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。     

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。     

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。当前相关研究多以物理模型试验为主（如室内水槽试验、示踪试验）,辅以数值模拟或遥感技术进行验证,进而总结非稳态潜流交换过程水动力交换和能量交换过程规律。未来研究应在多时空尺度,集合多种高精度监测手段,研究潜流交换中的影响因素（如河流水位波动）,开发更精确的地表水-地下水耦合模型,系统认识非稳态潜流交换过程。有关非稳态潜流交换的研究结论将有效指导水资源保护与生态环境修复和综合治理。     

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。     

湖泊潜流带水交换研究现状与思考

湖泊是湿地系统的重要组成部分,在维持当地水源、调节局部气候、保护生物多样性和生态环境等方面具有不可替代的地位.作为湖泊湿地系统的重要组成部分,湖水和地下水在以往的研究中常被视作独立的子系统分别调查,这极可能造成水资源评价的较大误差,导致水资源调配不合理、利用不充分.本文基于对湖泊潜流带水交换的研究现状的分析,梳理总结了...     

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。     

基于热追踪方法的河流横断面潜流交换时空非均质特征研究

本文选取山东省济宁市汶上境内大汶河段作为试验场地,主要对河流横断面浅层河床温度进行现场实时监测,分析河床温度剖面的空间分布和动态特征。采用热追踪方法（热量运移解析模型）求解潜流通量,定量描述潜流交换过程的空间非均质特征和动态特征。温度监测结果表明河床温度空间分布不均匀并呈显著动态变化,受到河水温度波动和河床深处某稳定热源的影响;河床浅层温度变幅大于河床深层,河床温度信号向下传递过程中具有明显的振幅衰减和相位延迟,不同测管处衰减程度存在差异。潜流通量大小随深度变化呈现了多种类型共存的特征,在监测期内,呈现出比单调增长的河水水位更加复杂的变化特征,具有显著的空间异质性。与前人研究结论相比,本次研究证实了潜流通量的时空非均质特征受到了河床地形和河水水位的影响,更加强调了区域地下水温度场与潜流交换的空间分布之间的对应关系。     

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.     

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。     

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...     

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。     

温度探测土坝圆柱状集中渗漏模型研究

渗漏是堤坝破坏主要形式之一，只有确定渗漏发生的确切位置和集中渗漏通道的大小和强度，才能对其有效治理。本文基于渗流和渗漏情况下堤坝温度场特征及温度示踪基本原理，对复杂的实际问题进行科学简化合理假设，把集中渗漏通道简化为圆柱状并作为边界条件，结合钻孔探测温度实际，运用稳定热传导理论，建立了圆柱状堤坝渗漏温度示踪模型。利用测井温度曲线的最大异常温度，该模型可以计算渗漏通道的位置，渗漏通道大小，流速等参数。工程实践表明，对于垂向流速较小的地下水渗漏进行温度场示踪是有效的方法。     

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。     

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.     

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。