潛流交換模型試驗與影響因素研究進展

任 杰，王 帆，王大博，倪 楓，馬 辰

(1.西安理工大學 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048；2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098)

水污染問題是我國面臨的四大水問題之一，其通常指因某些能導致水體污染的物質直接或間接排放到水域中，造成水質惡化影響水的有效利用[1]。尤其是當水體中的N、P等營養(yǎng)鹽含量過高時會引起水體富營養(yǎng)化，導致水生態(tài)系統(tǒng)日益退化[2]。自然河流中地表水時時刻刻與地下水相互作用，潛流帶是連接河流地表水與地下水的關鍵部位，在其間發(fā)生的潛流交換過程中，多種物質、養(yǎng)分和能量進行了輸移，同時也過濾掉了水體中的部分污染物質，是河流發(fā)揮一系列生態(tài)功能的重要基礎[3]。水資源作為基礎性自然資源和戰(zhàn)略性經濟資源，是經濟社會發(fā)展和生態(tài)穩(wěn)定的根基[4]，因此對潛流交換過程的深入研究有利于流域水資源的保護和環(huán)境友好型社會的建設。

潛流帶這一概念最初由Orghidan在羅馬尼亞語中提出，他將該區(qū)域描述為一個獨立的隔間，承載著一個獨特的群落[5]，后續(xù)部分學者針對潛流帶的研究如表1所示，“潛流帶走廊”[6]、“河流的肝臟”[7]、“生物反應器”[8]等概念的相繼提出，逐漸將潛流帶和生態(tài)環(huán)境的關系密切聯(lián)系起來。過去幾十年對潛流帶的研究，使人們意識到地表水與地下水連通性的重要生態(tài)意義。潛流帶的研究涉及到生態(tài)學、水文地質學、水文學、微生物學、地貌學和環(huán)境學等多個領域[8]，Krause等[9]對潛流帶的水交換過程、生物地球化學過程、生態(tài)水文過程等進行述評，強調跨學科研究對推動潛流帶發(fā)展有著重要意義。

