側(cè)向潛流交換水動(dòng)力過(guò)程及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

朱新麗,金光球,姜啟豪,魏 杰,李 凌,2

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.National Center for Groundwater Research and Training School of Civil Engineering, University of Queensland, St.Lucia QLD 4072, Australia)

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側(cè)向潛流交換水動(dòng)力過(guò)程及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

朱新麗1,金光球1,姜啟豪1,魏 杰1,李 凌1,2

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.National Center for Groundwater Research and Training School of Civil Engineering, University of Queensland, St.Lucia QLD 4072, Australia)

鑒于側(cè)岸潛流帶中發(fā)生著強(qiáng)烈的生物地球化學(xué)作用,其獨(dú)特而復(fù)雜的水動(dòng)力特性對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)及生態(tài)環(huán)境有重要作用。通過(guò)分析總結(jié)前人對(duì)側(cè)岸潛流帶所做的研究,闡明了側(cè)岸不同方向上潛流交換過(guò)程及其產(chǎn)生機(jī)制,分析了影響側(cè)向潛流交換過(guò)程的主要因素(包括地形條件、沉積層特性、水文地質(zhì)條件、河道工程、河岸植被條件),闡述了側(cè)向潛流交換過(guò)程對(duì)溶質(zhì)、顆粒和生態(tài)環(huán)境的影響。最后對(duì)側(cè)向潛流交換今后的研究提出了一些建議。

側(cè)岸潛流帶;潛流交換;水動(dòng)力過(guò)程;生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

河岸帶作為水生生境與陸生生境的過(guò)渡區(qū)域,具有獨(dú)特的植被、地質(zhì)、地形地貌和水文特性,并受地表水和地下水水位變化的影響[1]。河岸帶的各種特性,影響著河岸帶下邊緣側(cè)岸潛流帶的獨(dú)特性、復(fù)雜性、邊緣性、動(dòng)態(tài)性以及水動(dòng)力過(guò)程。潛流帶對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)以及水陸交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能具有重要作用[2],它與河道共同具有一定的生物、化學(xué)、物理特征[3],其內(nèi)發(fā)生的物理、化學(xué)、生物作用過(guò)程影響著側(cè)岸潛流帶中水體的運(yùn)動(dòng)、溶質(zhì)和顆粒的遷移、生物活動(dòng)過(guò)程以及植物的生長(zhǎng),能保護(hù)地表和地下水徑流、生物多樣性以及全球氣候和自然環(huán)境[4],并具備有效調(diào)蓄洪水、削減污染、凈化環(huán)境、保護(hù)植被和提供適宜棲息地[5]等功能。側(cè)岸潛流帶作為潛流帶一部分,主要依靠滲透性、生物多樣性、水動(dòng)力交錯(cuò)帶的連接性等對(duì)地表水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[6],同時(shí)一定寬度的側(cè)岸潛流帶還可通過(guò)滲透、過(guò)濾、滯留、沉積等物理、化學(xué)和生物過(guò)程,使進(jìn)入地表和地下水的污染物毒性減弱,即可有效去除農(nóng)業(yè)點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染物,同時(shí)也改善了側(cè)岸的生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境,為水陸生物提供了適宜的棲息場(chǎng)所[7-8]。本文通過(guò)對(duì)側(cè)向潛流交換相關(guān)文獻(xiàn)的總結(jié)和分析,對(duì)側(cè)岸潛流帶區(qū)域進(jìn)行界定,分析其水動(dòng)力過(guò)程和影響側(cè)岸潛流帶潛流交換的因素以及側(cè)向潛流交換對(duì)生態(tài)環(huán)境的效應(yīng)。

1 側(cè)岸潛流帶區(qū)域

潛流帶普遍被定義為河床中淺層地下水與河水存在能量循環(huán)與物質(zhì)交換的交錯(cuò)區(qū)域,實(shí)際上河岸帶內(nèi)地下水水位和河流水位是相互影響的[9],因此,潛流交換不僅發(fā)生在河床也可發(fā)生在河岸。側(cè)岸潛流帶應(yīng)指河床與河道兩側(cè)一定區(qū)域內(nèi)河水與河岸地下水相互作用的混合區(qū)域,該區(qū)域存在于河岸帶的下邊緣且靠近河水(圖1)。無(wú)論是河床潛流帶還是側(cè)岸潛流帶都是生物多樣性研究的熱點(diǎn)區(qū)域。

