潜流带水文-生物地球化学:原理、方法及其生态意义

精确量化潜流带水文交换和生物地球化学反应一直是一个挑战,潜流带水文-生物地球化学研究的核心任务是将小尺度上的水文通量及生物地球化学反应动力学与更大尺度上它们对河流水质和生态的累积效应关联起来.基于潜流带水文-生物地球化学耦合原理,系统综述了渗流仪测量、测压管测量、示踪剂注射试验、温度示踪等潜流带水文学研究方法以及野外示踪试验、室内培养试验等生物地球化学研究方法,针对性地评述了潜流带水文-生物地球化学过程在更大尺度上的累积效应及其对河流生态系统的重要意义,并指出未来的研究将从潜流带研究技术方法的先进化、水文地貌理论与模型的深入化和潜流带生物地球化学过程的尺度化等方面持续地发展.      

热示踪在潜流带中的研究进展

潜流带是地表水—地下水生态系统中的重要部分,它对供水滞洪、水污染控制、河流生态保护均具有巨大作用。在潜流带的研究中,热示踪技术可以很好地应用于渗流速度、有效热扩散系数等参数估计,揭示潜流带中的物质与能量交换的过程。热示踪有着装置布置简单、环境效益友好、时间跨度优越等优点。传热机制作为热示踪基础理论中的重要部分,在以往国内的研究中缺乏深入的阐述。本文以传热机制为切入点,介绍不同河道中热传递方式的差异,简述传热方程及历来研究中解析解、数值解发展,最后探讨该技术面临的挑战及未来可能的发展方向。     

胶体颗粒在潜流带中沉积过程及机制

潜流带是河流地表水和地下水交混区域,是河流中重要的物质能量交换和水生生物栖息的场所,而胶体颗粒在潜流带中沉积,会改变潜流带中的水动力结构和生态环境。本文利用室内循环水槽实验和多物理场耦合的数值模拟方法,旨在研究胶体颗粒在河流上覆水与潜流带中的迁移过程和胶体颗粒在潜流带中沉积分布特征及其对不同因素的响应规律。结果表明:河流上覆水中胶体会逐渐被河床截留且截留胶体集中于河床浅层;沙波水平方向截留量呈现出迎水面较高、背水面较低的趋势;胶体在潜流带沉积的主要机制是潜流交换、颗粒沉降与河床截留作用。本文能为胶体颗粒在潜流带中的生态环境作用研究提供科学依据,并为河流生态环境修复、河流健康管理提供理论支持。     

河流潜流带地表-地下水过程对典型水生生物活动的响应研究进展

河流潜流带是地表-地下水连通和交换的主要区域, 地表-地下水过程不仅促进了生源物质的迁移转化过程, 还能涵养水源、稳定区域生境, 为水生生物提供良好的栖息环境。因此掌握水生生物活动与地表-地下水交换关系是深刻认知和科学保护水生生态系统的关键。本文综述了前人有关水生生物活动反馈于地表-地下水交换过程的研究, 例如, 底栖微生物形成的生物膜可以吸收或滞留生源物质, 改变迁移的时间和路径; 水生动物的行为可能通过改变河床渗透系数和孔隙率等物理参数影响各类物质的地表-地下水交换通量; 水生植物对水流的阻滞和扰动也会作用于地表-地下水交换过程。基于目前研究, 本文提出了该领域的3个未来研究方向: 潜流交换和水生生物互馈理论, 水生生态功能与地表-地下水相互作用关系, 河流潜流带生物-地球-化学耦合过程。     

河道潜流交换水动力过程现场监测研究进展

河道潜流带是河水与地下水交互作用的关键过渡区,具有高度的动态性和敏感性,频繁的水力交换易引发其内部的生物地球化学反应,并对河流生态安全产生重要影响。为提高河道潜流交换水动力监测结果的真实性和有效性,介绍渗流、水压、溶质、温度等监测方法及其适用性,归纳河床和河岸的监测点布设参数和不同监测手段的数据采集频率,系统总结河段、河床及河岸的潜流交换理论与计算方法,探讨导致潜流监测结果不确定的因素。针对现有监测方法的不足和未来研究的发展方向,提出今后需加强多方法联合监测和多技术集成的应用,开展河岸侧向潜流监测及不确定性分析等工作,为潜流带水文-生物地球化学过程耦合机制研究提供可靠数据。     

