河流潛流帶和潛流交換時(shí)空變異特征研究綜述

張 瀟魯 程 鵬

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水資源綜合利用研究所，湖北 武漢 430010； 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010； 3.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 4.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

地表水和地下水是地球大陸水循環(huán)的兩個(gè)重要組成部分，兩者之間一般存在著相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，在河流中，其關(guān)系尤為緊密。地表水和地下水相互作用的時(shí)空變異性不僅增加了對(duì)河流-含水層系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的不確定性，同時(shí)也增大了該系統(tǒng)中水動(dòng)力彌散的強(qiáng)度，導(dǎo)致對(duì)河流污染物質(zhì)運(yùn)移、水資源評(píng)價(jià)等方面的原有認(rèn)知產(chǎn)生一定偏差。目前，關(guān)于地表水和地下水的相互作用已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者一致關(guān)注，對(duì)潛流帶的研究已經(jīng)悄然成為水文學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。開(kāi)展河床沉積物及潛流交換時(shí)空變異特征的研究，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)流域水資源，對(duì)河流和含水介質(zhì)的生物群落和生態(tài)環(huán)境保護(hù)均具有重要的意義。

由于地表水和地下水相互作用涉及的領(lǐng)域和學(xué)科比較廣泛，近些年來(lái)關(guān)于其規(guī)律特征的研究較多，但對(duì)相關(guān)的研究成果、研究?jī)?nèi)容缺乏系統(tǒng)的梳理。首先,本文從潛流帶基本概念和研究意義上進(jìn)行介紹，強(qiáng)調(diào)潛流帶及潛流交換研究的重要性；其次，分別從時(shí)間和空間、不同尺度等方面總結(jié)潛流帶及潛流交換變異性的研究成果，分析了其主要特點(diǎn)和規(guī)律；最后，通過(guò)對(duì)該領(lǐng)域有關(guān)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行對(duì)比分析，提出了當(dāng)前地表水與地下水相互關(guān)系研究的主要問(wèn)題和挑戰(zhàn)，以及未來(lái)該領(lǐng)域研究的發(fā)展方向和研究重點(diǎn)。

1 河流潛流帶

1.1 基本概念

河流不僅是水和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的通道，在垂向上，水和物質(zhì)仍存在交換現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，河水和淺層地下水水量或物質(zhì)交換存在于河岸及河床多孔滲透區(qū)，這個(gè)區(qū)域被稱作潛流帶[1]，它是包圍著河流，且河水和地下水相互混合的一塊區(qū)域，占據(jù)著地表水、側(cè)向河岸帶和地下水之間的中心位置[2]。潛流帶是河流集水區(qū)內(nèi)物質(zhì)和能量的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換中心，是集水區(qū)內(nèi)各種環(huán)境特征的綜合表征體，潛流帶生物群落及系統(tǒng)整體對(duì)集水區(qū)的自然和人為干擾也產(chǎn)生著積極響應(yīng)[3]。也可以簡(jiǎn)單地將潛流帶定義為表面水和地下水雙向遷移和混合的區(qū)域，有效地連接著河流陸地、地表和地下[4]。潛流帶位置示意圖見(jiàn)圖1。由于獨(dú)特的水文作用機(jī)理，河流潛流帶可以起到水文調(diào)節(jié)、環(huán)境緩沖、生態(tài)保護(hù)等重要功能[5]。