圖1 側(cè)岸潛流帶示意圖

側(cè)岸潛流帶區(qū)域在空間上分為橫向、垂向和縱向結(jié)構(gòu)：橫向上側(cè)岸潛流帶由河流河床兩側(cè)水分飽和沉積物層延伸至河岸帶植被緩沖區(qū)甚至更遠(yuǎn),這與潛流交換強(qiáng)度及其影響因素有關(guān);垂向上由河道坡底向下延伸至隔水層,包括淺層地下水與河水相互作用的淺層潛流帶和深層地下水與河水相混合的深層潛流帶;縱向結(jié)構(gòu)指上游河水側(cè)向進(jìn)入河岸與河岸地下水相混合,并在下游使地下水由河岸流向河流的縱向區(qū)域。

2 側(cè)岸潛流帶水動(dòng)力過(guò)程

潛流帶內(nèi)發(fā)生的水動(dòng)力過(guò)程對(duì)水體的運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)運(yùn)移以及生物活動(dòng)都有著重要作用,并與地表水水量、物質(zhì)、能量等輸運(yùn)和交換緊密相關(guān)。

2.1 橫向和垂向潛流交換水動(dòng)力過(guò)程

在單一橫向結(jié)構(gòu)上,由于河流與河岸交界面具有強(qiáng)烈的水文連通性,河水水位的變化往往會(huì)影響地下水的泄流方式[10]。河水水位上漲時(shí),河水通過(guò)側(cè)向交換補(bǔ)給河岸地下水,并保持一個(gè)短暫的補(bǔ)水期,河水位下降時(shí)河岸地下水又會(huì)補(bǔ)給河流,這種連通性最早是通過(guò)地形作用,驅(qū)動(dòng)地下水的流動(dòng)而形成的,并在湖泊和河流的側(cè)岸出流這一現(xiàn)象中得到驗(yàn)證[11-12]。對(duì)于濕地生態(tài)系統(tǒng),由于垂向沉積層滲透率小使得沼澤地基層進(jìn)一步堆積,此時(shí)主要由濕地周?chē)鷤?cè)向地下水補(bǔ)給地表水[13]。沉積物如果分布在兩側(cè)具有水位差的河流之間,沉積物中埋藏有自由水面的淺層地下水,這種地表水與地下水在發(fā)生橫向側(cè)岸潛流交換的同時(shí),往往伴隨著垂向側(cè)岸潛流交換。另一方面,由于山區(qū)地下水位一般較高,在與鄰近河流發(fā)生側(cè)岸潛流交換時(shí),在重力驅(qū)動(dòng)作用下垂向潛流交換占主要部分[14]。

2.2 縱向潛流交換水動(dòng)力過(guò)程

在縱向結(jié)構(gòu)上,由于河岸地形邊界的不規(guī)則性,水流經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生水力高壓區(qū)與低壓區(qū),河流地表水通過(guò)河岸表面的水力高壓區(qū)進(jìn)入地下,并通過(guò)一定距離的淺層沉積區(qū)與地下水進(jìn)行摻混與交換,再?gòu)乃Φ蛪簠^(qū)返回地表與河流水相匯[15]。天然河道大多呈蜿蜒型,在彎曲河道中隨著河道彎曲度的增大,河道兩側(cè)的水力梯度也會(huì)隨之發(fā)生變化,最終通過(guò)河流與側(cè)岸的潛流交換量呈線性或非線性增加[16]。彎曲河道不規(guī)則形態(tài)使河岸表面產(chǎn)生局部壓力梯度,誘導(dǎo)河岸地下水與河水沿河道水流方向發(fā)生縱向潛流交換。邊灘水頭梯度的改變,驅(qū)使河水在上游由凹岸流入河岸并與地下水混合,隨后通過(guò)下游面滲出。地下水與地表水沿彎曲河道的側(cè)向潛流交換在自然界中是非常常見(jiàn)的,交換路徑以及滯留時(shí)間都與河道彎曲度有緊密的聯(lián)系[17]。

