the point source location；（b）Results of sedimentary facies evolution
图5 利用SEDSIM模拟澳大利亚Surat盆地侏罗系砂岩沉积与埋藏（据参考文献［ 111 ］修改）
Fig. 5 Utilizing SEDSIM to simulate the sedimentation and burial of jurassic sandstones in the Surat basin， Australia （modified after reference ［ 111 ］）
图6 SEDSIM模拟不同时期鄱阳湖现代浅水三角洲沉积体系结果（据参考文献［ 113 ］修改）
（a）输入的初始沉积地形及来自五大河流的物源位置；（b）模拟时间0 a BP；（c）模拟时间685 a BP；（d）模拟时间950 a BP
Fig. 6 SEDSIM simulation results of the modern shallow-water delta sedimentary system of Poyang Lake at different periods （modified after reference ［ 113 ］）
（a） Initial sedimentary topography and sediment sources from the five major rivers；（b） Simulation at 0 a BP；（c） Simulation at 685 a BP；（d）Simulation at 950 a BP
图7 Landlab模拟源—汇过程（据参考文献［ 53 ］修改）
（a）多组件耦合模拟大型海洋岛屿在经历活跃的不对称裂谷作用下的演化过程的初始化地形；（b）模拟结果；（c）沉积物累积厚度分布图
Fig. 7 Landlab simulation of Source-to-Sink processes （modified after reference ［ 53 ］）
（a）Initialization of the topographic model for simulating the evolutionary process of a large oceanic island undergoing active asymmetric rifting through multi-component coupling；（b）Simulation results；（c）Distribution map of sediment accumulation thickness
图8 大陆沉积物累积厚度时间演化（据参考文献［ 119 ］修改）
（a）65 Ma大陆沉积中心分布；（b）20 Ma的大陆沉积中心分布；（c）0 Ma大陆沉积中心分布；（d）印度—欧亚大陆碰撞期间和之后的沉积物厚度模拟，包括喜马拉雅前陆盆地的形成以及青藏高原北缘塔里木盆地和柴达木盆地的填充
Fig. 8 Continental sediment cover temporal evolution （modified after reference ［ 119 ］）
（a） Distribution of continental sedimentary centers at 65 million years ago；（b） Distribution of continental sedimentary centers at 20 million years ago；（c） Distribution of continental sedimentary centers at 0 million years ago；（d） Simulation of sediment thickness during and after the India-Asia continental collision， including the formation of the Himalayan foreland basin and the filling of the Tarim Basin and the Qaidam Basin on the northern margin of the Tibet Plateau
图9 Delft3D模拟不同情景下不同地区的净悬浮沉积物通量（单位：106 t，据参考文献［ 124 ］修改）
Fig. 9 Delft3D simulated net suspended sediment flux in different regions under different scenarios （unit：106 t， modified after reference ［ 124 ］）
图10 三角洲发育过程（据参考文献［ 125 ］修改）
（a）初始河口坝形成；（b）生长中期平面特征；（c）生长晚期平面过程
Fig. 10 Developmental stages of a delta （modified after reference ［ 125 ］）
（a）Formation of the initial mouth bar；（b）Planform characteristics during the mid-growth stage；（c）Planform processes during the late growth stage
表3 不同源—汇数值模型对比与适用范围
Table 3 Comparison and scope of application of different Source-to-Sink numerical models
模型 主要特点 沉积源—汇系统中的应用 优势 局限性
Dionisos 基于过程的正向建模；模拟沉积物运输、沉积和压实；处理多种沉积物类型；考虑海平面变化和构造沉降 沉积物传输；地层结构建模；预测沉积物分布模式；石油地质学中的储层特征 高分辨率3D可视化；适用于沉积盆地的长期演化，能够较好地还原复杂的沉积环境；大尺度模拟 基于扩散方程导致模拟结果平均化；不擅长模拟短时间尺度的动态变化；高计算资源需求
SEDSIM 3D正向地层建模；模拟碎屑沉积过程；结合海平面波动、沉降和压实；模拟浊流和三角洲系统 沉积物传输；地层演变；评估碎屑岩系统中的储层潜力 详细的过程模拟，符合实际情况；大尺度模拟；地层演变的可视化 方程求解复杂，模拟速度慢；不适合碳酸盐岩模拟；模拟时空尺度受限
Landlab 基于组件的架构；集成各种地貌过程；基于Python的可扩展模块；适合与其他模型耦合 模拟景观演化；模拟沉积源—汇系统沉积物的产生、传输、沉积模式 开源且用户友好；高度可定制；活跃的用户社区和支持；适用于各种空间和时间尺度 需要编程知识；可能需要针对复杂应用程序进行额外开发；精度不如专有模型
goSPL 基于过程的景观演化建模；结合沉积物生产、运输和沉积；处理隆起、侵蚀和沉积物通量 从源到汇的沉积物传输；研究构造和气候对沉积物供应的影响；沉积物收支计算 适用于全球尺度的景观演化研究；允许与地球动力学模型耦合；开源且可定制 需要编程知识；需要大量计算资源；局部地质现象处理可能有限
Delft3D 基于过程的水动力学建模；模拟沉积物输送；2D和3D建模 模拟河流和三角洲中的沉积物输送；模拟沿海和河口形态变化；评估海平面对沉积的影响 开源；适用于短期小尺度的研究；适用于精细模拟；可模拟溶解质传输

不适用于大尺度模拟；

不适合碳酸盐岩模拟
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