圖1 潛流帶位置示意Fig.1 Diagram of the hyporheic zone

1.2 生態(tài)功能

潛流帶是河流生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分[3]，是地表水和地下水之間活躍的生態(tài)群落交錯(cuò)區(qū)，對(duì)河流生命體的生命循環(huán)具有重要的生態(tài)意義，對(duì)河流生態(tài)區(qū)的健康發(fā)揮著關(guān)鍵的生態(tài)小生境的作用[4，6]。非均質(zhì)性是潛流帶的天然屬性，它不僅直接導(dǎo)致地表水/地下水水量交換的空間變化[7]，而且對(duì)于生物地球化學(xué)轉(zhuǎn)換、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、有機(jī)物分解以及魚(yú)的生存繁衍都具有重要的作用[8]。河流和潛流帶的水文交換影響著河流潛流帶的生物地球化學(xué)過(guò)程[9]。河水-地下水的水量交換也可以調(diào)節(jié)河水溫度[8]，該調(diào)節(jié)作用對(duì)水生動(dòng)植物的存活至關(guān)重要[10-11]。無(wú)論是魚(yú)類繁殖還是河床附著生物的生存發(fā)展，對(duì)河水溫度極其敏感，而常年恒溫的地下水的上涌降低了河水溫度的波動(dòng)，有利于河流生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展[12]。潛流帶水交換對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)功能的影響大小主要取決于新陳代謝過(guò)程、河水滯留在潛流帶中的比例以及時(shí)間，隨著新陳代謝和地下水/地表水交換速率的增大，潛流帶的影響作用也會(huì)更大。

2 潛流帶的時(shí)空變異特征

2.1 潛流帶非均質(zhì)性的概念

潛流帶沉積物孔隙具有復(fù)雜的連通性，流體在不同的孔隙或同一孔隙的不同部位運(yùn)動(dòng)的情況各不相同，存在著局部的變異性，帶有隨機(jī)變化的性質(zhì)，即隨機(jī)性。介質(zhì)在空間又存在一定的空間分布規(guī)律，即具有一定的結(jié)構(gòu)性，這就使得表征多孔介質(zhì)的非均質(zhì)性的參數(shù)符合區(qū)域化變量的特征，具有空間變異性。滲透系數(shù)常被用來(lái)表征多孔介質(zhì)的非均質(zhì)性，它在河流和含水層的水量交換和河流生態(tài)的分析中有重要的作用。

如果孔隙介質(zhì)滲透系數(shù)在共域中任何點(diǎn)上都相等，那么就是說(shuō)該孔隙介質(zhì)的域是均質(zhì)的，反之，其域則是非均質(zhì)的[13]。隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性是地層非均質(zhì)性最為顯著的兩種特性[14]：結(jié)構(gòu)性主要表現(xiàn)為含水層參數(shù)在空間分布上以一定的確定性規(guī)律存在；隨機(jī)性表現(xiàn)為參數(shù)在空間上以一定的概率分布形式存在[15]。由G. Matheron教授提出的平穩(wěn)/非平穩(wěn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法為解決這類地層非均質(zhì)性問(wèn)題提供了有效的手段，現(xiàn)在這種方法被廣泛地應(yīng)用到水文地質(zhì)領(lǐng)域。由于儲(chǔ)層非均質(zhì)性的研究水平將直接影響到對(duì)儲(chǔ)層中油氣水的分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)和開(kāi)發(fā)效果的好壞，因此地層非均質(zhì)性是石油工作者的研究難題之一，大量國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)這個(gè)難題開(kāi)展過(guò)研究工作[16-17]，而對(duì)于河流潛流帶的非均質(zhì)性研究則相對(duì)較少。

2.2 滲透系數(shù)的空間變異性

潛流帶非均質(zhì)性是潛流帶表征的核心內(nèi)容，河床沉積物滲透系數(shù)常用來(lái)刻畫(huà)潛流帶的非均質(zhì)性。滲透系數(shù)是最重要的水文地質(zhì)參數(shù)，它直接或間接地影響著河流及其周?chē)叵潞畬又g水流的交換和污染物的運(yùn)移[18]，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)具有重要的意義[19]。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為河床是一個(gè)均質(zhì)單元，在水流計(jì)算過(guò)程中，前人常將滲透系數(shù)值設(shè)置為一個(gè)常量，然而在天然河流中，河床沉積物滲透性空間變異性非常大[20-22]。劉猛等[23]摒棄了前人常用的確定性方法而建立了參數(shù)隨機(jī)模擬的數(shù)值模型，結(jié)果表明：充分考慮滲透系數(shù)隨機(jī)特性的蒙特卡羅法預(yù)測(cè)結(jié)果比確定性方法更加可靠、科學(xué)和有效。顯然，在實(shí)際水文地質(zhì)計(jì)算或模擬過(guò)程中，忽視滲透系數(shù)空間變異性會(huì)顯著增大對(duì)水資源量計(jì)算或污染物運(yùn)移分析的不確定性[24]。

