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。     

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.     

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。     

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。     

沉积物—水界面水流通量研究之渗流仪直接测量法回顾与进展

正湿地沉积物—水界面的地表水—地下水交换通量对水环境的水文循环、水量均衡、水质变化、生化反应和生态环境效应等具有关键作用和重要意义。目前,在河流、湖泊、海洋等湿地区域的研究中,越来越多的研究者认识到地表水-地下水交互作用是不可忽略的水文循环过程,它将大大促进对区域乃至全球性水循环的深入理解。渗流仪是一种直接测量沉积物—水界面的水流通量的仪器装置,     

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。     

非稳态潜流交换过程研究进展

潜流交换研究涉及地表水-地下水系统交互作用的物理机制、影响因素和生化作用等方面,是近年来水文学、生态学、环境学等学科的研究热点。潜流交换过程包含水流运动、溶质运移以及能量传输过程。以稳态流动条件作为控制因素的潜流交换研究成果已经不能满足相关学科发展的要求。因此,近年来非稳态潜流交换过程的研究及其成果渐受关注。当前相关研...     

湿地地表水—地下水交互作用的研究综述

湿地地表水—地下水之间的水量与水质交互作用是影响湿地水文过程及其生态环境效应的重要机制。从湿地地表水—地下水交互作用的内涵、影响因素、界面效应及其研究方法与模型等5个方面,归纳总结了国内外相关的研究成果。分析认为:湿地地表水—地下水交互作用受到地质/水文地质条件与水文情势共同控制,对未来变化环境尤其是气候变化的响应机制是其影响因素研究关注的焦点,在此背景下物理—化学—生物多层次环境界面之间的"激励—响应"更加显著,将成为理解湿地—地下水交互作用过程及其环境反馈的重要内容。结合多学科交叉理论与方法,利用不同界面特征的响应变化反馈指示湿地地表水—地下水交互作用是未来研究方法发展与创新的基本思路。结合湿地水文特性整合不同尺度的数据信息、耦合交互过程的不同机制等是模型构建的关键科学问题,实现交互作用过程中的地表水—地下水耦合、水量—水质联合模拟是模型研究的发展趋势。     

沉积物-水界面交换研究的天然放射性同位素~(224)Ra/~(228)Th新体系

本课题组建立了天然放射性同位素新体系—~(224)Ra/~(228)Th不平衡法,用于研究沉积物-水界面物质交换。本文详细介绍了该方法的原理和现状,及其在沉积物-水界面溶解物质交换通量与机制、定量评估沉积物与水体间不同尺度传输方式(孔隙水交换和海底地下水排放)等方面的应用;探讨其潜在应用前景,指出近岸和陆架沉积物-水界面铁通量及其对冰期-间冰期大气CO_2周期变化的影响、沉积物作为水生环境"二次污染源"风险的定量评估是其潜在应用方向。     

河流中潜流交换研究进展

河水和地下水交换——潜流交换对溶质和污染物的归宿起着重要作用。潜流交换机理主要包括泵吸交换和冲淤交换。泵吸交换是由于河床形态引起的水头梯度,这些水头梯度诱导了对流传输;冲淤交换发生是由于移动河床截留和释放孔隙水。潜流交换的主要影响因素包括:河道流量、河床水力传导性、河床形态、河道弯曲、河床不均匀和背景条件。还探讨了反应性溶质、胶体颗粒共存情况下潜流交换的规律。对潜流交换研究现存的主要问题及未来研究展望提出了看法。     

Heat tracing to determine spatial patterns of hyporheic exchange across a river transect

Significant spatial variability of water fluxes may exist at the water-sediment interface in river channels and has great influence on a variety of water issues. Understanding the complicated flow systems controlling the flux exchanges along an entire river is often limited due to averaging of parameters or the small number of discrete point measurements usually used. This study investigated the spatial pattern of the hyporheic flux exchange across a river transect in China, using the heat tracing approach. This was done with measurements of temperature at high spatial resolution during a 64-h monitoring period and using the data to identify the spatial pattern of the hyporheic exchange flux with the aid of a one-dimensional conduction-advection-dispersion model (VFLUX). The threshold of neutral exchange was considered as 126 L m^?2 d^?1 in this study and the heat tracing results showed that the change patterns of vertical hyporheic flux varied with buried depth along the river transect; however, the hyporheic flux was not simply controlled by the streambed hydraulic conductivity and water depth in the river transect. Also, lateral flow dominated the hyporheic process within the shallow high-permeability streambed, while the vertical flow was dominant in the deep low-permeability streambed. The spatial pattern of hyporheic exchange across the river transect was naturally controlled by the heterogeneity of the streambed and the bedform of the stream cross-section. Consequently, a two-dimensional conceptual illustration of the hyporheic process across the river transect is proposed, which could be applicable to river transects of similar conditions.     

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.      

城市小型河流水动力弥散和潜流交换过程

为研究城市小型河流中污染物的物理迁移过程规律,分析基流条件下流动水体与暂态存储区之间的滞留交互作用,采用溴化锂(LiBr)作为保守性示踪剂进行野外现场示踪试验,结合一维溶质运移存储模型(One-dimensional Transport with Inflow and Storage model, OTIS)定量解析潜流交换特性,估算纵向弥散系数(D)、潜流交换面积(A_s)、主河道断面面积(A)和潜流交换系数(α).模型度量指标D_aI值和均方根误差值结果表征参数模拟结果可靠性高,拟合效果理想.由泵入点O至下游1 300 m设置的A、B、C、D 4处监测点的模拟结果表明,水文参数D、A_s、A和α均随水文条件而变,OB河段(0~600 m)潜流交换能力较弱,主要以对流弥散过程为主;BD河段(600~1 300 m)具有较强的暂态存储能力,对溶质的滞留时间长;BC(600~1 000 m)和CD(1 000~1 300 m)河段交换系数分别为(3.42×10-6±0.65×10-6)s-1和(2.87×10-6±0.81×10-6 )s-1;河段BC存在2.2×10-5m3/(s·m)的侧向补给流量.4个河段对比发现,城市河流渠道化、河床沉积物贫瘠等特征导致潜流交换能力弱化.     

Heterogeneity of hydraulic conductivity and Darcian flux in the submerged streambed and adjacent exposed stream bank of the Beiluo River,northwest China

Recognizing the heterogeneity of hydraulic conductivity and hyporheic flow is critical for understanding contaminant transfer and biogeochemical and hydrological processes involving streams and aquifers. In this study, the heterogeneity of hydraulic conductivity and Darcian flux in a submerged streambed and its adjacent exposed stream banks were investigated in the Beiluo River, northwest China. In the submerged streambed, Darcian flux was estimated by measurement of vertical hydraulic conductivity (K _v) and vertical head gradient (VHG) using in-situ permeameter tests. On exposed stream banks, both horizontal hydraulic conductivity (K _h) and K _v were measured by on-site permeameter tests. In the submerged streambed, K _v values gradually decreased with depth and the higher values were concentrated in the center and close to the erosional bank. Compared to the exposed stream banks, the K _v values were higher in the streambed. From stream stage to the topmost layer of tested sediment, through increasing elevation, the K _h values increased on the erosional bank, while they decreased on the depositional bank. The values of VHG along the thalweg illustrate that downwelling flux occurred in the deepest area while upwelling flux appeared in the other areas, which might result from the change of streambed elevation. The higher value of the Darcian flux in the submerged streambed existed near the erosional bank.