陈永平,陈雨航,徐振山,Ebenezer Otoo,周安骐
(1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098；
2. 河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏 南京 210098)
近年来,随着经济的发展和城市化水平的提高,污水排放量也在快速增长。根据自然资源部生态环境质量公报显示,中国污水年处理量已从2016年的585.8亿t增长至2019年的679.8亿t。污水排放通常采用就近排放的方式将处理后的废水排放到江河湖泊中,但是由于自然水体的环境承受能力有限,大量的污水排放对于本就严峻的城市水污染问题构成了巨大的挑战。随着对海洋环境认识的加深,人们发现海洋本身具有很强的自净能力和环境承受能力,能够达到更优的污水处理效率[1]。采用废水离岸排放具有低成本、高处理率的特点,使得污水排海成为目前解决沿海城市水污染问题的有效途径之一[2]。虽然污水在排放前会进行一定的预处理,但在大规模排放情形下,仍有数量可观的悬浮物随污水进入海中,形成低浓度的排海污水挟沙射流。在自身重力的作用下,挟沙射流中颗粒较大的悬浮泥沙会在排放口附近逐渐发生堆积,形成污泥沉积体。一方面这些污泥表面通常吸附有重金属及有毒物质,这些物质的大量富集严重威胁人类的健康；
另一方面吸附在污泥上的有机物质氧化过程会大量消耗水体中的溶解氧,对排放口附近的水环境和水生态带来持续深远的影响[3- 5]。因此,系统研究排海污水挟沙射流具有重要的科研价值与现实意义。
排海污水方式最早可追溯到19世纪末英国的Harwich污水排海工程,经历从污水不进行处理到污水进行一级、二级预处理后排放,直到现在广泛采用的从近海延伸到深海可以满足一级处理深海排放的处置技术[1- 2]。在排海污水处置要求不断提高的背景下,针对排污口沉积的泥沙吸附氮、磷、重金属的环境效应研究有了明显进展[6- 8],然而目前对于排污口排出的悬浮颗粒输运与沉降规律的认识还不够充分。在以往的研究中通常将排水污水挟沙射流概化为静水或恒定水流环境下的挟沙射流,重点关注射流水体与泥沙之间的相互作用,定性描述不同区域内泥沙的输运和沉降特性,定量研究底部污泥的沉积速率和影响范围[9- 13]。虽然上述研究对挟沙射流中悬浮泥沙的扩散特性有了更加深入的了解,但在实际海洋环境中存在波浪、潮流等非恒定动力因素,在这些非恒定外部动力作用下挟沙射流将呈现出更加复杂的扩散和沉降特性。当前对波浪、潮流环境下挟沙射流研究还处于起步阶段,研究成果尚不能全面反映实际情况中排海污水挟沙射流的运动特征。
为更深入掌握排海污水挟沙射流的运动机理,本文对已有研究进行了回顾与梳理,评述了排海污水挟沙射流常用研究方法的优缺点和技术难点,并提出了可能的解决方案,为进一步开展潮流和波浪环境下挟沙射流泥沙输运与沉降特性研究指明方向,也为其他挟沙射流研究提供有益参考。
排海污水挟沙射流是指射流水体挟带一定浓度的悬浮泥沙快速进入海岸动力环境之中。根据国家标准《污水海洋处置工程污染控制标准:GB18486—2001》,在海洋达标排放情形下,排放口悬浮泥沙最高质量浓度不超过200 mg/L,因此可将达标排放的排海污水视为一种典型的低浓度挟沙射流,射流中的悬浮泥沙对周边水体运动影响可忽略不计。挟沙射流不仅涉及到射流水体与环境水体之间的相互作用,同时还与水体和悬浮泥沙以及泥沙之间的相互作用有关,是一个相当复杂的问题,研究时往往根据问题的特点对周围水体的动力环境做出一定的简化,在此基础上开展相关的研究工作。
1.1 静水环境下挟沙射流研究现状
在封闭式的海岸动力环境下,如潟湖等,环境水体流动性不强,可以简化为静水环境。根据污水射流排放的角度不同,静水环境下的挟沙射流可以大致分为垂直(向上)挟沙射流和水平挟沙射流,二者形成的挟沙射流特点差异明显。