表1 部分學者對潛流帶的研究Table 1 Some scholars′research on the hyporheic zone

目前對潛流交換過程的研究方法主要有：野外試驗、數(shù)值模擬和模型試驗。野外試驗方面，Anibas等[14]在野外實地試驗中，運用溫度示蹤法測量潛流交換通量，發(fā)現(xiàn)潛流交換在不同季節(jié)有所差異，由于所測河流冬季的地下水水頭梯度相比于夏季較高，造成冬季的潛流交換通量大于夏季；Lautz等[15]對野外河流采用氯離子示蹤法，測量不同工況下的離子濃度，發(fā)現(xiàn)河流中的碎石壩對潛流交換過程存在促進作用，增加了交換水流在沉積物中的滯留時間，并提出在未來的野外試驗中采用營養(yǎng)鹽類物質作為示蹤劑，以便于更好地研究碎石壩對河流中營養(yǎng)鹽的吸收、轉化作用；Hester和Doyle[16]通過在野外試驗中對堰流結構下潛流交換通量、滯留時間、交換深度的評估驗證了所構建堰流結構模型的準確性，并進一步分析推論出修復結構的尺寸、地下水流量和水力傳導率是影響河流修復結構驅動下潛流交換程度的主要因素。數(shù)值模擬方面，Ren和Zhao[17]通過CFD-Fluent與COMSOL兩款商業(yè)軟件對三角形河床下地表水與地下水的流動進行了模擬，探究了不同地表水流速和沉積物滲透率等因素對潛流交換的影響機理；陳孝兵等[18]基于開源軟件Openfoam的內置求解器對地表水部分的RANS方程、k-ω方程和地下水部分的穩(wěn)定達西方程進行計算，并對模型二次開發(fā)使交界面的壓力實現(xiàn)自動傳遞，以此模擬多種工況下的潛流交換過程，發(fā)現(xiàn)地表水雷諾數(shù)與沉積物非均質性對潛流交換的影響較為顯著；Endreny等[19]通過商業(yè)軟件Flow3D的模擬結果結合水槽模型試驗研究在地表水發(fā)生水躍時的潛流交換過程，發(fā)現(xiàn)水躍的產生伴隨著水流流態(tài)的變化，進而引起潛流交換的空間復雜性，但是所構建的模型中未考慮水躍造成的靜態(tài)和動態(tài)壓力影響，導致水躍下方大部分的潛流路徑與實際情況不符。模型試驗方面，早期Thibodeaux和Boyle[20]在水槽試驗中運用染色劑示蹤法，發(fā)現(xiàn)地表水流經河床阻礙物時，由于局部床面壓力的分布不均，會產生強烈的床內對流，并提出了一種基于水流參數(shù)和沉積物參數(shù)求解Peclet數(shù)的模型；Marion等[21]通過控制變量法研究了五種不同河床形態(tài)下的潛流交換過程，認為河床形態(tài)是水沙交界面的一個重要特征，其通過改變河床表面壓力分布影響潛流交換過程，也對當時一些學者提出的潛流交換數(shù)值模型的有效性產生了質疑，認為模型中對河床形態(tài)這一因素的考慮有待完善；Clark等[22]通過水槽模型試驗發(fā)現(xiàn)表面波的產生，引起了河床表面壓力的波動，不僅增強了潛流交換的分散性，也增加了潛流交換通量和滯留時間；Lautz[23]通過沙柱模型試驗結合野外試驗收集到的數(shù)據(jù)，驗證了一維垂向瞬態(tài)熱運移解析模型用以求解河流潛流交換通量的有效性，并且認為通過熱運移模型來測量交換通量是一種方便、可靠的方法。以上所述可以發(fā)現(xiàn)對潛流交換這一復雜過程，學者們從模型試驗、野外試驗和數(shù)值模擬方面進行了許多的研究。

本文將針對國內外有關潛流交換研究中的基本理論公式、模型試驗的設備布置、量化方法、評估指標以及影響潛流交換的因素進行歸納綜述，立足于河流生態(tài)環(huán)境保護的切實需求以及當前潛流交換的研究現(xiàn)狀，提出總結與展望，以期能為深入探索潛流交換過程和相關領域的模型試驗提供幫助。

1 潛流交換理論基礎

1.1 理論模型控制方程

潛流交換過程受到一系列水力學方程控制，Cardenas等[24]所構建的地表水-地下水耦合模型被后續(xù)許多學者所采用，模型中的地表水部分基于RANS方程和k-ω方程計算，地下水部分基于穩(wěn)定達西方程計算，地表水部分的壓力結果用以作為地下水部分的邊界條件。RANS方程的表達式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：τij為雷諾應力；δij為Kronecker符號；k為紊動能；vt為渦流運動黏度，其通過紊流模型求解：

(5)

式中：ω為比耗散系數(shù)，其表達式為：

(6)

式中：ε為紊流耗散率；β*為閉合系數(shù)。

RANS方程與k-ω紊流模型耦合的湍流能量閉合法，可以較好地處理流場中出現(xiàn)的漩渦結構[18]，k-ω紊流模型中的k方程和ω方程如下：

(7)

(8)

沉積物中的孔隙水運動采用達西定律表示：

(9)

式中：ks為沉積物滲透率。

1.2 基于交換機理的模型概化

根據(jù)不同的水力學機理，將潛流交換劃分為對流交換、沖淤交換、紊流交換和擴散交換四類模型[25]，但紊流與擴散作用在河流的潛流交換過程中作用較小，河流中占主導地位的基于不同交換機理的模型主要有以下三類：一是固定河床下不同河床形態(tài)、河道阻礙物和徑流條件引起水沙交界面壓力分布不均，進而形成的對流交換，其在池塘、水庫等靜水水域或流速較緩慢的河流中占主導地位；二是針對受到水流沖刷引起的移動河床，床形移動過程中沉積物對孔隙水的截留與釋放過程引起物質交換，形成的沖淤交換模型，其在流速較快的河流中占主導地位；三是沖淤交換與對流交換相結合的混合潛流交換，自然界河流一般都屬于此類混合交換模型。

