非稳态潜流交换过程研究进展.docx

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1、非稳态潜流交换过程研究进展吴成城，张小琴，鲁程鹏，束龙仓，刘波（河海大学水文水资源学院，江苏南京210098）潜流带是指河流河床内以及河岸带内饱和沉积层，地表水与地下水双向迁移和充分混合的区域1,是水系统进行碳循环、能量循环、营养循环的重要场所，为水生生物提供了生活、繁殖的区域。它增强了河流水文和温度的空间异质性，有利于生物化学的物质交换，同时通过生物作用、水流混合削减污染，具有环境缓冲的作用2。目前有关地表水和地下水的相互作用在国内外受到广泛关注3-4,已有许多学者针对潜流带潜流交换过程的研究进行了十分详细的总结。近年来，非稳态潜流交换研究正在逐渐受到国内外学者的关注,有关非稳态潜流交换过程

2、的研究成果大量涌现，但大多数学者只是针对个别研究方向进行细化，尚缺乏系统的研究分析。在对潜流交换过程进行试验模拟的时候，通常采用稳定的水流流动条件，这忽略了沉积物一地表水界面的压力随时间变化的特性，然而,自然系统中的水流流态很少是稳定的。此外，将介质视为均质已经不能合理地解释自然界中许多复杂的潜流交换现象5。与稳态流动条件相比，非稳态潜流交换通过频繁地改变河流或含水层的水流状态,导致潜流带中的热力学和生物地球化学过程亦随水流发生变化。短时间尺度和局部空间范围发生的物理化学作用过程对流域尺度潜流交换过程的总体累积效应贡献也是极其重要的。如果将这些因素过度简化，则会在一定程度上影响对潜流交换过程的

3、认识。近年来有关地表水-地下水系统交互作用的研究成果较多，但对非稳态潜流交换的物理机制、影响因素及研究方法等方面缺少系统的梳理。本文首先分析了稳态及非稳态潜流交换的主要影响因素及其影响机制；针对潜流交换常用的研究方法，指出其原理及适用范围；提出非稳态潜流交换的发展趋势，揭示其对于水资源管理和河流生态保护的重要意义。1潜流交换过程的影响因素潜流带中动量和溶质的转移过程可以发生在一个几秒内形成的毫米级涡旋中，也可以发生在形成时间长达数年的千米级曲流河道流动路径中，潜流交换广泛发生且具有不同的时空尺度。现有研究表明，能够影响潜流交换的因素很多6-7,根据其是否随时间发生变化，可分为稳态要素和非稳态要

4、素。其中随着时间变化不会发生自身特性变化的要素，如河道几何形态、沉积物非均质性等，即为稳态要素，现阶段有关稳态要素的潜流交换研究已较为成熟。反之，如地表水水动力条件、生物作用等随时间变化而变化的要素，即为非稳态条件，这也是当前阶段学者关注并快速发展的研究方向。值得注意的是，稳态要素与非稳态要素是就影响因素本身特性而言，两者并不是独立存在，如河道几何形态与地表水水动力条件，两者存在互为影响的关系，需要根据研究对象确定主导要素，然后重点对其进行研究。1. 1河道几何形态河床的几何形态特征属于典型稳态要素，对潜流交换的影响主要体现在2个方面：不平整的床面结构和河道曲度变化。这是影响地表水与地下水之间

5、进行交互作用的重要驱动因子。河道几何形态驱动的潜流交换，本质上是多尺度的，从单个颗粒到河床和坝体，河道在各个尺度上都呈现出不同的几何形态。受沉积物粒径分布及区域地形等特征的影响，局部水头梯度会出现交错压力分布，驱使水流完成潜流交换过程。自然河流中，河道会形成天然的不平整河床以及曲度较大的河道走向，有利于冲积层的侧向堆积，会在一定程度上干扰河道中的水流运动，导致地表水-沉积物界面不同方向存在不相等水力梯度，形成以对流、平流为主要方式的局部水流运动。水流从高水力梯度区流入潜流带，再从潜流带流出到低水力梯度区，完成潜流交换的过程。目前国内外学者主要采用化学试剂示踪法以及热量示踪法为主要研究手段，探究