河岸带潜流层温度示踪流速计算方法

为揭示低温水影响下的河岸带潜流层的温度场和流场分布特性,利用野外水温水位实时监测试验,研究河岸带潜流层温度场在不同季节、不同空间位置上的分布特性,并利用水温资料计算获得地下水流速。结果表明:河岸带潜流层温度场在夏季和冬季分别呈现出"上暖下冷"和 "上冷下暖"的温度分层现象;通过对温度示踪方法的4种计算方法进行分析比较,得到Hatch相位法计算的地下水流速具有较高的准确性,在2014年12月15—31日时段内流速大小为1.03×10-4~7.96×10-4m/s,在空间上,断面深度增加,地下水流速降低,且不同深度流速曲线接近平行。     

基于~(222)Rn的马莲河下游地下水补给河水空间差异特征研究

河水和地下水转化关系的定量评价是流域水资源量管理和合理利用的基础。在西北内陆马莲河流域下游开展氡同位素示踪,利用河水222Rn通量模型评价了地下水沿河排泄强度。结果表明:地下水222Rn活度高于河水1个数量级,潜流带水222Rn活度受河水、地下水混合作用及沉积物氡释放影响。马莲河下游均为白垩系环河组地下水排泄补给河水,累计排泄量4.5 m3/s,占河流流量的73.2%。排泄强度存在空间变异,上段及下段为地下水强排泄区,中段作用强度较低。模型不确定性主要受地下水端元、潜流带输入及气体逸散系数三个因素控制,222Rn示踪方法在地下水补给河水型地区较为适用。     

河床地形影响潜流交换作用的数值分析

选取对潜流交换具有重要影响的河床地形作为主要研究内容,采用数值模拟(MODFLOW程序)的方法研究在河床横剖面地形不均匀的条件下,潜流交换量的空间分布以及地下水流场的演变机制。结果表明:在河床地形起伏不均的情况下,潜流交换量更易发生在河道的深水区域;地下水流向受河床地形影响较小;近河床界面处的地下水流速受地形起伏影响剧烈,深水区域的地下水流速远大于浅水区地下水流速;通过与现场试验结果对比分析,得出河床地形起伏是引起潜流带渗透系数非均质现象的重要原因之一。     

基于连通性恢复的潜流带生态修复研究进展

潜流带是流域生态修复的关键区域之一, 潜流带修复的根本目标是恢复水系间的能量流通、物质传递和信息流动, 即恢复潜流带的连通性。对于潜流带连通性恢复而言, 应统筹考虑水文连通性、生态连通性和功能连通性等多层次的内容。潜流带生态修复相关研究主要基于流体动力学、地质学和生态学等基础理论, 剖析潜流驱动的生物地球化学耦合机制, 研发可促进潜流交换和恢复生物多样性的生态修复技术, 实现潜流带水文条件的改善与生物物种的恢复, 进而达到潜流带生态系统结构和功能综合性修复的目的。本文从潜流带水文连通性、生态连通性和功能连通性等多层次出发, 从潜流带流体动力学性能、介质性能、生物群落组成、食物网结构及环境生态功能等方面, 综述基于生态修复目标的潜流带连通性恢复理论与技术进展, 以实现潜流带生态系统整体稳定性的提升。在未来潜流带生态修复理论与应用研究中, 需发挥多学科交叉的优势, 耦合多组学方法对潜流带生态过程进行微观探索, 系统探究时间和空间尺度上潜流带生态修复过程的演替规律, 进一步构建多因素作用下的潜流带生态修复框架体系。     

地下水温度示踪理论与方法研究进展

对地下水温度示踪理论与方法的相关研究做了评述,介绍了当前地质体中温度场与渗流场耦合作用模型、数值模拟技术和渗流参数反演方法,并从温度示踪方法的两个主要应用领域:地表水与地下水交换和工程地下水渗漏探测(以堤坝为例),说明地下水温度示踪的应用研究.在地质体中温度场与渗流场耦合模型方面,裂隙介质、非饱和带、复杂边界条件和非D...     