1.3 潛流帶的物質交換——以氮素為例

健康的河流生態(tài)系統(tǒng)對當?shù)厣鐣?、經濟、文化的發(fā)展具有促進作用[26]，而潛流帶作為河流中污染物凈化的主要場所，對河流水生態(tài)系統(tǒng)有著重要影響，下文將以氮素為例對潛流帶中的物質轉化過程進行概述，氮素在潛流帶中主要存在以下作用[27-28]：

(1)礦化作用，在土壤氨化菌的作用下，有機氮化合物分解、轉化為銨態(tài)氮的過程，以氨基酸為例：

(10)

(2)硝化作用，在硝化菌的作用下，氨氮被氧化為硝態(tài)氮的過程，研究發(fā)現(xiàn)降雨量的增加對于湖水中氮元素的硝化反應具有促進作用，有利于湖中水體自凈[29]，硝化作用的方程式為：

(11)

同化反硝化：

(12)

(13)

(14)

氮素可通過反應生成氮氣從河流進入大氣從而永久性去除，碳素同樣可以轉化為二氧化碳或是甲烷以氣體形式去除，但是河流中的磷元素主要通過土壤吸附和植物吸收轉化為有機磷的形式進行轉移，因此污染物中磷的凈化受到環(huán)境因素限制。潛流帶作為上述反應的主要場所，為河流水生態(tài)提供了重要保障。

2 潛流交換模型試驗

2.1 模型試驗設備

潛流交換的室內模型試驗通常以水槽試驗為主[30]，如圖1所示，主要設備包括溫度與水位監(jiān)測系統(tǒng)、在線電導率系統(tǒng)、試驗攝像記錄設備等。

圖1 水槽模型示意圖[31]Fig.1 Schematic diagram of flume model[31]

多功能循環(huán)式水槽具備調整河床傾斜度功能，水槽壁面由鋼化玻璃制成，具有較高的強度和耐腐蝕能力，且其透明度能夠滿足試驗可視化要求。地下水部分配備多通道蠕動泵、流量控制組件，蠕動泵為水流循環(huán)提供動力，轉輪可正向和反向轉動，以實現(xiàn)地下水水位的上升與消落，流量控制組件包含電磁流量計與流量調節(jié)閥，協(xié)同控制試驗所需流量[31]。

溫度與水位監(jiān)測系統(tǒng)能夠對試驗中的溫度、水位數(shù)據(jù)進行實時測量，監(jiān)測設備精度高且監(jiān)測范圍滿足試驗需求，系統(tǒng)具備信息傳輸功能，將數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)接脩舳?。在線電導率系統(tǒng)能夠監(jiān)測地表水和地下水離子濃度變化，并實時輸出電導率數(shù)據(jù)至用戶端。試驗攝像設備用于記錄試驗過程和結果，在有染料示蹤劑的試驗中可對研究區(qū)域進行實時拍攝。

自然河道中，沉積物主要為粘性土和砂性土，試驗中考慮到粘性土滲透系數(shù)較小[32]，所以多采用砂性土，如硅砂、石英砂等作為河床沉積物。試驗前可將砂子用去離子水溶解的草酸鈉溶液浸泡洗滌，去除灰塵、有機染料等物質[33]。

