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河口海岸地区的港口建设、航道维护等工程都要伴随着抛泥活动,预测疏浚物倾抛后的泥沙以及污染物质输移和分布规律,对合理选择疏浚物的倾抛区域和环境保护具有重要意义。本文研究了抛泥引起的泥沙运动及污染物质迁移转化的数值模拟方法,论文的主要内容如下:
(1)建立了河口平面二维潮汐流动和泥沙运动数学模型及其数值求解方法。数值求解方法采用有限体积法,对非线性的对流项使用有效处理间断问题的Roe通量差分裂格式离散。通过采用保证网格间地形连续的地形描述方法,结合适当修改的状态插值方法来克服在具有复杂地形变化的浅水流动计算中应用Godunov型格式的困难。本文建立的数值方法既能够计算具有间断现象的流动问题又适应一般连续流动计算。
(2)建立了抛泥引起的泥沙运动的远近区结合数学模型。模型能够完整模拟水下抛泥从近区到远区泥沙输移过程。模型将水下抛泥的过程按其泥沙运动的机理分为浮射流段、过渡段和对流扩散段。以Lee&Cheung(1990)的模型为基础建立了模拟浮射流阶段的Lagrange模型,对过渡段采用离散瞬时点源近似模拟泥沙运动,利用平面二维粘性泥沙输移数学模型计算远区泥沙随流输移(即对流扩散段)。通过室内水槽抛沙实验的计算结果与试验资料对比验证了本文模型的合理性。
(3)建立了抛泥引起的重金属及持久性有机污染物迁移转化数学模型。模型对水体中污染物质的两相分配采用平衡分配的假定,但是考虑了水体与底泥间污染物质迁移的非平衡过程。
(4)应用本文模型模拟了澳门周围水域的抛泥引起的泥沙运动及重金属和持久性有机污染物迁移转化。计算模拟了3种重金属(Pb、Cu和Cr)和3种(类)持久性有机污染物(PCBs、DDTs以及芴)。计算表明,抛泥引起抛入水中的疏浚物主要淤积在抛泥地附近,但是疏浚物随潮流输送的范围仍然是很大的。对污染物质的模拟结果显示,抛泥引起的污染物质迁移规律主要是:受污染的疏浚土淤积在抛泥区附近,连续倾抛将引起污染物质在抛泥地富集,形成一个连续源不断向水体释放污染物质,但是水体受污染的主体范围不大。分配系数是影响污染物质迁移的主要因素。