就垂直挟沙射流(图1)而言,Jiang等[14]和Carey等[15]从试验和理论两方面对垂直向上与垂直向下的挟沙射流展开了研究，发现垂直向下射流的泥沙浓度沿射流轴线的衰减速率与泥沙沉降速度呈正比,与出口速度呈反比。Neves等[16]基于量纲分析方法建立了泥沙颗粒在沉降发生前的最大运动距离以及底部污泥体沉积速率的计算公式。Cardoso等[17- 18]依据泥沙沉降规律将挟沙射流分为3个区段:在射流近段,射流水体的动量较大,挟沙能力较强,因此泥沙颗粒基本不发生沉降；
在射流中段,射流水体的动量逐渐减弱,射流体中的部分泥沙颗粒失去足够的动量支撑转为向下运动并在射流口两侧底部沉积；
在射流远段(接近自由表面的区域),射流水体逐渐变为在水平方向运动,随着动量的进一步衰减其挟带的泥沙颗粒发生沉降,此时射流边界处仍在不断卷吸周边流体,下降过程的泥沙容易随水流重新卷入射流体内,形成二次卷吸,这种现象对射流出口两侧污泥体的沉积速率和范围可产生较大影响。
就水平挟沙射流(图2)而言,射流的初始动量主要作用在水平方向,而泥沙的重力作用垂直向下。在射流初段,由于射流水体动量较大,泥沙颗粒基本不发生沉降,挟沙射流的横断面含沙量分布与溶于水体的污染物浓度分布相似；
随着射流水体动量的下降,水体挟沙能力沿程降低,泥沙颗粒开始沉降,出现明显的“沙云”现象,横断面上的泥沙浓度分布曲线也发生相应变化(纵向不断拉长、横向不断缩短),最大含沙量的位置逐渐偏离射流中心；
最后,挟沙射流的横断面泥沙浓度分布曲线发展成一种马蹄形(也称倒U形),
图1 垂直(向上)挟沙射流 Fig.1 Vertical sediment laden jet
图2 水平挟沙射流(无浮力)Fig.2 Horizontal sediment laden jet(without buoyancy)
此时最大含沙量的位置已处于射流轨迹之外。与此对应,水平射流下方位置出现了明显的泥沙沉降区,其沿射流前进方向出现“快速增加—达到峰值—缓慢减弱”的空间分布特征,在底部形成了单一的污泥沉积体[19]。Liu等[20]通过在相机镜头前添加滤镜片的方式改进了粒子成像测速技术,并对泥沙速度和射流流体液相的速度场分别进行了分析，结果表明：当初始泥沙体积浓度为0.1%时,泥沙沉降对射流水体的运动几乎不产生影响；
但当泥沙体积浓度达到0.77%时,颗粒沉降过程中尾涡效应逐渐显现,射流水体有向下弯曲的现象。Pakseresht等[21]通过数值模拟结果发现：泥沙初始浓度越高射流平均轨迹向下弯曲趋势越明显,同时泥沙间相互作用也越发强烈；
当泥沙颗粒浓度大于5%时,体积位移效应变得重要,由于颗粒斯托克斯数对背景流场变化的响应时间快,反作用力较小,因此减小颗粒斯托克斯数会增加体积位移效应。
考虑到向海排放的污水往往是工业污水或生活污水,密度较海水要轻,因此周围水体对射流浮力作用不可忽略。在浮力作用下,水平射流水体将向海水表面偏转,当射流水体到达表面后,受边界条件约束,水体向四周扩散(图3)。在射流近段,浮力的作用相对较小,泥沙颗粒在射流水体速度快速减慢的背景下,开始大量下降,形成污泥沉积体的第1个峰值；
随着射流向前行进,部分泥沙颗粒被带至水体表面,随射流水体向四周扩散,在二次卷吸的作用下,部分泥沙颗粒重新进入射流水体,而另一部分泥沙颗粒受水体表面对射流垂向速度约束的影响,离开射流水体,形成底部沉积的第2个峰值[22]。Li[23]引入了特征浮力作用和泥沙沉降的2个指标,发现这2个指标之比是确定射流沉积形态的重要因素。
综上所述,受泥沙颗粒自身重力的影响,静水环境下挟沙射流中的泥沙与水体逐渐分离,产生沉降,并沉积在排放口附近。挟沙射流的水沙分离过程以及污泥沉积体的空间分布与射流出口的方向有直接关系,而浮力作用对泥沙运动会产生明显的影响,因此需要分类加以研究。