6、不同河道几何形态对潜流交换过程产生的影响。陈孝兵等8为揭示河床形态特征引起的潜流交换规律，通过NaC1示踪试验对比分析了4种河床地形驱动下的潜流交换过程;PhiniPS等9分析了细颗粒在泥沙形态动力学背景下的迁移过程，总结出了细颗粒溶质运动过程受河床形态的影响规律。以河流曲度、河床微地形特征等几何形态为研究对象，对潜流交换生物地球化学过程及能量传输过程的研究已较为成熟。1.2 沉积物非均质性沉积物非均质性是潜流带和潜流交换的基本属性，随机性和结构性是沉积物非均质性最为显著的2种特性2,其自身特性不随着时间变化而改变，属于稳态要素。潜流带中沉积物的非均质性是渗透系数存在空间变化的表现，直接影响沉

7、积物中的孔隙大小及孔隙的连通性,会导致潜流带中孔隙水停留时间、氧化还原条件和营养盐浓度等的不同。渗透系数的空间分布会影响含水层中溶质的迁移转化，渗透系数的时间变化也会影响地表水-地下水系统的水量、物质、能量交换的时间差异。不同河床环境下的泥沙运移过程和水流特性是渗透系数发生瞬变的重要驱动因素。河流向地下水系统中的补给量和地下水系统向河流的排泄量与沉积物渗透系数的大小及变化情况息息相关，因此沉积物非均质性是控制潜流带的生物地球化学通量变化的关键因素，对潜流交换过程的研究具有重要意义。通过改变沉积物的种类、含量及分布能够对沉积物非均质性特征进行不同程度的刻画，这也是研究沉积物非均质性对潜流交换影响

8、的主要出发点。MarttiIa等10在12个室外半天然河槽中加入不同砂量以改变河床底部沉积物的渗透系数，随之进行了一系列示踪试验，探究了流动条件和加砂量对砾石层潜流交换的贡献；Mathers等11通过沉积柱内的试验，探究了新增细颗粒沉积物对潜流带中生物垂直分布的影响。目前室内试验及数值模拟技术是探究沉积物非均质性对潜流交换过程影响的主要手段，但天然河道沉积物非均质性对潜流交换过程产生的影响还缺乏有效的原位监测手段，这一研究方向有待学者继续深入。1.3 河道中水工建筑物的修建河道中的水工建筑物如堰、拦河坝等，通过阻碍水流和耗散能量来控制和改变水流条件。水工建筑物的修建对潜流交换既有积极的影响,也

9、有消极的影响。这些建筑物可以影响河流水位，并能影响河岸漫滩含水层中的地下水流动12。水工建筑物的运行可以调节河流水位,流量的短期高频变化也会导致河流水位的快速变化，从而在垂向、横向和纵向3个维度上影响河流廊道，并随着所处河道位置的变化而产生广泛影响。在水工建筑物的上游，建筑物使河流保持在高水位，水流速度相对较小，可以看作稳态要素。较高的河道水位会导致相邻含水层地下水水位升高，地下水流动模式变得更加复杂。可以明显地观测到河流水位的上涨以及河流流速的降低，使得细泥沙颗粒会沉积到河床底部，降低河床底部沉积物的渗透系数，减小潜流交换的强度。在水工建筑物的下游，当泄水建筑物开始运行时，水流流速变大，此时

10、水工建筑物的存在就属于非稳态要素。由于高流速水流具有更强的冲刷作用，粗颗粒沉积物中的泥沙含量会相对自然河道减少，意味着河床沉积物的渗透性变化会影响下游的潜流交换通量，水流紊动强度更大，对潜流交换过程呈积极的促进作用。水工建筑物的修建在一定程度上通过降低潜流交换强度、地表水与河漫滩之间的水文连通性，减弱了暴雨驱动和季节性水循环对河流廊道的水文影响13。由于水工建筑物的结构各不相同，在不同的流量条件下，这些结构产生的作用也不尽相同，因此，要量化水工建筑物结构对潜流交换过程的影响，需要对上下游的流量变化情况进行更严格的监测分析，才能得出更加精确的结论。1.4 地表水水动力条件大量的试验和研究成果表明

11、14-15,地表水水动力条件对潜流带的水量交换、热量传输的影响差异非常显著。地表水水动力条件根据地表水流速相对大小可分为静水条件与动水条件。静水条件是指湖泊、水库上游潜流带等地表水流速较低的情况，随时间变化的程度较小,在大多数研究中被视为稳态要素。在这种条件下，潜流带周围的水流流速较小，潜流带多为淤积的细沙、黏土等物质，进行的潜流交换主要取决于地表水水位与地下水水位的高差变化情况以及沉积物的渗透系数。河流水位的变化会引起河岸蓄水效应，在高水位期间，水暂时储存在河岸带中，然后在河流水位降低时释放回河流，随着河水渗入河岸带，河水中的物质成分被输送到河岸含水层，在其中发生物质的交换和相互作用后又返回