2.2 模型試驗量化方法

潛流交換物理模型試驗中的量化方法主要包括：離子濃度示蹤法、染料示蹤法、天然溫度示蹤法、壓力梯度演算法等，如表2所示。

表2 模型試驗的主要量化方法Table 2 Main quantitative methods for model experiment

化學離子示蹤劑中較為常見的是用去離子水溶解的試驗級氯化鈉溶液[33](二氯化鈣可以作為氯化鈉的替代品[37])，其為保守示蹤劑，由于整個水槽處于循環(huán)系統(tǒng)，因此地表水中氯化鈉濃度的下降可以表征地表水與沉積物之間發(fā)生了潛流交換。試驗中配置的氯化鈉溶液濃度不宜過大，避免濃度梯度對潛流交換造成影響。試驗初始階段，在地表水與地下水達到穩(wěn)定狀態(tài)后，向下游水箱注入示蹤劑溶液，打開下部蠕動泵閥門，使地表水與地下水循環(huán)流動并充分混合。通過儀器測量地表水的電導率，每次使用儀器前需進行校準[21]，電導率記錄儀會自動對測得的數(shù)據(jù)進行保存和傳輸。由于測量電導率儀器的瞬時讀數(shù)會受到使用環(huán)境的影響[38]，可能有數(shù)據(jù)不連續(xù)的情況出現(xiàn)，需要人為對數(shù)據(jù)進行后期處理，處理后將電導率數(shù)值轉化為氯化鈉濃度，再通過質量平衡方程進行潛流交換程度的量化。每組試驗結束后，需要進行換水和洗沙工作，直到孔隙水中的溶質濃度下降為背景值[32]，便可進行下一次試驗。

染料示蹤劑的使用可以讓潛流交換的可視化程度更加清晰直觀[39]，此類示蹤劑在選擇時需要考慮其穩(wěn)定性和不易被吸附性。在溶解染料時盡可能選擇去離子水，避免染料發(fā)生降解[33]，后續(xù)用移液管將染料溶液注入河床內部，注入過程中應盡量減小對河床形態(tài)的干擾[40]。部分染料示蹤劑會受到太陽光照射的影響，但在室內模型試驗中可忽略其影響[41]。試驗中染料隨潛流流動路徑不斷擴散，可對全過程拍攝記錄。

近些年來，部分學者開始使用溫度作為示蹤劑研究潛流交換[35,42-43]，溫度作為天然示蹤劑，有無污染、精度高等特點，在實際運用時需考慮滲流場與溫度場的耦合作用。地表水下滲或地下水上涌引起潛流帶中溫度的變化，地表水下滲加劇了潛流帶中的溫度波動，地下水上涌減緩了潛流帶中的溫度波動[43]。試驗中通過布置一系列熱敏電阻測量溫度，為使測量結果精確，在儀器布置時，溫度傳感器與數(shù)據(jù)記錄儀之間的連接線需固定于水槽壁以減小因水體流動產生的干擾，在水槽壁的外表面增加保溫材料可減少沉積物與外界環(huán)境之間的熱傳導[42]。溫度作為示蹤劑有助于在更廣闊的空間尺度上實現(xiàn)對河床潛流交換過程的定量研究，為探究潛流交換的時空動態(tài)特征提供了一種新的思路[44]。

隨著現(xiàn)代流動測量技術的發(fā)展，對潛流帶的研究中逐漸出現(xiàn)了一些新穎的課題，Kaufman[45]在水槽試驗中通過平面光電二極管成像技術，研究地表水流速對潛流帶中溶解氧分布的影響，發(fā)現(xiàn)潛流帶中溶解氧的分布對地表水流速變化的響應存在時間尺度上的滯后性，且對水流加速的響應快于受到水流減速的響應；Wolke等[46]也通過平面光電二極管成像技術研究了床形的移動對潛流帶中氧氣動力學的影響，發(fā)現(xiàn)隨著床形變化速度的加快，潛流帶中氧氣的傳輸過程逐漸由對流交換變?yōu)闆_淤交換。筆者認為氧氣在潛流帶的生物地球化學反應中有著十分重要的作用，如氮素在潛流帶中的轉化、有機碳的轉化等過程，以上對氧氣在潛流帶的分布和動態(tài)變化研究或許是對潛流帶跨學科研究邁出的又一小步。

