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。     

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。     

河岸带潜流层动态过程与生态修复

河岸带潜流层是河岸带内地表水与地下水相互作用的生态交错带,在水文地理学、生态学、环境学上含义不尽相同。河岸带潜流层具有复杂的垂向、横向、纵向结构特征,其边缘效应显著,表现为泥沙、水流、生物、环境化学因子之间的复杂动态过程,主要包括水动力动态过程、生态学过程、溶质循环与化学过程等。水动力动态过程是驱动条件,氧气浓度是生态过程、溶质循环和化学过程的决定性因素。在各动态过程的驱动下,河岸带潜流层具有调蓄洪水、削减污染、净化缓冲环境和提供适宜栖息地等功能。针对河岸带潜流层功能退化的问题,需开展健康诊断,明确致病机理,实施适宜的生态修复。未来中国在开展河岸带潜流层研究时,应根据中国河岸带特点,采用示踪试验、数值模拟等方法,集成GIS等现代技术手段,研究多尺度下,水文条件、地形变化、土壤渗透系数、河岸带建设方式、植被分布等对河岸带潜流层水文、热传导、生化、生态等的影响机制,准确界定河岸带潜流层区域范围,制定适宜的生态修复策略。     

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。     

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。     

潜流交换温度示踪方法研究进展

潜流带是河流生态系统中活跃的生态群落交错区,是地表水和地下水相互作用的重要界面。研究潜流带内存在的潜流交换机制对评估水资源的开发利用以及维持和修复河流生态系统健康有着重要意义。系统介绍了温度示踪方法的一维垂向稳态和瞬态热运移解析模型,梳理归纳了基于温度示踪的时序数据采集方法、信号分析方法和数值方法的相关研究进展,最后对比论述了温度示踪方法的优势和存在的主要问题,同时指出了地下水的多维流动、温度测量的不确定性以及非理想条件对解析模型的影响仍是未来温度示踪方法需要进一步研究的重点。     

基于生态圈层结构稳定的地下水位计算与调控

干旱区绿洲灌区水资源集中开发使用,改变了地下水潜流场分布,造成了盐渍化和荒漠化并存的生态问题,严重威胁着绿洲的生态安全。以生态圈层结构理论为基础,深化研究潜水影响层概念内涵,构建干旱平原区潜水蒸发概念性模型,以黑河罗城灌区为例,从机理上揭示干旱区荒漠化与盐渍化的地下水埋深条件并进行定量计算与调控,主要成果如下:①描述了造成内陆河干旱区绿洲内部盐渍化和过渡带荒漠化的潜水蒸发运移规律,利用潜水影响层定义了盐渍化与荒漠化地下水临界埋深,并进行了定量计算,得到罗城灌区绿洲内部次生盐渍化的地下水临界埋深为1.3~1.5 m,过渡带荒漠化地下水临界埋深为8~13 m;②讨论了潜水影响层厚度定量公式中关键参数土壤当量孔径和液体表面张力在不同生态问题中的合理取值;③提出一种协同缓解干旱区盐渍化和荒漠化的地下水位调控方案,实现改善灌区内部盐渍化、控制过渡带荒漠化和水资源高效利用等多个目标。     

特约主编致读者

正地下水是一把双刃剑,它既是确保生态安全的一个重要因素,在一定的条件下也是影响生态健康(如引发地方病等)的罪魁祸首。作为一种重要的饮用水源和工农业用水水源,地下水在维持经济社会可持续发展、确保民生和谐、保障生态文明建设等方面发挥着重要作用。地下水还是地表生态系统的关键补给水源,是天然湿地、天然湖泊、天然沼泽等重要生态系统中不可或缺的关键要素。然而,在某些人为影响或天然过程作用下,地下水中的元素异常不仅严重影响人体健康,引发地方病,导致癌症高发,而且影响作物产量,危及粮食安全。地下水的物理和化学特征决定着地下水的生态属性。研究地下水系统构成和补给、径流及排泄机制,探索地下水环境演化特征和物质循环规     

河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟

为了揭示河床沉积物非均质性对潜流交换的影响,构建了沙波地形作用下的地表水-地下水耦合模型,通过生成不同的渗透系数随机场,讨论了不同地表水动力过程和河床沉积物非均质性对潜流交换通量、交换空间及平均停留时间的影响规律。结果表明,所构建的地表水-地下水耦合模型能够准确刻画水沙界面附近流场,模型具有良好的适用性;均质或非均质河床沉积物情景下,水沙界面上的平均交换通量、停留时间与雷诺数之间均呈现幂函数关系,潜流交换深度则在地表水进入完全紊流之后趋于稳定。结果还表明,较强的河床沉积物非均质性能够有效增强水沙界面上潜流交换通量和空间交换频率,但会制约潜流交换空间并缩短水流在潜流带中的停留时间。     