3 側(cè)向潛流交換研究進(jìn)展

潛流帶最早由Orghidan提出,早期對(duì)潛流帶的研究主要是針對(duì)河床潛流帶。而側(cè)向潛流交換研究發(fā)展較慢,且主要通過(guò)野外實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬進(jìn)行。20世紀(jì)90年代,Brunke等[18]在研究河水與地下水交換對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的重要性時(shí)提出了側(cè)岸潛流帶的概念。Ward等[19]于1988年概述了地表水和河岸帶地下水各系統(tǒng)特性以及其連通性對(duì)多細(xì)胞動(dòng)物新陳代謝和棲息地的影響。Brugger等[20]通過(guò)對(duì)澳大利亞恩斯河河道與河岸泄流量、有機(jī)物含量等進(jìn)行取樣測(cè)量,研究季節(jié)性水文條件下,由于河流向河岸地下水補(bǔ)給和物質(zhì)輸運(yùn),對(duì)河岸地下水有機(jī)物、細(xì)菌新陳代謝以及河岸地下水水質(zhì)產(chǎn)生的重要影響。Storey等[21]采用MODFLOW區(qū)域預(yù)算功能對(duì)安大略湖南部波狀地形河床河流垂向、縱向和側(cè)向潛流交換通量進(jìn)行計(jì)算,并結(jié)合粒子追蹤功能確定河水垂向和側(cè)向進(jìn)入潛流區(qū)的范圍以及潛流交換時(shí)間。Butturini等[22]開(kāi)發(fā)了一種新的混合模型,模擬西班牙地中海區(qū)域兩條受污染河流在暴雨作用下,河流與集水區(qū)交界面(河岸帶沉積層)內(nèi)反應(yīng)性污染物如何通過(guò)側(cè)向潛流交換釋放到河流中。對(duì)于側(cè)向潛流帶的研究,Chou等[23]做了一個(gè)J形圓柱體,用來(lái)研究側(cè)向地下水進(jìn)入河流的物理過(guò)程和特性。Osenbrück等[24]進(jìn)一步對(duì)內(nèi)卡河支流與泛洪區(qū)含水層潛流交換過(guò)程與微生物群落及生物化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行研究,關(guān)注了側(cè)向潛流交換通量分布和污染物滯留時(shí)間關(guān)系,還根據(jù)電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化,確定潛流交換路徑。

4 水動(dòng)力過(guò)程影響因素

4.1 地形條件

自然狀態(tài)下,地形蜿蜒曲折、跌宕起伏,而正是因?yàn)榈匦蔚牟灰?guī)則才為河流側(cè)向潛流交換創(chuàng)造了條件。地下水進(jìn)出潛流區(qū)主要是與河流交換產(chǎn)生的,而這個(gè)過(guò)程是由地形產(chǎn)生的上覆水壓力水頭和河床沉積層滲透性引起,地形變化產(chǎn)生的對(duì)流傳輸作用,很大程度上改變了潛流區(qū)化學(xué)、物理、生物梯度,并最終影響水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能[30]。沖積河道發(fā)生的河床演變通過(guò)對(duì)河床下游地形產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響河岸沉積層內(nèi)沉積物濃度,Cardenas[31]運(yùn)用二維數(shù)值模擬預(yù)測(cè)了不同彎曲條件下,側(cè)岸潛流交換的區(qū)域、交換量以及物質(zhì)通過(guò)潛流區(qū)的滯留時(shí)間,得出彎曲度越大越容易誘導(dǎo)潛流交換發(fā)生的結(jié)論。