2.3 模型試驗評估指標

從多個角度對潛流交換程度進行評估，以便更加全面地量化整個交換過程，具體的評估指標主要包括：交換通量、交換深度和滯留時間，如表3所示。

表3 潛流交換程度的評估指標Table 3 Evaluation indexes of the degree of hyporheic exchange

潛流交換通量表征其間進行物質交換的效率，是評估潛流交換程度的重要參量，其主要從垂向、側向和平均三個角度進行量化。部分學者在計算垂向交換通量時，充分考慮了交換過程的復雜性，引入有效擴散系數(shù)[47-49]，對徑流條件、沉積物性質、河床深度等因素進行綜合概述。自然河流中由于存在原木、石塊等障礙物，對垂向與側向的交換通量進行區(qū)分較為復雜，Sawyer等[37]結合模型試驗與數(shù)值模擬推導出以傅汝德數(shù)和河道堵塞率表示的原木結構驅動下的平均潛流交換通量公式。潛流交換深度作為又一評估指標，其體現(xiàn)了潛流帶中生物活性反應區(qū)在垂向上的延伸范圍，交換深度受到水動力過程與河床形態(tài)的影響，可以用以評價潛流帶對河流生態(tài)健康的貢獻量[47]。水流進入潛流帶后會在其中滯留一段時間，在這期間進行著一系列生物、化學反應和物質、能量的輸移，滯留時間的長短決定了該處是否進行某些反應[50]，滯留時間受到河床形態(tài)、沉積物性質等因素影響。

3 潛流交換影響因素

自然河流中影響潛流交換的因素眾多，筆者將各種因素歸類為河床形態(tài)、河岸形態(tài)、河流修復結構、沉積物性質、徑流條件五個部分，如圖2所示，下文將分別對五個部分中進行概述，總結在不同影響因素驅動下潛流交換程度的變化規(guī)律。

圖2 潛流交換的影響因素Fig.2 Influencing factors of hyporheic exchange

3.1 河床形態(tài)的影響

自然河流中最為常見的河床形態(tài)是波紋、沙坡狀河床，在相同的流動條件下，波紋、沙坡狀床形在河床迎水面與背水面產生的壓差促進潛流交換，因而相比于平坡下的潛流交換通量更大[35,47]。為了探究更多形態(tài)河床對潛流交換的影響，Marion等[21]在模型試驗中人工塑造了正弦波、三角形、波紋狀等河床，陳孝兵等[47]塑造了不同形態(tài)參數(shù)的三角形河床，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，在水循環(huán)初始階段，潛流交換主要以對流交換的形式進行，這段時間內床形因素對交換程度影響較大，三角形河床的潛流交換速率在初期大于正弦波河床，主要是由于三角形河床頂部發(fā)生的水體流動分離現(xiàn)象，產生了更高的壓差進而使得初期潛流交換速率較快，在試驗中期兩種形態(tài)下的交換速率相似。對于同一種人造床形，潛流交換程度會隨河床波高與波長比值的增大而增強[47]。床形波長與潛流交換深度存在關聯(lián)，Norman[55]通過溫度示蹤法在水槽試驗中發(fā)現(xiàn)潛流交換深度約等于0.5倍的床形波長。自然河流中，棲息在河床表面的許多生物，如：小龍蝦、大馬哈魚等會因捕食、產卵等活動產生土堆狀、坑狀床形，增加流動環(huán)境中的異質性改變局部流場，產生較高的壓力差促進潛流交換過程[56]。