1.2 动水环境下挟沙射流研究现状
目前动水环境下挟沙射流的研究主要集中在恒定流作用下挟沙射流输运及沉降规律研究。Cuthbertson等[22]介绍了恒定水流环境下浮力挟沙射流较为详细的物理试验研究结果,图4为其研究结果的示意图。对比图3和图4可以看出,在与射流出口方向相同的水流作用下,浮力射流的水体明显向背水侧倾斜,而污泥沉积体向背水侧延展,且沉积速率明显降低。从污泥沉积体的平面分布来看,随着水流强度的增大,射流的侧向紊动受到抑制,泥沙随射流水体侧向输移的数量明显减少,污泥沉积体逐渐由马蹄形转变为“一字”形[22]。为了定量模拟Cuthbertson等[22]的试验成果,Terfous等[11]基于射流动量积分模型和简化的泥沙沉降速率公式,构建了适用于静止和恒定水流条件下低浓度挟沙射流二维数学模型,该模型可应用于快速预测不同水流条件下挟沙射流中泥沙淤积强度,但由于该模型沿射流水体径向方向做了积分处理,污泥沉积体平面分布的预测能力受到了较大的影响；
Lee[13]采用考虑泥沙分布不均匀性的双层积分模型对恒定水流条件下低浓度挟沙射流进行模拟,发现在特定恒定水流作用下污泥堆积体形态较为平缓,大部分泥沙颗粒被恒定水流裹挟从羽流中带出,很难到达水体表面。
图3 水平挟沙射流示意(考虑浮力)Fig.3 Horizontal sediment laden buoyant jet
图4 同向水流作用下的水平挟沙射流示意Fig.4 Horizontal sediment laden buoyant jet in crossflow
综上所述,动水环境下的挟沙射流较静水环境下的挟沙射流要复杂的多:一方面,环境水体与射流水体相互作用,使得作为泥沙运动主要载体的射流水体在形态上发生了显著的变化,泥沙输运和沉降的主体区域发生了相应的调整；
另一方面,当泥沙颗粒离开射流水体后,仍将受到环境水体的影响,其输运和沉降特性将随环境水体的运动发生进一步的变化。
1.3 潮流和波浪环境下纯水射流研究现状
在开放式的海岸水域,潮流和波浪是影响射流运动的2种主要动力因素。虽然目前对于潮流和波浪环境下挟沙射流运动特征的研究结果还未见报道,但关于潮流和波浪环境下纯水射流的研究成果已比较丰富,可为进一步开展潮流和波浪环境下挟沙射流研究提供重要参考。
潮流具有周期性往复运动的特点,学者们对长周期非恒定流环境中的射流开展了细致的研究工作。由于潮流的时间尺度比射流的长得多,在研究潮流环境中射流问题时,常常将潮流对射流的影响近似视为一系列准恒定流对射流的影响[24]。杨志峰等[25]采用标准k-ε方程模型,建立了潮流环境中垂向射流的数学模型,准确预报了回流区的高度,并分析了潮流非恒定性对回流区高度的影响。陈朝泉等[26]对潮流环境中垂直于岸线的侧向排污射流进行了数值模拟,发现在憩流时刻出现双回流现象,同时在此时刻污水排放口两侧聚集着高浓度的污染物质,影响区域最大。周连伟[27]采用动量积分法对非恒定环境中三维圆形浮射流进行研究,较准确地预测了浮射流的轴线轨迹以及稀释度变化等规律。赵懿珺[28]采用PIV- PLIF技术系统测量了整个潮周期内射流对称纵剖面上的流场与浓度场,揭示了射流的湍流结构和随潮扩散规律,提出了对称纵剖面上射流轴线稀释度的经验公式；
并采用k-ε模型建立了潮流环境中射流的三维数学模型,分析了射流空间涡流结构、浓度结构和分叉特性等。综上所述,潮流的非恒定性对射流的稀释和扩散确实存在一定的影响,潮流往复运动的特性可在一定程度上提高射流掺混与卷吸的强度。
由于波浪运动的周期相对较短,波浪水质点往复运动对射流的发展起到很强的牵制作用。在波浪作用下,射流的自相似性逐渐减弱,在其前行过程中可划分为初始弯曲段、过渡段和完全发展段[29]。在初始弯曲段,射流能够很好地保持自身的动量,射流体能够随波浪水质点进行周期性的左右弯曲；
