長(zhǎng)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(huì)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(wèn)題。作為泥沙動(dòng)力特征的核心物理量，沉降速度已成為研究泥沙運(yùn)動(dòng)、計(jì)算沖淤變化的重要參量。因此，長(zhǎng)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(jià)值。泥沙絮凝沉速受粒徑、泥沙濃度、鹽度、紊動(dòng)等多種因素影響，現(xiàn)場(chǎng)直接觀測(cè)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(gè)影響因子的長(zhǎng)江河口泥沙沉速公式。本文基于室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模式研究方法給出了長(zhǎng)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(jì)并搭建了泥沙沉降試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量長(zhǎng)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(tái)具備時(shí)空分辨率高、干擾小、量程廣等優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)樣品來(lái)自長(zhǎng)江口現(xiàn)場(chǎng)的天然水樣泥樣，沉速計(jì)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(gè)批次的沉降試驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)表明長(zhǎng)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(duì)單顆粒泥沙沉速修正的關(guān)系式。

2.在室內(nèi)靜水試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析，考慮了紊動(dòng)對(duì)沉速的影響。首先，選取垂向擴(kuò)散系數(shù)和絮凝體直徑作為紊動(dòng)影響函數(shù)的基本參數(shù)，經(jīng)過(guò)理論分析和變量歸一化處理構(gòu)建得到紊動(dòng)因子影響函數(shù)。其次，借鑒多批實(shí)測(cè)資料得到懸沙粒徑空間分布，通過(guò)公式計(jì)算得到長(zhǎng)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(dòng)重要影響因子的動(dòng)水沉速表達(dá)式。

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

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