以上是小尺度下的河床形態(tài)，對于更大尺度的研究：Tonina和Buffington[41]針對淺灘-深潭狀河床進行模型試驗，發(fā)現(xiàn)潛流交換主要是由床形誘導的對流交換機制產生，淺灘-深潭類河床具有復雜的地表水力學特性，其對河床表面的壓力分布和擬定流量下可進行潛流交換的河床表面積存在影響，進而改變局部的潛流交換；河床坡度對潛流交換的影響與河床形態(tài)相關，淺灘-深潭狀河床中坡度越陡潛流交換的深度越淺[57]，而階梯狀河床中的交換深度則與坡度呈正相關[58]。

上述均為在相對靜止河床下的研究，然而自然界中大部分河床都會隨時間而遷移變化，Wolke等[46]、Zheng等[59]和Kessler等[60]對遷移變化型河床的潛流交換進行了研究，由于在模型試驗中，靜態(tài)與動態(tài)床形的變化主要受地表水流速影響，因此筆者將動態(tài)與靜態(tài)床形下潛流交換的概述納入了徑流條件部分。

筆者認為河床形態(tài)對潛流交換的影響主要歸因于對河床表面壓力梯度及壓力分布的影響，通過改變床面壓力梯度影響潛流交換程度，改變壓力分布影響潛流交換的發(fā)生區(qū)域。之前已經有許多學者在模型試驗中對小尺度的單一床形進行了研究，未來的研究中：針對自然流域中多類河床形態(tài)組合的復合型床形，其驅動的潛流交換演變規(guī)律；階梯結構中水躍的發(fā)生，引起下游沉積物中壓力的波動，與沖刷造成的沉積物滲透率變化共同影響的潛流交換過程等值得繼續(xù)探索。

3.2 河岸形態(tài)的影響

河岸形態(tài)大致分為彎曲與順直兩種，模型試驗中使用形態(tài)塑造器對不同工況下的河岸形態(tài)進行調整[32]。順直河岸的側向潛流交換主要由紊動擴散及孔隙尺度下的微對流引起[32]，當?shù)乇硭魉倥c水深增加時，其紊動擴散與微對流強度增強，引起潛流交換通量的增加；對于彎曲河岸，地形的不規(guī)則為河岸的側向潛流交換創(chuàng)造了條件[61]，水流速度與河岸彎曲程度增加時局部壓力梯度增大，增強對流作用引起交換通量的增加[32]。彎曲河岸中迎水面與背水面受到彎曲程度的影響導致河道斷面中水面變窄或變寬，坡面水壓力因此產生不同的響應，造成河岸迎水面的滯留時間與蜿蜒程度呈負相關，背水面的滯留時間與蜿蜒程度呈正相關[62]，在受到植被密度與河岸蜿蜒程度雙因素驅動時，河岸迎水面與背水面對雙因素作用的響應不同，迎水面受雙因素的影響均為促進作用，背水面既存在促進也存在抑制作用[62]。

筆者認為，河岸形態(tài)對潛流交換的影響可以歸因于對交換界面壓力的影響，較高的壓力差產生較強的潛流交換。在試驗條件下的研究是基礎，今后的研究中還應更多地涉及到實際情況中非均質河岸、非規(guī)則彎曲河岸、連續(xù)彎曲河岸等情況下的潛流交換，結合實際環(huán)境深入研究多因素復合驅動下潛流交換的變化規(guī)律。

3.3 河流修復結構的影響

河流修復結構，如：原木、巨石堰、丁壩等，除了可以調節(jié)地表水動力減小河道沖刷[63]、改善流域景觀外，對河流的潛流交換也存在調節(jié)作用[64]。

布置于河道中的原木，對地表水流形成了阻礙，改變局部河床的水頭梯度和沉積物滲透率，使?jié)摿鹘粨Q的路徑長度和滯留時間均增加[65]，在原木附近的潛流交換通量最大，且隨著與原木距離的增加交換通量呈指數(shù)減小[37,42]。堆積的原木增加了潛流帶的連通性，局部的潛流交換通量與該處原木的堆積量呈正相關[66]；巨石堰的設置改變了局部河床的壓力差，產生較大的垂直交換通量，由于巨石堰下游較低的河床壓力與上游回水效應產生的下沉壓力所抵消，導致潛流交換的深度較低[51]。修復結構的宏觀尺寸對潛流交換存在影響，堰流結構和臺階結構驅動下的交換通量與堰高度和臺階高度呈正相關；跨越整個橫向河道的堰流結構相比于跨越部分橫向河道的修復結構對潛流交換的驅動更有效[16]。