4.2 沉積層特性

河岸沉積層空間異質(zhì)性導(dǎo)致垂向滲透率不同,影響側(cè)岸潛流交換的時(shí)間和交換區(qū)域的大小以及潛流流速等指標(biāo)[32]。Sawyer等[33]對(duì)非均質(zhì)沉積層和等效均質(zhì)沉積層分別進(jìn)行數(shù)值模擬分析,經(jīng)過(guò)對(duì)比分析得到滲透系數(shù)的變化引起污染物滯留時(shí)間分布跨越幾個(gè)數(shù)量級(jí)。Rassam等[34]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),分析澳大利亞昆士蘭的魔瑞頓海灣低滲透率沉積層主流與支流側(cè)岸潛流交換水動(dòng)力特性,發(fā)現(xiàn)支流集水區(qū)受水文影響較大,主河道常年有水與泛洪區(qū)的側(cè)向潛流交換受滲透率影響較大,在低滲透率作用下進(jìn)入主河道側(cè)岸的水流在碳富集區(qū)域形成一個(gè)淺層高水位區(qū),使?jié)摿鲙?nèi)飽和度增加，溶氧量減少。細(xì)顆粒沉積層主要源于流域尺度地質(zhì)作用,并決定了潛流帶多數(shù)物理和化學(xué)過(guò)程,這種模式下形成的紊流容易產(chǎn)生盲區(qū),這種特性是因沉積層空間異質(zhì)性而產(chǎn)生,其能夠?qū)崿F(xiàn)小區(qū)域內(nèi)潛流區(qū)生物過(guò)程與化學(xué)過(guò)程共同作用,并促進(jìn)小區(qū)域內(nèi)生態(tài)過(guò)程的多樣性[35]。

4.3 水文地質(zhì)條件

河流與側(cè)岸交界面存在著明顯的水文關(guān)系,這種水文關(guān)系由于降水、氣候等影響地下水與地表水水位差,同時(shí)不同區(qū)域河流生成系統(tǒng)也會(huì)影響潛流交換水動(dòng)力過(guò)程。

氣候的變化導(dǎo)致降雨、徑流、蒸發(fā)等水文條件也發(fā)生著季節(jié)性變化,并伴隨著洪水期和干旱期交替出現(xiàn)。Burt等[36]和Krause等[37]分別對(duì)歐洲NICOLAS和德國(guó)東北部HAVEL河流與鄰近泛洪區(qū)域在不同季節(jié)下發(fā)生的潛流交換進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬分析,了解到冬季地下水位高致使高水頭梯度的產(chǎn)生,這對(duì)側(cè)岸地下水流具有重要作用,夏季如果沒(méi)有持續(xù)來(lái)自河流的水體補(bǔ)給,側(cè)岸潛流帶地下水水位將下降。Stewart 等[38]通過(guò)模擬英國(guó)的Severn河在洪水和干旱環(huán)境下與周?chē)汉閰^(qū)的泄流隨時(shí)間的變化關(guān)系,得出洪水期河水補(bǔ)給地下水,干旱期地下水補(bǔ)給地表水的結(jié)論。Kiel等[39]研究發(fā)現(xiàn),在側(cè)向潛流交換過(guò)程中,源頭位置河水滯留時(shí)間不超過(guò)1 h,而在大尺度的河道中滯留時(shí)間卻能達(dá)到1個(gè)月。van Meerveld等[40]為研究山區(qū)河流與地下水間的側(cè)向連通性以及水流方向,對(duì)鄰近美國(guó)亞特蘭大位于佐治亞州帕諾拉山的一集水區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和分析,得到一般情況下只有暴雨時(shí)期山區(qū)地下水與河流側(cè)向連通,但除了山腰處地下水水位上升慢并且流速小外,山頂和山腳區(qū)域地下水在暴雨初期和后期低水位條件下沿基巖流向河岸,在暴雨中期的高水位條件下山頂和山腳區(qū)域地下水整體下泄,因此地下水和地表水系統(tǒng)的時(shí)空變化過(guò)程受區(qū)域地質(zhì)和水文條件共同作用。

4.4 河道工程

人類出于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)目的對(duì)側(cè)岸潛流帶的干擾和影響越來(lái)越嚴(yán)重,因而直接或間接影響側(cè)岸潛流交換功能。大壩、水庫(kù)等水利樞紐的建立改變了側(cè)向潛流交換的連通性,或阻礙或促進(jìn)了側(cè)岸潛流帶地下水與地表水的交換。Paillex等[41]對(duì)法國(guó)羅納河18個(gè)泛洪平原河道重建前后大型無(wú)脊椎動(dòng)物群落多樣性和側(cè)向連通性進(jìn)行了評(píng)估,發(fā)現(xiàn)在河道重建后側(cè)向連通性增大,生物群落多樣性隨之增多。自然狀態(tài)下地表水與地下水水位均發(fā)生季節(jié)性變化,由于安大略湖南部河道礫石壩的重建,形成的礫石沙波改變了大壩周?chē)乃μ荻?增加了交換量和潛流區(qū)內(nèi)水體的滯留時(shí)間,以此加強(qiáng)了側(cè)岸與河道的關(guān)系,擴(kuò)建后的礫石壩還改變了河流生物地球化學(xué)過(guò)程[42]。美國(guó)科羅拉多河上的Longhorn大壩水力發(fā)電產(chǎn)生的水體波動(dòng)振幅達(dá)到2.5 m,并引起下游15 km處水位產(chǎn)生振幅為1 m的周期性波動(dòng),研究人員對(duì)該處河岸滲透系數(shù)以及地下水高程、水溫、污染物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)Longhorn大壩的建設(shè)基本上改變了河岸帶含水層及其潛流帶水文、溫度和地球化學(xué)動(dòng)力過(guò)程[43]。

