沉积物-水界面层是沉积层与上覆水体间进行物理、化学、生态作用的主要场所,其中的沉积物-水界面是海洋物质输运和交换的重要界面。近海与河口区域是陆地与海洋交互的重要过渡区域,河道淡水经过河口、近海到达远端的大陆架,近海区域与河口区域既有共性又有其特殊性。近海区域盐度时空变化幅值较小,潮汐作用显著,沉积层与上覆水体间以压力梯度、剪切应力为主要驱动力。河口区域除了受到潮汐作用,还受到河道径流、盐度梯度的影响。近海区域与河口区域沉积层与上覆水体间物质输运与交换过程受到两者间水动力环境的影响显著。当前,现场观测以及物理实验受制于技术、作业条件限制,对潮流、盐度梯度作用下沉积物-水界面层水动力特性的研究仍十分有限。因此,探讨近海与河口区域沉积层与上覆水体间水动力机制对海洋环境动力学理论研究和预测预警有重要的现实意义。本文根据从研究动力相对简单的近海水域到复杂的河口水域,从研究单纯上覆水体水动力到沉积层与上覆水体间水动力的思路,开展了潮流、盐度梯度变化作用下沉积物-水界面层的水流运动过程数学模型的研究,探讨了其过程中沉积物-水界面层的水动力特性。主要的研究工作和成果如下:(1)基于非恒定雷诺平均Navier-Stokes方程,采用了混合网格对不规则结构物截面以及不规则底床变化进行局部精细网格划分,建立了近海水域潮流运动小尺度精细模型。通过与实测数据进行对比验证,并应用于海底开挖工程的水流运动模拟,结果表明;所建立的潮流运动小尺度精细模型能够合理描述潮流运动的水流要素特性。水流经过基槽时流速减小50%~60%,在涨急、落急的阶段,基槽内均存在涡旋,涡旋发生于背水坡一侧。而在迎水坡一侧水流发生强湍动,湍流粘度和雷诺剪切应力较大。涨、落潮过程中涡旋和强剪切应力的作用,推断基槽工程发生“北厚南薄”冲淤现象的动力影响因素。(2)基于具有多孔介质性质的雷诺平均Navier-Stokes方程及雷诺应力输运方程,为了体现沉积层内湍动效应引起的非线性作用,在动量方程内加入Darcy-Forchheimer修正项,采用全水分层计算方法,将空气层、上覆水体层与沉积层均作为流体域,建立了近海区域潮流作用下沉积物-水界面层水动力数学模型。通过与实测数据进行验证,对比了不考虑沉积层影响与考虑沉积层影响的水动力要素,结果显示:所建立的沉积物-水界面层水动力数学模型能较好地模拟近底层的流速分布。相比较于达西项,DarcyForchheimer修正项更能够表现沉积物-水界面层的湍动效应。沉积物-水界面层的湍动能、湍动耗散率、湍动能生产率等湍动特性随潮流具有周期性变化,沉积物-水界面的动量交换以湍动扩散作用为主,由此可见潮流运动对沉积物-水界面层的水动力特性变化有直接作用。(3)基于具有多孔介质性质的雷诺平均Navier-Stokes方程和盐分输运方程,建立河口区域小尺度精细盐水入侵运动数学模型。数值模拟了物理模型无径流无潮、无径流有潮盐水入侵运动过程,结果表明盐水入侵运动的水流要素及形态特征与实验数据及前人已有研究成果吻合,所建立的河口区域盐水入侵运动数学模型能够合理模拟潮汐、盐度梯度驱动下的盐水入侵运动过程。探讨了盐水入侵头部的水动力特性,得到了剪切力梯度变化是盐水入侵头部垂向混合作用强的主要原因。(4)应用河口区域盐水入侵运动数学模型数值模拟了上、下游边界具有恒定盐度情景下沉积物-水界面层的水流运动过程。研究结果表明:与近海区域不同,在河口区域内流速垂向结构更加复杂。在涨潮阶段,在沉积层表层具有明显的盐度间断层,而且盐度间断层的位置随时间越往沉积层下层。在落潮阶段,沉积层与上覆水体间盐度梯度小,沉积层表层不存在盐度间断层。