河床沉積物滲透系數(shù)空間變異性的定性研究對(duì)河水-地下水水量交換和河床溶質(zhì)運(yùn)移有重要價(jià)值[25]。在水平方向上，一般河床兩岸沉積物滲透系數(shù)值明顯要小于河流中心，但是在相同的尺度范圍內(nèi)滲透系數(shù)值沿著水流方向沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)[22，24-25]。在流域尺度上，滲透系數(shù)值沿著水流方向卻有下降的趨勢(shì)，即上游最大，中游次之，下游最小。天然河流中，河床沉積物滲透系數(shù)的空間變異性是普遍存在的[26]，即使沉積物相對(duì)來(lái)說(shuō)是均質(zhì)的，Smith[27]依然可以觀測(cè)到相當(dāng)大的空間結(jié)構(gòu)的變化。米海存等[28]發(fā)現(xiàn)渭河漫灘飽和帶垂向滲透系數(shù)具有較強(qiáng)的空間變異性。Lu等[29]發(fā)現(xiàn)美國(guó)普拉特河淺層河床沉積物水平和垂向滲透系數(shù)均具有高度的非均質(zhì)性。趙佳莉等[25]發(fā)現(xiàn)，在不到1 m的小尺度范圍內(nèi)，河床沉積物滲透系數(shù)值差異性也很顯著(0. 7～3.0 m/d)。美國(guó)West Bear河沉積物滲透系數(shù)的空間變化甚至達(dá)到4個(gè)數(shù)量級(jí)[18]。另外，Sebok等[22]研究了不同河流形態(tài)下河床沉積物滲透性能的空間變異性，發(fā)現(xiàn)彎曲河道河床沉積物滲透系數(shù)的空間變異性比順直河道要大得多。

雖然河床沉積物的分層作用對(duì)河水和地下水的相互作用影響顯著，但是只有為數(shù)很少的學(xué)者對(duì)河床滲透系數(shù)沿垂向的變化進(jìn)行了研究。Song等[30]研究了美國(guó)內(nèi)布拉斯加州3條典型河流，結(jié)果表明河床沉積物上層滲透性大于下層。Chen[31]也發(fā)現(xiàn)，河床沉積物滲透系數(shù)沿深度方向有下降的趨勢(shì)。Ryan和Boufadel[32]及Leek等[26]研究了河床沉積物滲透系數(shù)空間分布在深度方向上的變化。

除此之外，作為非均質(zhì)性重要的一方面，概率分布模型常常被用來(lái)識(shí)別河床滲透系數(shù)的空間變異性。盡管?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)滲透系數(shù)概率分布模型已經(jīng)開(kāi)展了很多研究，但滲透系數(shù)究竟服從何種分布尚無(wú)確切答案。而且在眾多的研究中，正態(tài)分布/對(duì)數(shù)正態(tài)分布是最為常見(jiàn)的[27，33]。趙佳莉等[25]采用下降水頭豎管試驗(yàn)法估算了灤河下游3個(gè)不同的斷面，共32個(gè)測(cè)試點(diǎn)位置處的河床垂向滲透系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其近似服從正態(tài)分布。施小清等[34]剔除了Borden含水層垂向滲透系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的特異質(zhì)，對(duì)滲透系數(shù)進(jìn)行分布檢驗(yàn)，結(jié)果表明滲透系數(shù)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。相對(duì)比的是，Genereux等[35]研究發(fā)現(xiàn)，河床沉積物滲透系數(shù)既不服從正態(tài)分布也不服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，而是服從雙峰分布。Lu等[29]在研究美國(guó)內(nèi)布拉斯加州河床沉積物滲透系數(shù)特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)水平滲透系數(shù)同時(shí)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布和指數(shù)型分布，而與正態(tài)分布差異顯著。除此之外，Ryan和Boufadel[32]發(fā)現(xiàn)他們研究區(qū)內(nèi)每層沉積物的lnK服從高斯分布，而總體上lnK卻不服從高斯分布。

