长江河口盐淡水交汇区广泛存在着黏性细颗粒泥沙，极易发生絮凝现象。絮凝作用引起的沉降速度增大会导致泥沙在一些敏感地区出现大量落淤，引发航道淤积等问题。作为泥沙动力特征的核心物理量，沉降速度已成为研究泥沙运动、计算冲淤变化的重要参量。因此，长江河口黏性细颗粒泥沙絮凝作用下的沉降速度研究具有重要的理论意义和应用价值。泥沙絮凝沉速受粒径、泥沙浓度、盐度、紊动等多种因素影响，现场直接观测的技术手段也较为有限，目前尚未得到统一而权威的、综合考虑多个影响因子的长江河口泥沙沉速公式。本文基于室内试验、理论分析和数值模式研究方法给出了长江河口黏性细颗粒泥沙沉降速度的定量表达。


主要成果如下：


1.自主设计并搭建了泥沙沉降试验平台，测量长江口细颗粒泥沙在不同泥沙浓度和盐度下的静水沉速。该平台具备时空分辨率高、干扰小、量程广等优点，试验样品来自长江口现场的天然水样泥样，沉速计算方法为物理意义清晰的控制体积法。共完成不同盐度、泥沙浓度条件下约200个批次的沉降试验，测量数据表明长江口细颗粒泥沙最佳絮凝浓度约在4～5 kg/m3，泥沙浓度在4 kg/m3附近的最佳絮凝盐度约为23，泥沙浓度在5 kg/m3附近的最佳絮凝盐度约为12。最终得到静水条件下泥沙浓度和盐度对单颗粒泥沙沉速修正的关系式。


2.在室内静水试验研究基础上，结合理论分析，考虑了紊动对沉速的影响。首先，选取垂向扩散系数和絮凝体直径作为紊动影响函数的基本参数，经过理论分析和变量归一化处理构建得到紊动因子影响函数。其次，借鉴多批实测资料得到悬沙粒径空间分布，通过公式计算得到长江河口区域的单颗粒泥沙沉速值。最终，得到综合考虑粒径、盐度、泥沙浓度、紊动重要影响因子的动水沉速表达式。


3.基于导师研究组长期开发、应用的三维水动力和泥沙数值模式，引进了本文构建的泥沙沉速公式。该模式在潮滩动边界计算、数值格式求解和泥沙模块计算等方面均已得到提升，并且引进了三重嵌套的WRF大气模型提供风场和SWAN波浪模型提供波浪参数。WRF模型和SWAN模型与实测资料验证效果较好，能为水动力泥沙模型提供可靠的风场和波浪参数。应用三维水动力泥沙数值模型，利用多批实测资料对紊动影响函数的参数进行率定，并对引入多因子沉速公式的模式进行验证。结果表明，应用本文得出的多因子沉速公式模式计算的泥沙浓度与实测资料吻合得更好，可以得到推广使用。


4.模拟了洪枯季长江口北槽剖面的泥沙沉速，分析了泥沙沉速的时空分布特征及其与影响因子的关系。