在完全发展段,射流自身动量基本消失,射流水团随波浪左右振荡[30]。Hsiao等[31]、Mossa等[32]研究了波浪作用下射流的瞬时和平均流场特征,发现波浪作用显著增强了射流的紊动强度、雷诺应力以及平均展宽,波浪相位的影响不是很明显。Chen等[33]采用数值模拟对波浪环境中水平圆管浮力射流的运动特性进行了研究,考虑了相对水深、波高与水深之比、浮力对射流扩散的影响,发现波高与水深之比是影响射流扩散过程的决定因素。孙昭晨等[34]应用相位分析法研究了波高对射流紊动特性的影响,发现波高对射流的紊动特性有显著影响,并且对流项对波高的变化较紊动扩散项更为敏感。为了量化波浪对于射流运动及稀释的影响,前人各自选取了与波浪相关的不同参数进行刻画。周丰[35]选用特征波要素、初始速度和浓度等基本参数对射流时均速度沿轴线衰减和扩展宽度进行量纲分析,认为波浪水质点运动轨迹的水平半径是影响垂向射流特性的根本因素。Mori等[36]、Ryu等[37]定义了波浪- 射流动量比用来反映波浪作用的相对强弱,并将规则波环境中射流的瞬时形态分为对称连续型、非对称连续型、非对称非连续型3类。陈永平等[38- 39]采用组合特征参数法进行分析,得到了JONSWAP谱不规则波环境中射流轴线时均流速、扩展宽度和轴线稀释度的经验公式。鲁俊等[40]分析了不规则波(JONSWAP谱)环境中垂直湍动射流回流区域拟涡能分布特性及其掺混特性,发现波浪影响下射流时均速度衰减、拟涡能分布等与静止环境中有显著不同,并分析了波浪对射流轨迹线、雷诺应力、紊流能谱等的影响。de Padova等[41- 42]发现波浪作用下，在靠近自由水表面的流动区域中,波浪引起的最大水平速度对射流中心线纵向最大时均速度和横向长度尺度影响较大；
在离自由水表面较近的流动区域,波浪周期的影响比波浪最大水平速度的影响更大。综上所述,受波浪水质点周期性运动的影响,射流与环境水体间的相互作用明显增强,射流的扩展宽度和紊动强度大大增加,射流的稀释能力显著提高。上述结论同时适用于波浪环境下的垂直射流和水平射流[43]。
在潮流和波浪共存环境(简称波流环境)下，射流的掺混与稀释过程相比于潮流或波浪单一环境下的情况复杂得多。从2013年起,作者所在的研究团队针对波流环境下纯水射流的运动和稀释特性开展了系统的研究工作。Wang等[44]采用粒子图像测速(PIV)和激光诱导荧光(PLIF)技术对波浪和水流共同作用下垂向射流进行研究,发现了波流环境中射流所特有的“大尺度云团”现象(图5),基于瞬时射流比阐述了其形成机理,并依据实测资料得到了射流的运动轨迹、轴线速度和稀释度等的半理论半经验公式。Xu等[45- 47]利用大涡数值模拟研究了波流环境下垂直圆管射流的掺混和稀释特性,利用新定义的特征长度得到了关于波流环境下射流的一系列经验公式,发现流场中大量的涡旋使射流时均轨迹发生一定程度的扭曲,射流垂向及水平向紊动范围增加；
射流在交界面能更快地与环境水体掺混,射流内部水体也由于波浪的牵引发生了垂向交换,导致射流轴线时均速度衰减加快。此外，射流的三维流场结构也发生了明显变化,沿横断面方向的反向对称漩涡结构遭到了破坏,射流的主流线向下倾斜,导致射流水体有向底部弯曲的趋势[48- 49]。
图5 不同动力环境下射流水体的瞬时云图Fig.5 Snapshots of jet in different environment
综上所述,波流环境的存在对射流的影响较大,射流运动形态将发生显著变化,射流的水流结构也将发生较大的调整。可以预见的是,挟沙射流在波流环境下的运动规律与静水和恒定水流环境下的运动规律有较大差异,这种差异将对射流体中泥沙的输运和沉降过程产生何种影响尚不清楚,有待深入研究。
由于排海污水挟沙射流问题比较复杂,早期的研究多通过物理试验来实现,近年来数值模拟研究也得到了快速发展,下文将针对挟沙射流的物理试验和数值模拟方法分别予以介绍。