2.3 潛流交換的空間變異性

潛流交換過(guò)程不僅包括地表水與地下水的區(qū)域性交換，還包括在局部范圍內(nèi)由于河水與地下水之間存在的壓力差而產(chǎn)生的局部水流交換。Winter[36]研究表明：地下水流從地形高處向低處流動(dòng)僅適用于區(qū)域尺度上的地下水流；局部流動(dòng)系統(tǒng)的水流方向更加復(fù)雜。

在天然河流中，地表水和地下水存在不同尺度上的水量交換，傳統(tǒng)觀念是把河段概化為3種情況：得到地下水、排泄河水和河水從一邊進(jìn)入河床，從另一邊出來(lái)[37-38]。與河床滲透系數(shù)一樣，潛流通量也具有高度的空間變異性。Schmidt等[21]發(fā)現(xiàn)：220 m研究河段剖面上既有地表水補(bǔ)給地下水(<0 L·m-2·d-1)，也有地下水排泄地表水(>0 L·m-2·d-1)，其值變化范圍在-10～455 L·m-2·d-1，而且只占河段長(zhǎng)度20%的高排泄區(qū)占有的排泄量卻高達(dá)50%。朱靜思等[39]監(jiān)測(cè)山東省大汶河某典型河段垂向潛流通量，其值分布范圍為99.61～356.25 L·m-2·d-1。魯程鵬等[40]同樣發(fā)現(xiàn)了河流橫斷面上潛流通量的空間異質(zhì)性。甚至在數(shù)米范圍內(nèi)，潛流交換通量無(wú)論在數(shù)量上還是方向上都有可能發(fā)生較大的變化[41]。Lautz和Ribaudo[42]就發(fā)現(xiàn)在他們研究區(qū)1m的尺度范圍內(nèi)，地表水和地下水的潛流交換也會(huì)存在方向上的不同。

潛流通量空間變異性一方面是由于河床沉積物滲透系數(shù)變異性導(dǎo)致的[7，22],另一方面也和河床地形非均質(zhì)性有關(guān)[43]。比如潛流交換的非均質(zhì)性不僅表現(xiàn)在河床地形發(fā)生變化的區(qū)域，即使在同一河床地形地貌的條件下，由于受到河床非均質(zhì)性的影響，潛流交換也會(huì)有較大的空間變化[7]。Lautz等[7]識(shí)別出滲透系數(shù)的垂向變異性導(dǎo)致了潛流交換的空間差異，且潛流交換變化范圍在0～0.42 m/d之間。河床分層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的各向異性，這種分層結(jié)構(gòu)使水流更偏愛(ài)在空隙中沿河中水流方向流動(dòng)；河床分層結(jié)構(gòu)引起了平均孔隙水流隨深度方向發(fā)生了相對(duì)快速的下降。與均質(zhì)河床相比，非均質(zhì)河床滲透性引起通過(guò)界面的平均流量在空間上具有較大的變異性[44-45]。在任一小段河道內(nèi)，由于河床地形的影響，都有可能同時(shí)發(fā)生河流補(bǔ)給地下水和河流排泄地下水等水文現(xiàn)象。Sawyer等[46]通過(guò)室內(nèi)河槽試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究了橫跨河道的圓木對(duì)其附近潛流交換的影響，研究結(jié)果表明：在圓木的上游，地表水補(bǔ)給地下水；在圓木的下游，地下水補(bǔ)給地表水；在圓木上下游不足幾米的地方，它們的潛流交換方向都發(fā)生了改變。潛流交換在局部尺度上所表現(xiàn)的特征是極其復(fù)雜的，對(duì)潛流交換所表現(xiàn)出的非均質(zhì)特征雖然已經(jīng)得到許多學(xué)者的認(rèn)同，但是對(duì)其物理機(jī)制還沒(méi)有得到一個(gè)很好的詮釋。

