波浪-海床-溶质耦合作用下近岸污染物迁移机制的数值模拟研究

为解决近岸海域污染物在波浪作用下的迁移扩散机制问题，研究人员开发了基于OpenFOAM平台的波浪-海床-溶质耦合数值模型（集成RANS方程、Biot固结理论和ADE方程），揭示了正向洋流（+0.5 m/s）促进溶质垂向迁移、粗砂加速侧向扩散等关键规律，为海岸带污染防控提供了新的理论工具。

　　

海洋作为污染物的最终归宿，每年接收约70万吨塑料垃圾和大量工业废水，其中近岸沉积物中的污染物富集问题尤为突出。传统研究多孤立分析波浪或固结作用对溶质迁移的影响，而忽略两者的协同效应。更棘手的是，现有模型常假设污染物全海床均匀分布，这与实际点源污染特征严重不符。

中国某高校（根据CRediT声明推测为国内机构）的研究团队在《Results in Engineering》发表研究，首次建立了波浪-海床-溶质三维耦合模型。该工作通过OlaFlow求解器模拟Stokes III波浪场，耦合C-FOAM求解Biot固结方程，再通过S-FOAM计算对流-扩散方程（ADE），实现了从波浪动力学到污染物迁移的全链条模拟。研究特别设计了局部污染源场景，采用29,700个六面体网格，通过GAMG多重网格算法保证计算精度。

波浪周期的影响
10秒长周期波使溶质垂向穿透深度达-23米，是6秒短周期波的3倍。这是由于长周期波能维持更持久的孔隙水压力梯度（p/p₀>1.5），驱动深层渗流。

波浪高度的非线性效应
当波陡ε>0.08（对应H/L>0.025）时，波峰-波谷不对称性引发强烈Stokes漂流，4.5米高波工况下溶质峰值浓度达2.8 g/cm³，比1.5米波高工况提升80%。

水深的"黄金区间"
18米中等水深最利于溶质迁移，此时波浪能量衰减适中，溶质可穿透至-23米；而12米浅水区能量耗散大，24米深水区波压衰减显著，迁移效率分别降低52%和35%。

土壤类型的调控作用
中砂（Soil C）因适中的渗透率（K=5×10^-4 m/s）最利于溶质深层富集，峰值浓度达4.7 g/cm³；粗砂（Soil B）则因强侧向扩散使水平迁移距离扩大3倍。

不规则波的放大效应
JONSWAP谱（γ=3.3）产生的波群使溶质垂向迁移深度突破-30米，比规则波工况增加30%，这归因于波包叠加产生的瞬态高压（p_max/p₀≈2.1）。

该研究突破性地实现了从波浪动力学到污染物迁移的多尺度耦合，其提出的局部污染源模型更贴近实际排污场景。特别是发现中砂沉积物在18米水深区具有最优污染物截留能力，为近海生态修复工程的基质选型提供了定量依据。未来可进一步耦合化学反应模块，以更全面评估污染物的环境归趋。