2.1 物理试验研究方法
目前排海污水挟沙射流物理试验研究内容主要包括射流运动轨迹、水- 沙速度场、水- 沙浓度场分布规律以及底部污泥体的沉积速率等,其中水- 沙速度场和泥沙浓度场的同步观测是物理试验研究的主要技术难点。
对于水- 沙速度场,大多采用基于光学原理的非接触式量测仪器,如激光多普勒流速仪(LDV)和PIV等来进行测量。由于试验需要同时测得固相和液相的速度场数据,因此涉及到分相的问题,目前相关学者主要采用以下2种方法进行:一种是利用物理硬件(滤光片)进行分相[14,20,50],另一种是利用图像后处理技术进行分相[51]。第一种方法对固相和液相分别予以标记,根据其反射激光波长的不同,通过安装合适的滤光片对固相和液相的速度分别进行测量(图6)。在此方法基础上,Liu等[52]进一步采用罗丹明荧光颗粒标记液相,配合滤镜片更好地对固相液相进行分离,改进了分相效果。第二种方法是利用原始图像中固体颗粒和射流水体中示踪粒子的大小及亮度不同对固、液相进行区分,但目前此种方法图像后处理计算较为繁琐,处理后的图片中存在较大的“盲区”(即没有足够的粒子),影响了测量精度,因此较少采用。
图6 粒子图像测速技术实测挟沙射流图像Fig.6 Snapshots of sediment laden jet using PIV
对于水- 沙浓度场,大多采用PLIF技术来进行测量[14,53],但由于激光的强度随距离增加发生明显衰减,其拍摄范围大小受到限制；
此外,荧光剂(罗丹明B)易与水中的氯元素发生化学反应,有可能导致测得的水体浓度系统性地偏小。Lee[13]采用激光照亮一个横截面,统计通过该平面的粒子数量间接推算该区域内所有固体质量从而得到水- 沙浓度场。Liu等[20]针对传统PLIF技术存在的问题,提出了一种较为新颖的浓度测量方法,即根据PIV所获得的原始图像统计一定区域内粒子的个数,进而根据单个固体粒子的质量推算出该区域内所有固体粒子的总质量,从而得出该区域的平均泥沙浓度。与传统虹吸管测得的数据对比分析表明,该方法具有较高的可靠性。此外，Liu等[54]将拍摄的所有灰度图像平均,根据颗粒反射的平均激光强度从而确定相应位置处泥沙浓度。为了区分液相和固相,可以尝试采用光学分相并采用PLIF同步观测的方式,但目前这种方法还处于探索之中[52]。
2.2 数值模拟方法
针对排海污水挟沙射流的数值模拟研究主要基于3种不同类型的数学模型，即基于拉格朗日场的积分模型、基于欧拉场的两相流模型以及基于拉格朗日- 欧拉场的粒子追踪模型。
基于拉格朗日场的积分模型主要依据试验研究得出的经验规律提出近似假定,对控制方程进行积分处理,将经典的偏微分方程转换为常微分方程,同时引入必要的边界条件,对简化后的控制方程进行数值求解[55- 58]。Ernst等[59]通过假定控制体内泥沙质量的变化率与控制体内泥沙总质量的关系对方程组进行闭合,以此建立了模拟挟沙射流的积分数值模型。Lane- Serff等[60]将泥沙沉降的判断标准定为颗粒沉降速度沿射流轴线的分量大于射流卷吸速度，同时将羽流环境中的泥沙沉降分为射流上下边缘沉降以及射流体到达自由表面后形成的表面羽流中沉降2部分，提出了基于射流上下边缘沉降的泥沙在中心截面上分布均匀假设的单层模型。Lee[13]在Lane- Serff等[60]模型的基础上提出了考虑颗粒分布不均匀性的双层模型，模型将泥沙沿射流体中心截面分布分为上下2层,考虑由于泥沙沉降作用导致上层泥沙向下层转移的现象；
通过和单层模型的对比,采用双层模型的积分模拟精度更好。Terfous等[11,61]采用卷吸系数来闭合液相运动方程,采用固体颗粒沉速与卷吸速度的关系闭合固相运动方程,以此建立了动水条件下的挟沙射流动量积分模型。