河水和地下水的交換也存在著規(guī)律性。來(lái)文立等[47]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，潛流交換量具有明顯的空間分層特征，隨著深度的增加，潛流交換大小表現(xiàn)出顯著的增大趨勢(shì)。除此之外，Gerecht等[35]發(fā)現(xiàn)交換量在靠近河岸處最大，隨著距河岸距離越大，交換量就越小。潛流交換沿垂直于河床方向規(guī)律和滲透系數(shù)正好相反，它很有可能是由河岸存儲(chǔ)效應(yīng)導(dǎo)致的。而且在整個(gè)流域尺度上，地表水和地下水相互作用強(qiáng)度一般從上游到下游會(huì)有減弱的趨勢(shì)[11]。除此之外，潛流交換也會(huì)受到河道內(nèi)地形的影響[48-49]，包括連續(xù)的洼池-淺灘、坡面的不連續(xù)性以及河道障礙物等[50-51]，河道地形的突然變化會(huì)引起潛流交換大小或方向上的改變。河壩會(huì)引起壩周?chē)哟埠秃影稁?nèi)水流的改變，其上游的潛流交換比下游要小得多[18，49]。對(duì)于河流淺灘，河流在淺灘上游失去水，在淺灘下游得到河水[37]。這種情況還發(fā)生在更大的尺度上，對(duì)于彎曲河道，上游河段失水，河水進(jìn)入潛流帶，而下游河段得到水，上下游河段潛流交換方向正好相反[7]。而且河道彎曲程度也會(huì)影響潛流的大小以及潛流路徑[52]。魯程鵬等[43]采用數(shù)值模擬的方法研究在河床橫剖面地形不均勻的條件下，潛流交換量的空間分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，潛流交換量更易發(fā)生在河道的深水區(qū)域。即使河床非均質(zhì)性加劇了潛流交換量的空間變異性，但是魯程鵬等[40]通過(guò)對(duì)河流橫斷面淺層潛流交換的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在河道溝槽處的潛流通量在一定程度上即可代表整個(gè)斷面潛流通量的變化趨勢(shì)。

為了更好地理解潛流交換現(xiàn)象，Conant[37]提出了5種不同地形條件下潛流交換概念模型，該模型在一定程度上可以直觀地揭示河流橫斷面地形變化下河床的水流特征。Lautz等[49]提出了沿河流縱剖面的潛流交換的概念模型，模型反映了淺灘、碎石壩等內(nèi)河道地形引起的潛流交換特征。除此之外，Sophocleous[53]還歸納總結(jié)了地表水和地下水交換的機(jī)制和主要控制要素。為了更好地概化和模擬地表水/地下水系統(tǒng)，應(yīng)該站在更加寬廣的視角來(lái)看待它們之間的相互作用，比如多尺度分析、水力特征的空間變異性等，所有這些都需要各學(xué)科或跨學(xué)科人才的通力合作。

3 滲透系數(shù)和潛流交換的時(shí)間變異性

3.1 滲透系數(shù)的時(shí)間變異性

河床沉積物滲透系數(shù)時(shí)間變異性對(duì)河流的生態(tài)和生物地質(zhì)化學(xué)過(guò)程都具有重要的意義[19]。盡管河床沉積物滲透系數(shù)的時(shí)間變異性已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍認(rèn)同[54-55]，但其動(dòng)態(tài)變化特征仍未得到統(tǒng)一的答案。河流水動(dòng)力過(guò)程會(huì)引起河床滲透系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化[22，54-56]?？v向水流對(duì)河床的沖刷淤積作用會(huì)顯著改變河床沉積物顆粒的組成，影響河床的滲透性能。而垂向水流，即潛流交換，也會(huì)對(duì)河床滲透系數(shù)演化產(chǎn)生重要影響，在地表水和地下水的水流交換驅(qū)動(dòng)下，細(xì)顆粒物質(zhì)會(huì)發(fā)生遷移(如沖刷、懸浮和沉積)，而細(xì)顆粒物質(zhì)的遷移會(huì)改變沉積物原有的滲透系數(shù)值[19，57]。