4.5 河岸植被條件

河岸植被緩沖帶作為側(cè)岸潛流帶的橫向區(qū)域,其對(duì)于水陸生態(tài)系統(tǒng)之間的物質(zhì)流、能量流、生物流和信息流發(fā)揮著重要的廊道、過(guò)濾和屏障作用,并能夠有效地吸收移除地表徑流以及工農(nóng)業(yè)污染滲入地下水和河流水的氮磷有機(jī)物,截留過(guò)濾顆粒狀吸附性污染物[44]。側(cè)岸潛流帶緩沖區(qū)的植被對(duì)于河流微氣候以及水溫的調(diào)節(jié)也有一定的影響,在夏季可以阻擋太陽(yáng)光的照射以降低水溫,在冬季吸收反向輻射提高水溫以保持溪流常年較穩(wěn)定的水流條件。緩沖區(qū)的喬木植物根系對(duì)于河岸的穩(wěn)定也有一定的幫助,當(dāng)根系深入潛流區(qū)會(huì)產(chǎn)生水體繞流從而減小水流速度,草本植物在洪水季節(jié)能夠發(fā)揮其防洪和防侵蝕作用來(lái)保證地下水緩慢地進(jìn)入河流以保持河流流量的相對(duì)穩(wěn)定,同時(shí)也可通過(guò)增大地表粗糙度來(lái)增強(qiáng)地表徑流的滲透能力,減小徑流流速[45]。

5 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

5.1 對(duì)溶質(zhì)的影響

每年河流對(duì)于全球陸生有機(jī)物碳的輸運(yùn)、轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存量接近陸生生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳產(chǎn)量的1/4,全球反硝化作用的65%發(fā)生在水中沉積層[46]。在側(cè)岸潛流帶中反硝化作用產(chǎn)生的氮?dú)饨?jīng)沉積層遷移出河流,河流在層流、紊流、波浪或潮汐作用下將氮?dú)忉尫诺娇諝庵?以減少地下水中碳氮有機(jī)物的富集。周艷麗等[47]在研究水平潛流人工濕地脫氮去磷機(jī)理過(guò)程中,不僅分析了潛流區(qū)水質(zhì)、含水層基質(zhì)等對(duì)脫氮去磷機(jī)理的影響,同時(shí)還分析了水力停留時(shí)間對(duì)氮磷去除的影響,認(rèn)為水力停留時(shí)間越長(zhǎng),氮磷的去除率越高。Welch 等[48]通過(guò)二維數(shù)值模擬研究潛流區(qū)污染物傳輸速率以及滯留時(shí)間,得到潛流交換量和水體在河流和潛流帶的運(yùn)動(dòng)范圍,認(rèn)為河流與地下水的水文連通性為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移提供了條件。Bernal 等[49]在對(duì)西班牙蒙特塞尼自然公園Font del Regs流域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣和實(shí)驗(yàn)分析,發(fā)現(xiàn)河岸帶區(qū)域物質(zhì)循環(huán)能夠強(qiáng)烈影響河流營(yíng)養(yǎng)物濃度。