基于欧拉场的两相流模型假设固- 液两相均为充满整个空间的连续介质,根据固- 液两相的质量和动量守恒定律,通过雷诺时间平均推导得到水沙两相流的连续方程和动量方程。湛霞等[62]考虑水动力、盐度和泥沙共同作用对环境水体的影响,建立了盐度和泥沙输移扩散模型；
Huai等[63]假定水沙两相分别满足各自的质量方程和连续方程,但是能够通过压力和两相间的交换系数进行耦合,该模型考虑了水沙相互作用以及颗粒间的相互作用。近年来,基于欧拉场的两相流数值模型得到了长足发展,其中，Chauchat等[64]根据水- 沙湍流动能的传递特性，构建了反映水- 沙湍流相互作用的代数模型，改进了两相流模型中水相和沙相湍流运动的模拟效果；
Yu等[65]提出了与传统推移质输沙及悬移质输沙模型相比能够减少采用经验公式的两相模型；
Maurin等[66]利用三维离散元耦合一维流体动量守恒探究了底部斜率对于推移质输沙的影响；
Zhang等[67]通过摄动法求解了含沙水流的双流体方程,并导出了泥沙的漂移速度。基于欧拉场的两相流模型已在潮流和波浪环境下大范围水沙运动模拟中得到了较好的应用[68- 69]。
基于欧拉- 拉格朗日场的粒子追踪模型将液相的水流流体视为连续介质,以k-ε紊流方程[10,70]或大涡紊流方程[54]、动量积分方程[12]作为控制方程,采用传统离散法进行数值求解,计算得到背景流场；
将固相的泥沙颗粒视为分散介质,根据分散粒子在水体中受到的作用力建立粒子运动控制方程(粒子受到的力主要有质量力、拖曳力、压差力、升力以及颗粒间相互作用力等),捕捉每一个粒子的运动情况,获得泥沙颗粒统计平均的运动特征,进而得到整个泥沙场的分布情况。Chan等[12]利用粒子追踪模型成功模拟了挟沙浮力射流在静水环境中泥沙的输运和沉降过程；
施华斌[70]对水流作用下粒子与粒子之间的相互作用机制进行细致分析,引入随机碰撞模型对粒子运动控制方程进行改进,应用该模型成功模拟了明渠水流中悬沙的输运过程；
Jacobs等[71]将数据驱动方式引入模型,建立了一套描述颗粒流输运过程的不确定性量化模型；
Mofakham等[72]改进了连续随机游走模型,模型提升了不同尺寸颗粒的浓度分布及沉积速度上模拟精度。
从模拟精度和计算效率效果来看,以上3种方式各有所长,但也存在着相应的问题,需要根据挟沙射流所处的环境进行具体分析,对比选择较为合适的数值模拟方法。
随着科研条件的不断发展,人们对于排海污水挟沙射流的认识也不断加深。在初期阶段,受科研条件的限制,问题多聚焦于静止或恒定水流环境下射流自身的扩散和稀释特征；
随着研究方法的创新和研究成果的积累,开展波流环境下挟沙射流研究已成为可能。相对于静水与横流环境,波流环境下挟沙射流的泥沙输运受制于更加复杂的动力因子。在挟沙射流内部射流体与泥沙相互作用强烈,与此同时，外部环境水体对射流体扩散的影响不容忽视,而射流体与环境水体的相互作用又会影响泥沙的运动特性。在波浪、水流、泥沙及射流四大要素的相互作用下,泥沙势必会呈现出与恒定流条件下不同的输运方式和沉降形态。探究波流共同作用下的挟沙射流泥沙输运与沉降规律是排海污水射流研究的难点所在。
在物理试验中采用滤镜片对挟沙射流中水相和沙相进行光学分相并采用PIV和PLIF同步观测是一种较为合理的手段,不仅能够将关注点聚焦于泥沙输移与沉降规律,同时能够综合考虑水体紊动对于泥沙沉降的影响。但是将这些研究方法应用于波流环境时可能会出现如下问题:① 波流环境中激光器射出的激光在接触波浪自由表面时会出现散射现象,激光的光强在试验量测段内的稳定性不能得到很好的满足,试验测量结果误差较大；
② 采用常规的PIV和PLIF进行试验时每秒采样次数受激光器频率限制较大,从而在一个波浪周期中对波峰、波谷等特征相位捕捉上存在偏差,这些偏差对进一步分析各特征相位下挟沙射流的运动形态不利；
③ 波流环境中不同时刻射流形态迥异,为了保证数据质量需要引入2台相机分别观测水沙两相,2台相机的协调同步采集是决定试验数据质量关键因素。针对这些可能存在的问题,笔者认为可以采用在自由液面添加导光板(Wang等[44])解决波面反射问题；