A review on using heat as a tool for studying groundwater–surface water interactions

In terms of the research on groundwater–surface water heat-tracing methods, investigation of the interactions within the compound system of the groundwater–surface water–hyporheic zone can effectively reveal the relevant physicochemical processes and microbial properties. The evaluation of these properties represents a key component in qualitative and quantitative research on groundwater–surface water interactions. Therefore, this paper reviews the research results on groundwater–surface water interactions achieved by related researchers using heat as a natural tracer over the last decade. In connection with the application of heat-tracing theory to the basic principles of hyporheic exchange between groundwater and surface water, research on groundwater–surface water interaction through one-dimensional steady-state and transient-state heat transport analytical models, techniques to collect and analyze temperature time series data, and numerical simulation technology is reviewed. In addition, directions for future research using groundwater–surface water heat-tracing methods are suggested. First, hypothetical, difficult temperature boundary and hydrogeological conditions require further research. Second, hydrodynamic exchange capacity and the processes of heat exchange and solute concentration exchange in the hyporheic zone alongside riverbeds should be appropriately and accurately measured under multi-scale influences. Third, the overall study of the heat transport process inside the hyporheic zone induced by complex riverbed forms should be performed, and the response mechanism of riverbed hyporheic exchanges driven by riverbed form, the hydrodynamic force of surface water, and sediment permeability should be revealed. The objectives and goals of this paper are to encourage scholars interested in analyzing groundwater–surface water interactions using heat as a tracer to creatively solve practical problems and to improve the ecological functions of river aquatic habitats through new research results.     

左江中游岩溶峰林区河流交互带水化学特征与控制因素

岩溶交互带是连接岩溶含水层与地表河流的重要通道,对河流和地下水水质具有重要的保护作用。本研究选取左江中游岩溶峰林区河流交互带为研究对象,在丰水期(8月下旬)和平水期(10月下旬)对交互带内机井的水化学进行现场测试分析,并结合地下水流动系统理论探讨左江两侧岩溶交互带空间分布特征和控制因素。研究结果表明:左江水的电导率(EC)较小、Ca^2+、HCO3^-浓度较低,两岸机井中增高;pH、温度、DO的变化则相反,呈现出左江高,两岸机井中降低;交互带内形成了具有DO、pH值梯度、温度梯度、Ca^2+和HCO3^-梯度的混合区。左岸岩溶区补给径流面积大,地下水流动系统范围大,流线密集,岩溶十分发育,形成岩溶管道系统;右岸为左江包围的河间地块,地下水流动系统范围小,补给面积有限,流线稀疏,岩溶发育深度和强度受到限制。左江两岸不同规模的地下水流动系统导致两岸岩溶发育强度明显不同,造成河流交互带范围的巨大差异,左岸的范围大于1000m,而右岸的范围在200m以内,左岸是右岸的5倍以上。本研究有助于左江沿岸地下水的开发利用和水质保护。     

水位变化影响下的河水-地下水侧向交互带地球化学动态

为了解不同水位变化影响下的河水与地下水侧向交互带地球化学特征动态,以重庆市马鞍溪为研究对象,选取丰水期向枯水期过渡的10-12月为研究期,对河水、地下水及交互带的水位、水温、溶解氧（DO）、pH值、电导率（EC）进行监测,结合对水体主要离子浓度的分析。结果表明,随枯水期到来,侧向交互带水位发生较大变化,交互带与河水间的水位梯度缩小,河水入渗动力逐渐减弱。水位的变化及入渗水温的降低,使交互带微生物活动减弱,pH值上升且变幅减小,DO上升。在其影响下,交互带EC下降,变幅减小,交互带对NO₃-、SO₄2-的净化能力降低,对Mn、Zn等重金属固定能力增强。通过分析交互带地球化学特征的变化,可推断出随马鞍溪枯水期的到来,侧向交互带边界由距河岸30~50 cm移动至距河岸30 cm以内。     

水库运行对漫湾库区洲滩水热交换影响

以澜沧江漫湾水库库区洲滩为研究对象,依据水库运行导致的水位波动特征,同步监测洲滩内部水位、水温变化过程,核算洲滩侧向潜流交换量,建立水温与水位之间的响应关系,分析潜流交换水流路径上溶解氧、溶解性碳素变化。结果表明:水库运行引起洲滩水位周期性波动,侧向潜流交换加强,洲滩水位最大变幅达2.2 m,水库一次蓄泄过程进出洲滩的水量达3 956 m^3,洲滩边缘区潜流交换量为中心区的4~5倍;在涨水过程中,洲滩水温下降,中底层温度梯度较大,而在落水过程中,洲滩水温上升,中表层温度梯度较大;溶解氧、溶解性有机碳和无机碳在河流至洲滩潜流交换路径上同步递减,分别从3.27 mg/L、7.3 mg/L和66.0 mg/L下降至0.17 mg/L、2.4mg/L和40.6 mg/L。水库运行导致的水位波动加强了库区洲滩潜流交换,对河流物质循环产生潜在影响。     