河床沉積物滲透系數(shù)一般在洪水位上升階段增大，隨著洪水位的消落而減小，最后當(dāng)水位平穩(wěn)時(shí)，滲透系數(shù)值可能恢復(fù)到洪水前的狀態(tài)或者比洪水前更小[58-59]。馮斯美等[60]定量研究了淤塞-反淤塞作用下河流潛流帶滲透系數(shù)的變化特征。洪水中攜帶的懸浮物、有機(jī)質(zhì)和細(xì)小的泥沙顆粒會(huì)在河床表層淤積、堵塞沉積物空隙而引起淤塞，使?jié)摿鲙B透性減弱，而在其他時(shí)期，河流泥沙沖刷、生物擾動(dòng)以及對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解等作用能夠破壞河床淤塞層，形成反淤塞，使?jié)B透系數(shù)增大，淤塞-反淤塞作用能改變潛流帶的滲透性能。因此，河床滲透系數(shù)變化和河流水動(dòng)力條件密切相關(guān)[55]，或多或少服從一定的周期性波動(dòng)[61]。然而，到目前為止，針對(duì)滲透系數(shù)的時(shí)間變異特征的定量識(shí)別及其與水動(dòng)力條件的關(guān)系研究相對(duì)匱乏。

3.2 潛流交換的時(shí)間變異性

動(dòng)態(tài)性是潛流交換的一個(gè)基本屬性，潛流交換的動(dòng)態(tài)特征受河流水文情勢(shì)的影響，在自然界中無(wú)處不在。潛流交換對(duì)河流水位的響應(yīng)時(shí)間只有幾分鐘，對(duì)降水補(bǔ)給地下水的響應(yīng)時(shí)間也在幾分鐘到幾小時(shí)，潛流交換的動(dòng)態(tài)性直接或間接影響著潛流帶溶質(zhì)或污染物運(yùn)移、地球化學(xué)反應(yīng)和生態(tài)環(huán)境等[62]。然而由于監(jiān)測(cè)手段的限制以及受動(dòng)態(tài)水文過(guò)程、潛流帶非均質(zhì)性等多種因素的影響，目前人們對(duì)潛流交換時(shí)間變異性的認(rèn)識(shí)仍有很大的局限性。

在日尺度上，潛流交換呈現(xiàn)出明顯的變化特征，一方面是受河水溫度日波動(dòng)的影響，另一方面是受變化水文過(guò)程的影響。河水溫度日波動(dòng)會(huì)影響河水黏度和密度，改變河床滲透系數(shù)的大小，從而引起潛流交換的日波動(dòng)變化[63]。河水水位波動(dòng)改變了河床水力梯度分布，引起潛流交換的動(dòng)態(tài)變化；當(dāng)?shù)乇硭a(bǔ)給地下水時(shí)，補(bǔ)給量會(huì)隨著水位的抬升而增加，當(dāng)?shù)叵滤a(bǔ)給地表水時(shí)，補(bǔ)給量會(huì)隨著水位抬升而減少，特別是在暴雨期間，潛流交換變化尤為明顯，甚至?xí)l(fā)生方向上的改變[64-65]。在季節(jié)尺度上，潛流交換也呈現(xiàn)出明顯的變化特征[66]。潛流帶水流交換方式以及交換強(qiáng)度都有很大的季節(jié)變異性，潛流交換在冬夏兩季很有可能存在顯著的差異[67]。汛期潛流交換條件下，細(xì)顆粒物質(zhì)的沉積對(duì)潛流交換會(huì)產(chǎn)生重要影響，細(xì)顆粒物質(zhì)入侵河床，沉積在較大粒徑的沉積物中間，堵塞河床，降低河床的滲透性能，影響潛流交換的大小[68-69]。潛流交換時(shí)間變異性不僅受自然因素的影響，也和人類活動(dòng)有關(guān)。大壩運(yùn)行會(huì)影響潛流交換的大小或方向，大壩蓄水和泄水過(guò)程引起河流天然水文過(guò)程的改變，從而影響到潛流交換的時(shí)間變異特征。不過(guò)即使河流水文發(fā)生很大變化，相對(duì)低的河床滲透性也會(huì)大大削弱潛流交換強(qiáng)度[7，70]，河水和地下水的水頭差以及河床滲透性能一起決定潛流交換的大小，只有河床滲透系數(shù)較大時(shí)，水頭差的變化才會(huì)顯著影響潛流交換大小[70]。除此之外，自然界中潛流交換的變化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎人們的想象，潛流交換量的大小在日尺度上甚至變化幾個(gè)數(shù)量級(jí)[62]。