5.2 對(duì)顆粒的影響

膠體在農(nóng)業(yè)區(qū)分布廣泛,不僅可以通過(guò)自然分解產(chǎn)生有害物質(zhì)還可促進(jìn)河流與地下水中反應(yīng)性污染物的傳輸,經(jīng)過(guò)地表徑流進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)中會(huì)嚴(yán)重威脅河流以及地下水水質(zhì)。在地下水與地表水系統(tǒng)中,實(shí)際上部分吸附性污染物的運(yùn)移是與膠體相耦合的,Ren等[50]通過(guò)水槽試驗(yàn)研究了地表水與地下水耦合作用下赤鐵礦與吸附性污染物鋅、銅和磷酸鹽的交換,發(fā)現(xiàn)吸附性污染物與氧化鐵(膠體)間的相互作用能夠改變膠體的移動(dòng),擾亂細(xì)顆粒水動(dòng)力過(guò)程并影響污染物的運(yùn)移過(guò)程。膠體不僅可以攜帶污染物在河流潛流帶中遷移,也可阻塞河床孔隙從而阻礙潛流交換,河床介質(zhì)以及河流上覆水流速對(duì)膠體在潛流帶中的遷移也有重要作用[51]。側(cè)岸潛流帶植被緩沖帶能夠有效減少地表徑流攜帶的膠體物質(zhì),河流中溶解有機(jī)物以及膠體顆粒的運(yùn)輸可通過(guò)側(cè)岸潛流交換的對(duì)流、擴(kuò)散和微循環(huán)3種方式大幅度提高運(yùn)輸效率,促進(jìn)側(cè)岸潛流帶內(nèi)微生物、無(wú)脊椎動(dòng)物等的新陳代謝,也可降低泛洪區(qū)有機(jī)物和顆粒帶來(lái)的污染。

5.3 對(duì)生態(tài)的影響

從生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)看,側(cè)岸緩沖帶的植被能夠緩沖水文和生物地球化學(xué)作用下側(cè)向地下水的通量,并能控制地表水水質(zhì)的短期變化[52]。河流側(cè)岸區(qū)域高度的時(shí)空不均勻性對(duì)富集且多樣的生物區(qū)具有重要的支撐作用,通過(guò)評(píng)估發(fā)現(xiàn)歐洲和南美洲90%的泛洪區(qū)與河流側(cè)向連通性已經(jīng)改變,這種連續(xù)的改變對(duì)于生物區(qū)以及生態(tài)系統(tǒng)都造成了一定程度的有害影響[26]。Besacier等[53]對(duì)法國(guó)羅納河4個(gè)泛洪平原河道進(jìn)行取樣分析,了解到主河道與泛洪區(qū)內(nèi)地表水、沉積層和生物區(qū)間交換的側(cè)向連通性,對(duì)于維持由激流到緩流條件下生物棲息地多樣性以及生態(tài)環(huán)境過(guò)程都有重要作用。河流的泄流決定了潛流區(qū)內(nèi)化學(xué)過(guò)程、潛在食物源、生物膜活性以及微型甲殼動(dòng)物群落的分布。Nata?a等[54]分析了斯洛文尼亞薩瓦河區(qū)域淺層潛流帶與深層潛流帶內(nèi)水動(dòng)力過(guò)程對(duì)小型甲殼動(dòng)物結(jié)構(gòu)和功能的影響,由于淺層潛流帶能夠很好地與地表水接觸,但潛流交換滯留時(shí)間短,使?jié)摿鲄^(qū)生物膜活性、微生物新陳代謝速度降低,而深層潛流帶中的生物膜活性隨交換路徑增加而增強(qiáng)。河岸帶地下水的波動(dòng)控制了土壤的氧化還原條件[55],進(jìn)而影響土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)過(guò)程、潛流交換的強(qiáng)度和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移距離。植被群落的動(dòng)態(tài)演替不僅與河岸帶水文條件有關(guān),同時(shí)與潛流區(qū)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及含氧量和耐水性等因素有關(guān),這就導(dǎo)致了植被群落空間的層狀分布,同時(shí)間接影響河岸帶區(qū)域野生生物分布。

