波浪底部边界层动力特性对底泥污染物释放的影响研究

Based on theoretical analysis, the hydrodynamic characteristics in wave benthic boundary layer and its impact on pollutants release from sediment will be studied by experiments and numerical model. The velocity profile, turbulent intensity and dissolved oxygen concentration distribution will be tested in experiments. The data above can be used to derive accurate thickness of benthic boundary layer and diffusive boundary layer. The influence of hydrodynamic characteristics in wave benthic boundary layer on thickness of diffusive boundary layer will be studied in this project. The influence of turbulence intensity on contaminant release from suspended sediment will be analysed and discussed in this project based on experiment data. Numerical model for hydrodynamic characteristics and mass transport in wave benthic boundary layer would then be built and verified based on experimental results. Different scenarios will be simulated to find how contaminant release will respond to variable hydrodynamic conditions in wave benthic boundary layer.

本项目以理论分析为指导，采用波浪水槽实验、数学模型等方法，研究分析波浪作用下底部边界层的水动力特性及其对底泥污染物释放的影响，通过物理模型试验获取边界层内的流速剖面、紊动强度分布、溶解氧浓度分布，计算边界层及扩散边界层厚度，分析边界层内水动力特性对扩散边界层厚度及扩散通量的影响，探寻边界层紊动结构对悬浮泥沙解吸释放污染物的动态过程和影响机制，建立波浪边界层水流运动及物质输送数学模型，基于理论分析结果和实验数据对模型进行率定和验证，分析模型的适应性及格物理参数的敏感性，为开展波浪作用下泥沙释放污染物的研究打下基础。

波浪作用下底部边界层水动力特性对于底泥污染物释放有着十分重要的影响，本项目以理论分析为指导，采用数值模拟和实验方法，研究分析波浪作用下底部边界层的水动力特性及其对底泥污染物释放的影响，项目的主要研究内容和取得的成果有：（1）在近似均匀紊流模拟装置中开展实验研究了紊流作用下泥沙悬浮释放污染物的动态过程及基本特性，揭示了泥沙起动前后垂向紊动扩散作用对底泥污染物释放的作用机制，为数学模型的建立和验证奠定基础；（2）在波流水槽中开展了波浪作用下边界层水动力特性研究，通过剖面流速仪测量了波浪作用下的流速剖面结构和垂向紊动特征,分析了波浪水流对紊动扩散作用的影响机制；（3）建立了边界层高精度水流-泥沙相互作用数学模型，模拟分析了泥沙层化对紊动的抑制作用及所引起的泥沙垂向分布特征，描述了泥沙垂向充分混合、泥跃层和近似层流情况下的紊动特征和泥沙分布；（4）采用自适应四叉树网格离散N-S方程和Level Set方法追踪自由表面，建立了高精度数值波浪水槽，在此基础上，引入泥沙模型和污染物模型，用于分析计算波浪作用下泥沙悬浮释放污染物的时空分布特征；（5）基于波流共同作用下泥沙悬浮释放污染物的数学模型，通过设置不同的模拟情景，分析计算了波流共同作用下泥沙悬浮特征、污染物释放动态过程及时空分布特征；（6）建立了波流双向实时耦合水动力模型，引入紊动扩散系数垂向分布模型，合理描述波流共同作用下边界层动力过程对泥沙及污染物输送的影响；（7）在上述研究基础上，针对疏浚施工的短期环境效应，研究提出了疏浚作业引起的泥沙再悬浮及污染物释放影响范围与程度的计算方法和模型，并应用于工程实践。.研究成果为进一步分析评价波浪水流作用下泥沙悬浮释放污染物的环境效应和影响范围奠定了基础，提供了数学模型和方法，具有一定的理论意义和应用价值。