潛流過(guò)程不僅依賴于地表水和地下水的水頭分布，而且取決于河床地形、潛流帶介質(zhì)的非均質(zhì)性等特征的影響[71]，因此潛流交換的時(shí)間變異類型也具有空間差異性。在以后的工作中，潛流交換的響應(yīng)機(jī)制以及不同時(shí)間和空間尺度上潛流交換的定量研究、尺度轉(zhuǎn)換將是水文工作者的研究重點(diǎn)。

4 潛流帶和潛流交換的影響因素分析

4.1 潛流帶的影響因素分析

潛流帶是動(dòng)態(tài)變化的，潛流帶的邊界、滲透性能以及生物化學(xué)特征隨著與之交換的表面徑流的深度與流量的變化而波動(dòng)，這些波動(dòng)反過(guò)來(lái)也會(huì)引起河流形態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)組分、水質(zhì)等的改變。Stanford和Ward[72]認(rèn)為，潛流帶結(jié)構(gòu)變化影響因素很多，不同的空間尺度，其側(cè)重點(diǎn)也不同。

(1) 在沉積物尺度上，影響潛流帶功能性的決定因素是顆粒粒徑的分布，它不僅控制河床的滲透性、河水和地下水的水文連通性，還影響有機(jī)物聚集、微生物富集程度和活躍度，以及溶解氧的濃度[73-74]；

(2) 在河道尺度上，影響潛流帶的主要驅(qū)動(dòng)力是河流流量和潛流交換，潛流路徑長(zhǎng)度控制潛流帶生態(tài)系統(tǒng)新陳代謝的強(qiáng)度和類型[75-76]；

(3) 在流域尺度上，河水和地下水相互作用在垂向和橫向上的范圍以及其變異性，則決定著潛流帶的功能性[75,77]。

4.2 潛流交換的影響因素分析

潛流交換同樣受多種因素的影響，其中包括河道流量、河床滲透性、河床地形、河道彎曲度等[4]。Packman和Salehin[78]通過(guò)多組水槽實(shí)驗(yàn)分析，得出了潛流交換率強(qiáng)烈依賴于河床沉積物的滲透性、河流流速、河床深度和沉積物的孔隙率等要素的結(jié)論。Salehin等[44]構(gòu)建了二維非均質(zhì)河床的物理模型，通過(guò)開(kāi)展一系列河流-地下水交換的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了水流偏愛(ài)通過(guò)高滲透性區(qū)域，在該區(qū)域界面流量增大。Chen等[79]通過(guò)對(duì)美國(guó)內(nèi)布拉斯加中部河流的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，分析得出河床地形是影響潛流交換的重要因素之一。Zarnetske等[80]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，河床地形地貌通過(guò)影響潛流的水力坡度，進(jìn)而明顯改變潛流交換的空間分布格局。在自然條件下，有起伏的河床地形形態(tài)交換量大于平整河床形態(tài)的交換量，甚至不同形態(tài)的河床地形交換量都不同。Marion等[81]研究發(fā)現(xiàn)，三角形河床的交換量要大于正弦波形態(tài)的河床。根據(jù)河床形態(tài)作用引起的交換機(jī)理的不同，潛流交換分成以下3種情況，即泵吸交換、沖淤交換以及泵吸交換和沖淤交換的混合[4]。