鄂尔多斯高原植被生态分区及其水文地质意义

保护生态环境是鄂尔多斯高原地下水可持续开发利用中亟待解决的问题。在查清植被生态群落分布特征的基础上,通过分析植被演替的自然驱动因素,将鄂尔多斯高原的植被生态划分为基岩台地植被生态水文地质区、沙盖基岩植被生态水文地质区、沙地植被生态水文地质区和滩地植被生态水文地质区。结果表明,气象和地形地貌控制着区内植被生态的总体分布格局,包气带和地下水因素控制着植被生态的演替,沙地植被生态和滩地植被生态的生长发育与地下水关系密切,是地下水开发时保护植被生态的靶区。     

关于几个学术名词的讨论

一、地下径流应改为潜流 径流是在地面上降水后水直接流掉的现象。“径”是直接的意义。这个名词是从英文run-off译出的。地下水的潜流是通过地面入渗和包气层渗流后水到达     

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。     

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。     

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...     

弯曲河岸侧向潜流交换试验

为揭示河岸形态引起的侧向潜流交换规律,利用地表水与地下水双循环水槽系统,通过10组正弦型微弯河岸与4组直线型河岸的潜流交换对比试验,研究不同河岸振幅a、地表水流速u、河流水深h条件下的潜流交换特性。试验结果表明,与垂向潜流交换机理类似,侧向潜流交换也存在对流(泵吸交换)、扩散和微循环3种交换形式。河流雷诺数Re的增大,将加强紊动扩散与微循环作用。河岸弯曲形态的出现,将引起泵吸效应,大大加剧了河岸的潜流交换,且随着河岸振幅与河流流速的增大,河岸形态引起的泵吸交换将逐渐成为潜流交换前期的主要形式。     

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。     

河岸带蜿蜒性与植被密度对潜流驻留时间的复合效应

潜流驻留时间是反映潜流交换、溶质迁移转化、生物组成、生态过程的重要特征变量。应用双循环可控式河岸带模型,以NaCl为示踪剂,深入研究了河岸带蜿蜒性与植被密度对潜流驻留时间的复合效应;应用量纲分析和主成分分析法,探析了潜流驻留时间的关键影响因子及其作用程度和敏感性。结果表明:①河岸带植被密度对潜流驻留时间具有促进作用,但存在一定的阈值。②潜流驻留时间分布与河岸蜿蜒形态呈类镜像效应;潜流驻留时间在河岸带蜿蜒波不同位置差异明显,迎水面平均驻留时间约为背水面的1/2。③河岸带蜿蜒性与植被密度是影响潜流驻留时间的关键因子,总作用程度达91.07%。潜流驻留时间对蜿蜒性最敏感,对植被密度敏感性较弱,对复合因子的敏感性介于两者之间;迎水面内组合因子对潜流驻留时间具有共同促进效应,背水面内组合因子对潜流驻留时间具有抑制和促进双重效应。     

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。     

截潜流在地下水开采中应用的数值模拟研究

为了增加地下水开采水量,并且尽可能地减小地下水开采后的水位降深,在水源地下游设置地下截水坝,并且同时配合辐射井开采地下水。通过数值模型的计算及预测,截潜流工程不但可以有效地截取地下水径流,更大限度地利用地下水资源,而且可以有效地控制地下水位降深以及腾出地下库容,以便在洪水期容纳更多的洪水入渗。通过实际工程的检验表明:地下截水坝配合辐射井这种截潜流工程在地下水开采中具有重要的作用。     

河岸带蜿蜒性与植被密度对潜流驻留时间的复合效应

潜流驻留时间是反映潜流交换、溶质迁移转化、生物组成、生态过程的重要特征变量。应用双循环可控式河岸带模型，以NaCl为示踪剂，深入研究了河岸带蜿蜒性与植被密度对潜流驻留时间的复合效应；应用量纲分析和主成分分析法，探析了潜流驻留时间的关键影响因子及其作用程度和敏感性。结果表明：①河岸带植被密度对潜流驻留时间具有促进作用，但存在一定的阈值。②潜流驻留时间分布与河岸蜿蜒形态呈类镜像效应；潜流驻留时间在河岸带蜿蜒波不同位置差异明显，迎水面平均驻留时间约为背水面的1/2。③河岸带蜿蜒性与植被密度是影响潜流驻留时间的关键因子，总作用程度达91.07%。潜流驻留时间对蜿蜒性最敏感，对植被密度敏感性较弱，对复合因子的敏感性介于两者之间；迎水面内组合因子对潜流驻留时间具有共同促进效应，背水面内组合因子对潜流驻留时间具有抑制和促进双重效应。