6 研究展望

側(cè)岸潛流帶生態(tài)學(xué)的研究近些年才被人們重視,但側(cè)岸潛流交換作用機(jī)理以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響效應(yīng)需要進(jìn)一步的研究。

a. 當(dāng)前對(duì)側(cè)向潛流交換機(jī)理的研究比較缺乏,且主要集中在一維和二維小尺度。今后應(yīng)研究三維空間下大尺度側(cè)向潛流交換水動(dòng)力過(guò)程,以及物質(zhì)輸運(yùn)(惰性污染物、反應(yīng)性污染物)和能量循環(huán)過(guò)程。

b. 目前使用傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)縱向潛流交換機(jī)理的研究比較多,而對(duì)于橫向以及垂向的研究不足,而且傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)所受制約因素多。在今后的研究中可將傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)與現(xiàn)代集成數(shù)字仿真技術(shù)、3S技術(shù)以及數(shù)值模擬耦合方式相結(jié)合,研究多時(shí)空尺度下側(cè)岸地表水與地下水交換區(qū)水動(dòng)力過(guò)程及生物化學(xué)過(guò)程(包括橫向、垂向和縱向結(jié)構(gòu))。

c. 地表水與地下水很難達(dá)到全耦合模擬的狀態(tài),因此,目前對(duì)地表水與地下水的模擬都是處于單獨(dú)模擬或者半耦合模擬(河道水流變化產(chǎn)生的壓強(qiáng)作為模擬地下水的邊界條件,或者將河流在河水與地下水交界面產(chǎn)生的通量作為計(jì)算地下水模型的邊界條件等)。今后對(duì)側(cè)岸潛流帶的模擬研究應(yīng)主要考慮如何有效地將地表水與地下水做全耦合處理,以便能更全面地了解潛流區(qū)內(nèi)的水動(dòng)力過(guò)程和物質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程,界定側(cè)向潛流交換的范圍。

d. 側(cè)岸潛流帶易受到外界因素影響,然而各因素共同作用對(duì)側(cè)岸潛流帶水動(dòng)力過(guò)程的影響更為復(fù)雜且研究還不夠深入，如潛流區(qū)內(nèi)溶質(zhì)和細(xì)顆粒等會(huì)隨著潛流交換和滯留作用堵塞多孔介質(zhì),改變潛流交換路徑，今后可加強(qiáng)這方面的研究。

e. 側(cè)向潛流交換處于復(fù)雜而又獨(dú)特的河岸帶內(nèi),其交換機(jī)理更為復(fù)雜。今后不僅要深入研究側(cè)向潛流交換和潛流區(qū)物質(zhì)循環(huán)對(duì)于河岸帶動(dòng)植物群落結(jié)構(gòu)、棲息地、生物膜結(jié)構(gòu)、微生物活動(dòng)等的影響;還要了解河岸帶內(nèi)植被結(jié)構(gòu)以及無(wú)脊椎動(dòng)物、微生物新陳代謝等對(duì)于潛流交換的水動(dòng)力過(guò)程、不同營(yíng)養(yǎng)物反應(yīng)性/吸附性遷移擴(kuò)散以及時(shí)空分布和潛流區(qū)生物化學(xué)過(guò)程的影響。

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Processes of lateral hyporhiec exchange and its eco-environment effects//

ZHU Xinli1, JIN Guangqiu1, JIANG Qihao1, WEI Jie1, LI Ling1,2

(CollegeofWaterConservancyandHydropower,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.NationalCenterforGroundwaterResearchandTrainingSchoolofCivilEngineering,UniversityofQueensland,St.Lucia,QLD4072,Australia)

Due to the occurrence of strong biogeochemical processes in the lateral hyporheic zone (LHZ), its unique and complex hydrodynamic characteristics play an important role in aquatic ecosystem and ecological environment. Through analysis and summarization of previous studies on the LHZ, the process and mechanism of hyporheic exchange in different directions are clarified, and the main factors (including topographic conditions, characteristics of sedimentary layers, hydrogeological conditions, river engineerings, and riparian vegetation conditions) that affect the lateral hyporheic exchange are analyzed in detail. Furthermore, the effects of lateral hyporheic exchange on solutes, grains, and ecological environments are discussed. Finally, some suggestions on this subject are given for future study.

lateral hyporheic zone; hyporheic exchange; hydrodynamic process; eco-environment effects

國(guó)家自然科學(xué)基金(51239003,51109059);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2012CB417000)

朱新麗(1989—),女,碩士,主要從事水生態(tài)環(huán)境研究。E-mail:zhuxl890@126.com

金光球(1979—),男,教授,博士，主要從事水生態(tài)環(huán)境研究。E-mail: jingq@hhu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.03.003

TV138

A

1006-7647(2017)03-0015-07

2016-01-19 編輯：駱超)