潛流帶的非均質(zhì)特征和河床地形是引起潛流交換非均質(zhì)性的兩個(gè)重要原因，如果孤立其中任何一個(gè)，那么研究的結(jié)論都是片面的。而已有文獻(xiàn)中，同時(shí)調(diào)查河流潛流帶非均質(zhì)特征和河床地形的研究還未見(jiàn)報(bào)道，河床非均質(zhì)性和河床地形對(duì)潛流交換影響機(jī)理的研究依然薄弱。

5 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)對(duì)河流生態(tài)學(xué)的研究起步較晚，河流作為一類特殊的生態(tài)系統(tǒng)，是人類最重要的環(huán)境資源之一，河流生態(tài)學(xué)及健康動(dòng)態(tài)已經(jīng)成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展關(guān)注的焦點(diǎn)。潛流帶作為河流地表水與地下水的混合區(qū)域，是溪流與景觀環(huán)境耦合的核心部位，在溪流生態(tài)系統(tǒng)健康的維持中扮演著十分重要的作用。目前的水資源評(píng)價(jià)理論中，對(duì)潛流量的估計(jì)往往忽略了其非均質(zhì)性和時(shí)變特征，潛流交換中的非均質(zhì)性和動(dòng)態(tài)變化會(huì)給流域水資源評(píng)價(jià)帶來(lái)一定的不確定性；潛流交換的非均質(zhì)和動(dòng)態(tài)變化與潛流帶滲透系數(shù)的空間變異性緊密相關(guān)，它是維持相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要因素之一。因此，河床沉積物滲透系數(shù)和潛流交換時(shí)空變化特征的定量識(shí)別，對(duì)地表水和地下水水量與水質(zhì)的綜合管理，合理地評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)利用流域水資源，以及河流健康生態(tài)系統(tǒng)的維持都具有重要的指導(dǎo)意義。

非均質(zhì)性和時(shí)變性是潛流帶和潛流交換的基本屬性，對(duì)其定性研究的工作很多，但由于受計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)量設(shè)備、跨學(xué)科、理論方法等方面的限制，定量研究并未系統(tǒng)展開(kāi)?，F(xiàn)有的定量研究多是基于室內(nèi)物理模型和數(shù)值模擬的手段，河槽模型結(jié)論可能存在一定的尺度效應(yīng)，而數(shù)值模擬中概念模型的刻畫(huà)與實(shí)際情況必有不同，所產(chǎn)生的結(jié)論也存在一定偏差。因此，在以后的工作中：

(1) 應(yīng)加強(qiáng)潛流帶和潛流交換的原位監(jiān)測(cè)工作，通過(guò)與室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，充分發(fā)揮統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)等數(shù)據(jù)挖掘手段，定量識(shí)別潛流帶和潛流交換的時(shí)空變異特征。

(2) 應(yīng)加強(qiáng)潛流交換機(jī)制的探討，重點(diǎn)研究潛流交換對(duì)河床地形、河床非均質(zhì)性、復(fù)雜水文過(guò)程的響應(yīng)機(jī)制及他們之間的相互作用關(guān)系。

(3) 通過(guò)不同時(shí)間和空間尺度上潛流交換的定量研究，辨析潛流交換在變異研究中的尺度現(xiàn)象，基于尺度效應(yīng)原理及其機(jī)制分析，提出潛流交換研究從沉積物尺度向河道尺度、流域尺度轉(zhuǎn)換的一般方法。

(4) 值得注意的是，針對(duì)潛流帶方面的研究已日新月異，現(xiàn)在正處在不同學(xué)科角度、多種先進(jìn)技術(shù)的集成應(yīng)用階段，潛流帶研究工作者不應(yīng)該拘泥于自己本學(xué)科的知識(shí)，而應(yīng)該以多學(xué)科、多視角來(lái)豐富和完善潛流帶研究理論。