河流中的修復結構還存在許多形式，如丁壩、跌坎、碎石壩、河貍壩等，筆者認為這些河流修復結構對潛流交換造成的影響都可以歸因于對結構附近床面壓力與局部沉積物滲透率的影響。雖然本節(jié)主要討論修復結構對潛流交換的影響，但潛流交換過程與流域生態(tài)環(huán)境密切相關，因此也簡要總結了河流修復結構中的原木對流域生態(tài)的影響：原木的存在促進了河流生態(tài)系統(tǒng)的多樣性[67-68]，其附近水流受到原木阻礙作用流速逐漸減緩，為底棲生物的棲息與產卵提供了適宜的環(huán)境，同時也為部分躲避獵食者的生物提供了避難場所[69]；原木誘導產生顯著的熱非均質性，影響局部的地表水溫度[42]，溫度的調節(jié)對部分水生動植物的存活至關重要[70]；原木作為河道里的碳源[71]，為微生物的生存與潛流帶中發(fā)生的部分生物化學反應提供了必要環(huán)境。綜上所述可以看到河道中原木帶來的生態(tài)價值是無可替代且難以量化的。未來針對修復結構驅動下的潛流交換，可以進一步研究多類型與多數(shù)量河流修復結構聯(lián)合驅動下的潛流交換變化規(guī)律。

3.4 沉積物性質的影響

自然河床由不同粒徑的沉積物組成，一些較細的顆粒會滲透到深層礫石中，模型試驗表明潛流交換速率與沉積物粒徑的平方成正比[34]。對于地表水流速較低的河段，由于水流不足以沖刷掉河床中的細顆粒物質，會形成床面堵塞，沉積物顆粒濃度、顆粒直徑和河床壓差等都會影響河床堵塞，在界面附近形成一層薄的低滲透層，降低潛流交換通量[72]。然而，底棲生物的擾動對沉積物的堵塞具有破壞作用，此作用與底棲生物的密度相關，在一定的底棲生物密度范圍內可使沉積物的滲透性達到最大值[73-74]，進而對潛流交換產生促進作用。造成河床堵塞的物質還包括膠體，河流中膠體的存在能夠吸附一部分污染物從而改變污染物的遷移路徑[75]，但究其本身也是一種污染物，與河床長期作用下極易堵塞床面[76]。河床內嵌入的黏土透鏡體因其滲透性較低，延長了部分潛流在沉積物中的流動路徑，導致水力梯度減小進而引起潛流流速減小[77]，透鏡體大小與分布位置的變化引起潛流交換程度的變化，長度的延伸增強了對潛流交換的阻礙作用[36]，與透鏡體垂直方向上的移動相比，水平位置的變化對潛流交換范圍的影響更大[78]。

非均質性作為潛流帶的基本屬性之一，其直接影響了潛流交換的空間變化[79]，相比于大部分模型試驗中的均質河床，非均質河床增強了潛流交換通量、減少了滯留時間、降低了交換深度[53]。侵蝕與沉積過程使河床形成具有不同成分的分層床[80]，分層結構減小了潛流交換的深度和發(fā)生潛流交換的區(qū)域面積[81]。

河床上部的水流溫度受環(huán)境影響會產生日波動與年波動，水流的黏度會隨之改變進而引起沉積物滲透率的變化，造成潛流交換通量的波動，水溫相對較高時，潛流交換通量較大[82]。沉積物的氣體累積量也會改變其滲透率，在枯水期，河床氣體累積量對地下水與潛流帶的交換有著顯著影響[83]。