12、河流中。动水条件是指河道、大坝泄洪口下游等地表水流速较高的情况，通常会产生变化剧烈的下游水流，水流随时间变化而产生复杂的变化，属于典型的非稳态要素。这种高度动态的地下水流加强了河流和含水层之间的潜流交换，水深的变化会同时改变河流的水位和潜流带的分布范围，从而驱动水力梯度的时间变化，促进地表水与地下水的相互作用，为生物地球化学反应创造条件。ZhU等16利用二维水流溶质运移耦合模型，系统地研究了洪水波驱动下的氮元素循环过程及其时空分布；Ferencz等17利用在COMSO1实现的二维变饱和地下水流有限元模型，对泄洪条件下大坝周围及下游IOOkm范围内的潜流交换进行了分析。1.5 生物作用大多数关于

13、潜流交换的研究都集中在水流扰动形成的河床结构上，并与潜流带中的生态过程隔离开。然而，生活在河床底部沉积物周围的生物也会改变河床的地形结构，并对潜流交换产生影响18。潜流带动物种群通常随深度而变化，生物移动、定居、收集食物、寻找庇护所的过程都能引起非稳态潜流交换过程的变化，这些要素随着时间的变化对地表水-地下水系统产生不同的影响，属于非稳态要素。潜流带是河流生态系统的重要组成部分，潜流带周围的微生物活动也会对潜流交换的过程产生影响。携带着各种化学元素、营养物质及污染物的地表水进入潜流带后，会产生一系列的生物地球化学反应，随后又从潜流带中排出到地表水系统中。地表水系统中的微生物会受潜流带中排泄物质

14、的影响，能够吸收其中的营养物质以供自身生长，微生物繁殖所形成的菌落以及其他的物质，混合在沉积物界面以及沉积物之中，造成沉积物的孔隙度下降，降低潜流带的渗透系数，影响潜流交换过程，这个过程可称为生物堵塞。生物作用影响非稳态潜流交换的另一重要途径是生物扰动作用。生物扰动是指潜流带中生活生长的微生物由于自身觅食、繁殖、迁移等生命需求，对潜流带中沉积物的颗粒进行扰动、扩散、最后沉积再分布的过程19。生物扰动有助于维持潜流带的结构和垂直水力梯度。生物的主动或者被动活动过程会导致河床沉积物形成压力差，在压力差的作用下，水流会进入河床沉积物孔隙中，影响其中的生物代谢。这一过程影响了沉积物中孔隙的重分布以及沉

15、积物的物理化学特性，从而对非稳态潜流交换过程产生相当程度的影响。2潜流交换过程的研究方法水量交换是潜流带物质交换、能量传输的基本载体，影响着热量交换、物质溶解等物理化学过程在内的瞬态过程，对潜流带水量交换的监测是研究地下水-地表水相互作用过程的重要基础20。本文主要对潜流交换研究中涉及到的水量监测方法进行总结。国内外许多学者针对潜流带潜流交换的研究采用了许多不同的研究方法，如现场监测、数值模拟和室内试验等都是研究潜流交换过程的有效手段，这些常用方法对稳态潜流交换过程的研究起到了重要作用。但对于非稳态潜流交换过程的研究需要在这些常用方法的基础上进一步改进，得到精度更高、成本更低、更易于操作的研究

16、方法。2. 1室内水槽试验由于河床形态的复杂性和多样性，采用室内水槽试验探究潜流交换的物理机制是一种有效的研究手段。通过改变试验水槽的水流流量、流速等水力参数，选择砂石、砾石以及黏土等物质作为材料构造河床底部沉积物，可以模拟河床结构、河流几何特征、水动力条件等对潜流交换的影响，进行量化研究。室内水槽试验易于操作，且试验效果十分直观，可以节约大量试验时间与成本，不仅可以方便稳态潜流交换过程研究，而且在非稳态潜流交换过程研究中也具有巨大的优势，如探究非稳定水流、生物扰动作用等非稳态影响因素对潜流交换过程产生的影响，由于这种方法的可视化程度高且操作难度低，已成为目前非稳态潜流交换过程的主要研究方法之一。2.2 渗流仪直接监测法河床中的生物地球化学梯度很陡，并且可以在短距离内发生明显变化,这使得精准描述潜流带中生物地球化学过程具有挑战性，是非稳态潜流交换过程研究的一大难点。渗透仪测量方法是直接量化地表