采用连续激光器配合高速相机的新型PIV和PLIF采集系统提高采样频率,进一步分析挟沙射流的紊动特性；
利用标定板同时标定2台相机,并通过图像处理确保2台相机的拍摄范围一致。对于同步观测的问题可以通过添加同步器或者采用图像识别等手段分析2台相机相邻时刻的照片相似度从而获得同步观测的效果。
在数值模拟中基于拉格朗日场的积分模型较容易建立,数值求解较为简单且计算时间较短,但在复杂的动力条件(如波流环境)下存在部分假设适用性问题以及在描述挟沙射流泥沙堆积体的三维分布情况时存在较大模拟难度的问题；
基于欧拉场的数值模型采用时间平均的N- S方程,相对于基于拉格朗日场的积分模型在模拟波流环境下的挟沙射流时准确性有所提高,但是欧拉场模型也存在着无法预测颗粒间碰撞的问题。与上述2种研究方法相比,基于欧拉- 拉格朗日场的两相流粒子追踪法可以追踪挟沙射流中固体颗粒的运动状况,针对性地得到单个泥沙颗粒在不同外部环境作用下的微观运动行为，但是欧拉- 拉格朗日法相对于拉格朗日积分法以及欧拉法计算成本较高。除了不同模拟方法存在的时间成本与计算精度问题,波流作用下挟沙射流数值模拟中可能会存在以下问题:① 浮力挟沙射流会挟带泥沙到达自由液面形成表面流,水体表面流动模拟的准确性亟待提高；
② 波流作用下射流轴线弯曲,静水下假定泥沙沿射流体中心截面双层分布的积分模型有待调整。针对这些问题,笔者认为在微分模型中可以引入LS(Level set)法来捕捉波浪自由表面运动,在积分模型中可参考物理试验结果,修正波流环境下挟沙射流泥沙浓度的分布模式,以提高积分模型的模拟精度。
综上,笔者建议可以通过物理试验和数值模拟相结合的方法开展波流环境下挟沙射流的研究工作。一方面,基于物理试验对挟沙射流进行形态观测,获得直观认识,并对波浪- 水流- 射流- 泥沙的相互作用机制开展定性描述；
采用PIV、PLIF和图片识别等技术对挟沙射流中水沙两相的速度场、浓度场进行同步测量,对泥沙颗粒的沉积总量进行定量统计,为数值模型提供必要的验证数据。另一方面,数值模拟方面采用大涡紊流模型,准确模拟波流环境下不同角度射流排放的水流涡动结构；
基于粒子追踪法构建泥沙运动模块,计算泥沙浓度分布、底部泥沙的沉积速率和污泥沉积体的影响范围。同时综合考虑计算时间成本,建立一套基于拉格朗日积分模型用于解决快速预测波流共同作用下挟沙射流的底部沉积速率问题。最后,将试验测量结果与数值模型进行对比验证,在此基础上开展更多组次的数值试验,深入研究波流环境下挟沙射流的三维水沙运动特征,获取波流环境下垂直和水平射流的运动形态、速度场、浓度场以及固体颗粒沉积的定量分布规律,以实现波流共同作用下挟沙射流底部污泥沉积速率和影响范围的定量预测。
污水排海是污水排放中较为常见的一种方式,在潮流和波浪等海岸动力的影响下,排海污水所挟带的悬浮物呈现出独特的扩散与沉降方式。目前对排海污水挟沙射流的研究内容主要侧重于静水和恒定流环境下水- 沙速度场、浓度场以及悬浮物的沉积规律,研究手段主要包括物理试验和数值模拟。在物理试验中主要采用粒子图像测速仪、激光诱导荧光测速仪等非接触式量测仪器获取速度场、浓度场的数据；
在数值模拟中主要采用基于拉格朗日场的积分模型、基于欧拉场的数值模型以及基于粒子追踪法的数值模型构建水沙两相流模型。
在潮流和波浪共存的环境中，波流共同作用对射流掺混与稀释的影响较大,射流运动形态将发生显著变化,射流中悬浮物的扩散与沉降方式也将发生较大的调整。目前关于波流共同作用下挟沙射流的运动规律研究还处于起步阶段,随着研究技术的不断改进,开展波流共同作用下挟沙射流的输运与沉降规律研究已成为可能。
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