Delineation of spatial-temporal patterns of groundwater/surface-water interaction along a river reach (Aa River,Belgium) with transient thermal modeling

Among the advances made in analytical and numerical analysis methods to quantify groundwater/surface-water interaction, one methodology that stands out is the use of heat as an environmental tracer. A large data set of river and riverbed temperature profiles from the Aa River in Belgium has been used to examine the spatial-temporal variations of groundwater/surface-water interaction. Exchange fluxes were calculated with the numerical heat-transport code STRIVE. The code was applied in transient mode to overcome previous limitations of steady-state analysis, and allowed for the calculation of model quality. In autumn and winter the mean exchange fluxes reached ?90 mm d^?1, while in spring and early summer fluxes were ?42 mm d^?1. Predominantly gaining conditions occurred along the river reach; however, in a few areas the direction of flow changed in time. The river banks showed elevated fluxes up to a factor of 3 compared to the center of the river. Higher fluxes were detected in the upstream section of the reach. Due to the influence of exchange fluxes along the river banks, larger temporal variations were found in the downstream section. The exchange fluxes at the river banks seemed more driven by variable local exchange flows, while the center of the river was dominated by deep and steady regional groundwater flows. These spatial and temporal differences in groundwater/surface-water exchange show the importance of long-term investigations on the driving forces of hyporheic processes across different scales.     

床面形态驱动下潜流交换试验

为揭示河床形态特征引起的潜流交换规律,构建循环式水槽装置,通过NaCl示踪对比分析了4种河床地形驱动下的潜流交换规律,并基于扩散理论探讨了潜流交换与地表水水动力及床沙渗透特性之间的关系.结果表明,潜流交换可以发生在平坦河床地形,且交换速率随地形起伏度和雷诺数的增大而增大;在相似的地形条件下,地表流速是影响潜流交换速率的主导因素,地表水深对潜流交换速率影响较弱;此外,分析表明,有效扩散系数与河床特征粒径之间具有2次方幂率函数关系,且与河床渗透系数成正比;交换深度d正比于雷诺数Re的1/2次方.     

汉江下游河水-地下水侧向交互带中溶解态锰的分布特征

江汉平原浅层地下水中锰含量普遍较高,探究锰在河流交互带中的分布特征有助于认识交互带中锰的生物地球化学过程,对水质的保护具有重要指导意义.通过监测汉江下游侧向交互带河水、地下水中溶解态锰含量及其相关指标,分析不同河水-地下水交互作用方向下溶解态锰的时空分布规律,并探讨其成因.结果表明:研究区侧向交互带中靠近河岸带区域存在溶解态锰的富集,且在有局部反向流的地方锰含量较高;该局部富集的现象在河水补给地下水的交互带中更加明显;泄洪后该富集区域随水流方向发生迁移;研究区地下水中锰的含量与HCO₃-、Ca2+、Mg2+呈极显著正相关,与NO₃-、Fe2+显著负相关,但与交互带地下水中Eh和pH不相关.交互带溶解态锰的时空分布受地形条件、水动力和水化学的共同影响.      

大坝下游河岸带冬夏季水热交换特征对比

为对比水库下游河岸带冬夏季潜流交换特征及温度场分布规律,在新安江大坝下游开展了河道水、河岸带地下水的水位与温度监测,并结合达西定律推广式等理论进行了分析。结果表明:不论冬夏季,侧向潜流交换量与河道水位呈逆时针“绳套”关系,且离河道越近潜流交换强度越大;冬、夏季潜流交换强度与补给方式存在明显不同,在近河岸处单宽交换总体积分别为55.23 m3（周）、75.08 m3（周）,夏季主要为河道补给河岸带,冬季相反,此外,夏季交换范围更大且交换更快;河岸带温度场受低温波动水影响显著,在垂直方向上夏季表现为“上暖下凉”,冬季相反,在水平方向上夏季低温传播距离较大,且具有明显的分区。因此,在水库下游河流生态治理过程中,应适当考虑不同季节的影响。