潮致地下水在滨海潜水层的传播机制及运动特征

基于地下水动力学的拉普拉斯控制方程，以周期性潮波运动作为主控边界条件，通过双摄动参数解析法，推求由于外海潮位变化在滨海潜水层内产成的一维和二维地下水波动解析形式,理论分析地下水波传播特征及主要影响因素,比较各频率的组成波传播特征,分析其诱发机制。在理论分析基础上，针对复杂动力条件和地貌特征，建立地下水-地表水全三维整体数学模型,分析海岸带地下水流的运动特征,研究河口及海岸地区地下水与地表水相互作用，探讨潮致地下环流作用下的陆相及海相污染物交换和输运方式,阐明潮汐作用下潜水层地下水的潜在环境效应。

滨海潮滩是由宽阔平坦的潮间带和潮上带盐沼湿地组成, 其特有的地理位置和所受的动力条件，使其内在物质循环过程有别于内陆湿地，在自然和人为作用的双重驱动下，不仅影响着区域的物质输移、能量流动和生产过程，同时也作为主要生源物质的源、汇或调节器，促进、缓解或遏制周边环境的恶化趋势。开展潮滩营养物质输运过程及其内在动力机制的分析，需要剖析潮滩地下水波动机制、探讨潮滩下水波动的影响因素，在此基础上构建物质输运的数学模型。在国家自然科学基金委的资助下，本课题从理论解析、方程重构和数值模拟技术三方面出发，开展研究，取得以下成果：.(1) 采用双摄动参数预估修正法，针对潮致地下水波运动，推求出斜坡海岸情况下的高阶解析解形式；.(2) 结合江苏苏北现场水文资料，辅证理论解析研究成果，探讨了浅海分潮对地下水波的影响；.(3) 引入Gardner函数描述潜水面以上非饱和区持水特征，通过动压修正法，推导出了新的Boussinesq方程及其解析解，首次在理论上证实了非饱和区能够促进地下水波的传播，减少地下水波传播过程中振幅的衰减速度；.(4) 针对水体中的物质输运模拟，采用劈裂算法，改进γ因子函数，对TVD方法进行了改进，减少了对流项处理过程中引入的数值耗散和震荡；.(5) 在非结构网格中，引入重构坐标方法，结合格林-高斯法，处理各向异性扩散特征；.(6) 通过有流环境下物质输运过程的典型实例，证实了数值模拟过程中考虑扩散各向异性的必要性，并为后续的地下水与地表水物质交换研究奠定了基础。