海岸水沙界面通量研究

The sediment flux on water-sediment interface, that is, the exchange capacity between suspended load and bed load, is the key problem of non-equilibrium sediment transport on coastal area and the difficult problem of basic theory of marine sediment. It is also the prediction base of seabed erosion-deposition evolution about coastal sediment transport. Based on the analysis of measured data and flume experiment with combaining the theory and numerical simulation, the study is to solve the correlation between sediment carrying capacity and ocean wave effective velocity, the correspondence about sediment carrying capacity and shear stress, the existence of the sediment concentration of critical erosion and critical deposition, the certainty of the sediment erision-deposition flux，and the association of the water-sediment exchange process and the sediment erision-deposition flux. The water-sediment exchange flux and mechanism will be further studied. The further research will be done about the motive characteristics and law of the coastal sediment. It is important to understand the water-sediment exchange mechanism near bottom in coast. It will promote the development and application of the sediment dynamics.

海岸悬沙和底沙的交换量即水沙界面通量是近岸海域泥沙不平衡输运的关键问题和海洋泥沙基本理论研究中的难题，也是海岸泥沙运动和海床冲淤演变预测的基础。项目拟在水槽实验和现场实测资料分析的基础上，通过理论分析和数值试验相结合的方法，力求在理论和实践上解决海岸水沙界面通量的关键问题：海岸水流挟沙力和海洋波动有效速度的相关性、挟沙力和切应力的对应性、临界冲刷和淤积含沙量的存在性、泥沙冲刷和淤积通量的确定性以及水沙交换过程与冲淤通量的关联性等。通过以上问题的研究，进一步认识海岸底床水沙交换机制，给出近岸海域水沙界面通量的确定方法，探求海岸海床泥沙运动特征和规律。项目的研究对于认识近岸海域近底水沙交换机理和海床冲淤演变规律具有重要意义，也对泥沙运动力学的学科发展和实践具有促进作用。

合理确定水沙界面通量问题是海岸泥沙预测和海床冲淤演变的关键，直接影响到海岸泥沙运动和海床冲淤演变预测的准确性。然而长期以来，海床附近水沙交换的力学机理和物理特性的认识并不十分清楚，对泥沙关键问题-水沙界面通量的表达多以经验或半经验公式给出，以回避海床水沙交换的微观机理。项目在深入研究挟沙力和切应力两种方法的基础上，对海岸水沙界面通量的问题进行了分析，阐明了底床水沙特性和悬沙与底沙的交换机制，探讨了近岸海域临界含沙量和冲淤通量及其与水流泥沙等动力条件的关联关系，给出了近岸海域近底泥沙运动特征、规律和海岸水沙界面通量的确定方法。项目的研究对于认识近岸海域近底水沙交换机理和丰富泥沙理论的研究具有重要意义。同时对探讨沿海海洋开发所导致的海洋地貌和海洋环境的影响具有重要理论和应用价值。项目取得的创新成果如下：. 1）由挟沙力方法和切应力方法物理本质和表达形式的一致性出发，结合临界切应力从理论上阐明了临界冲刷含沙量和临界淤积含沙量的存在性；. 2）根据平动动能叠加原理给出近岸动力因子的表达形式，并提出了海洋波动有效速度的概念，论证水流有效流速为水流流速的均方根流速，得出了挟沙力是波浪、潮流有效流速的函数，同时论证了波浪、潮流的有效流速与最大流速的量化关系；. 3）从实验和理论分析的角度得出冲刷系数是一个与沉降速度和含沙量等相关的系数，泥沙沉降机率应细分泥沙冲刷机率和泥沙沉降机率，挟沙力介于临界淤积含沙量和临界冲刷含沙量时，冲淤平衡；. 4）从泥沙动力学以及浑水动力学方程出发，根据最小能耗率原理推导得到一般形式的挟沙力公式并扩展应用到周期性海洋动力要素的条件，论证了挟沙力系数与阻力系数的正比关系；. 5）结合实测资料和理论分析结果，论证了指数型阻力系数公式可以较好地反映各流区阻力系数变化规律，将其应用于近岸海域水沙模型可获得良好的模拟效果。