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.     

微弯河岸沿线扰动压强分布特性试验

河岸沿线的压强梯度是河岸侧向潜流交换及河岸带物质和能量传递的主要驱动力。为揭示微弯河岸边界的扰动压强分布规律和主要影响因素,利用室内变坡水槽系统,制作不同体形的正弦形河道模型,实测一个周期波长的河岸表面压强水头,研究河岸不同分层、不同弯曲程度和不同水流条件下的沿线压强分布特性,并进行影响因素的敏感性分析。试验结果表明,在缓流条件下正弦形微弯河岸的沿线扰动压强分布呈曲线形波动,不同分层的压强分布规律大体相同。在河岸弯曲程度较小时,压强波动的峰值与谷值分别出现于凹岸和凸岸的曲率最大位置。河岸沿线扰动压强的变化主要受河岸振幅与波长比a/λ和来流弗劳德数Fr的影响,敏感性分析表明a/λ比Fr的影响更为显著。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

河流离岸排放污染物二维浓度分布特性分析

从河流移流扩散二维简化方程的解析解出发,考虑两岸边界反射作用,通过离岸排放条件下的系列计算实验、浓度图谱绘制、数学归纳和分析整理,提出了以相对离岸距离a'(=排放口离近侧河岸的距离a/河宽B)为自变量的宽阔与中宽河段的分类线x_1.2'方程;提出了断面最大浓度轴线的定义、分段方程以及简化分段条件,给出了最大浓度轴线x轴段与弯曲段的分段线x_e'方程、弯曲段与靠岸段的临界线x_k'方程以及断面最大相对浓度沿程分布的分段简化计算公式,提出了河流中心线和两岸线上相对浓度沿程分布的计算公式,为河流水环境影响预测与评价提供了理论支持.     

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。     

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.