長江河口鹽淡水交匯區(qū)廣泛存在著黏性細(xì)顆粒泥沙，極易發(fā)生絮凝現(xiàn)象。絮凝作用引起的沉降速度增大會導(dǎo)致泥沙在一些敏感地區(qū)出現(xiàn)大量落淤，引發(fā)航道淤積等問題。作為泥沙動力特征的核心物理量，沉降速度已成為研究泥沙運動、計算沖淤變化的重要參量。因此，長江河口黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝作用下的沉降速度研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。泥沙絮凝沉速受粒徑、泥沙濃度、鹽度、紊動等多種因素影響，現(xiàn)場直接觀測的技術(shù)手段也較為有限，目前尚未得到統(tǒng)一而權(quán)威的、綜合考慮多個影響因子的長江河口泥沙沉速公式。本文基于室內(nèi)試驗、理論分析和數(shù)值模式研究方法給出了長江河口黏性細(xì)顆粒泥沙沉降速度的定量表達(dá)。

主要成果如下：

1.自主設(shè)計并搭建了泥沙沉降試驗平臺，測量長江口細(xì)顆粒泥沙在不同泥沙濃度和鹽度下的靜水沉速。該平臺具備時空分辨率高、干擾小、量程廣等優(yōu)點，試驗樣品來自長江口現(xiàn)場的天然水樣泥樣，沉速計算方法為物理意義清晰的控制體積法。共完成不同鹽度、泥沙濃度條件下約200個批次的沉降試驗，測量數(shù)據(jù)表明長江口細(xì)顆粒泥沙最佳絮凝濃度約在4～5 kg/m3，泥沙濃度在4 kg/m3附近的最佳絮凝鹽度約為23，泥沙濃度在5 kg/m3附近的最佳絮凝鹽度約為12。最終得到靜水條件下泥沙濃度和鹽度對單顆粒泥沙沉速修正的關(guān)系式。

2.在室內(nèi)靜水試驗研究基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析，考慮了紊動對沉速的影響。首先，選取垂向擴散系數(shù)和絮凝體直徑作為紊動影響函數(shù)的基本參數(shù)，經(jīng)過理論分析和變量歸一化處理構(gòu)建得到紊動因子影響函數(shù)。其次，借鑒多批實測資料得到懸沙粒徑空間分布，通過公式計算得到長江河口區(qū)域的單顆粒泥沙沉速值。最終，得到綜合考慮粒徑、鹽度、泥沙濃度、紊動重要影響因子的動水沉速表達(dá)式。

3.基于導(dǎo)師研究組長期開發(fā)、應(yīng)用的三維水動力和泥沙數(shù)值模式，引進了本文構(gòu)建的泥沙沉速公式。該模式在潮灘動邊界計算、數(shù)值格式求解和泥沙模塊計算等方面均已得到提升，并且引進了三重嵌套的WRF大氣模型提供風(fēng)場和SWAN波浪模型提供波浪參數(shù)。WRF模型和SWAN模型與實測資料驗證效果較好，能為水動力泥沙模型提供可靠的風(fēng)場和波浪參數(shù)。應(yīng)用三維水動力泥沙數(shù)值模型，利用多批實測資料對紊動影響函數(shù)的參數(shù)進行率定，并對引入多因子沉速公式的模式進行驗證。結(jié)果表明，應(yīng)用本文得出的多因子沉速公式模式計算的泥沙濃度與實測資料吻合得更好，可以得到推廣使用。

4.模擬了洪枯季長江口北槽剖面的泥沙沉速，分析了泥沙沉速的時空分布特征及其與影響因子的關(guān)系。