筆者認為上述沉積物粒徑、河床堵塞現(xiàn)象、非均質性、水流黏度、孔隙率、河床氣體累積量、膠體和透鏡體的沉積、底棲生物的擾動等因素對潛流交換的影響都可以歸因于對沉積物滲透能力的影響。表征滲透能力強弱的名詞有滲透系數(shù)(水力傳導率)和滲透率，兩者之間可以進行單位換算。河床沉積物的滲透率隨著空間位置的不同存在較大差異[84]，一般情況下，河床中部滲透率大于兩岸，淺層滲透率大于深層[85]。潛流交換速率正比于沉積物滲透率[49]，當沉積物的滲透率低于一定閾值時將沒有潛流交換發(fā)生[25]。綜上所述可見河床滲透能力的強弱對河流中的潛流交換具有重要影響，在今后的生態(tài)環(huán)境保護過程中需要對此足夠重視。

3.5 徑流條件的影響

流量隨時間的波動會引起交換通量與交換深度的變化，影響潛流帶中溶解氧的分布，對其間進行的氧化還原反應造成影響[45]。潛流交換深度隨流量的增加呈倒U型趨勢變化，當流量較小或者較大時，潛流交換只發(fā)生在沉積物的表層區(qū)域[58]。在河床形態(tài)為階梯結構的模型試驗中，可以通過改變流量以控制水躍的發(fā)生，水躍的產生伴隨著水流流態(tài)的變化，影響局部沉積物表面的壓力分布，形成潛流的下滲集中區(qū)或上涌集中區(qū)[19]。

流速被認為是評估自然河流中潛流交換的關鍵因素之一[49]。水流的高速運動會沖掉河床中的細小沉積物，減少河床淤塞[86]，促進淺層河床區(qū)域的潛流交換，減短潛流的滯留時間。在靜態(tài)河床的模型試驗中，為防止沉積物顆粒間的剪切應力大于摩阻力產生滑移，需控制地表水流速，使河床形態(tài)保持相對穩(wěn)定[35,55]。然而自然界中大部分河床都會隨時間遷移變化，Wolke等[46]對遷移變化的河床進行研究發(fā)現(xiàn)隨著地表水流速的增加，沖淤交換增強，潛流交換通量與地表水流速幾乎呈線性關系，然而在靜止河床中，潛流交換通量與流速的平方呈正相關[34]，這是由于相比于對流交換，當沖淤交換占主導地位時，潛流交換通量相對較小[87]。Zheng等[59]和Kessler等[60]對遷移變化的床形進行研究，發(fā)現(xiàn)由于床形遷移引起的沖淤交換極大程度地改變了潛流帶中的流場、潛流交換通量、溶質分布和生物化學反應。

水位對潛流交換程度存在影響，但在模型試驗時，不能只考慮絕對水位，還應考慮地表水深度與河床高度相比得到的相對水位[21]，相對水位越大引起的床面壓力越大，造成潛流滯留時間越長、交換區(qū)域越大，但相對水位對潛流交換速率影響較小[47-48]。

當用雷諾數(shù)表征流體性質與河道環(huán)境時，潛流交換深度與雷諾數(shù)的0.5次冪呈正相關[47]。雷諾數(shù)過大時流體為湍流，湍流的產生影響水沙交界面的壓力梯度，對潛流交換具有促進作用[19]。當河流表面受到風或氣壓變化影響時會形成波浪，影響河床表面的壓力大小與壓力分布，增強潛流交換速率與交換深度，其壓力的波動變化使發(fā)生潛流交換區(qū)域的分散性增強[22]。

筆者認為徑流條件對潛流交換的影響主要歸因于對交界面壓力和交換區(qū)域面積的影響，流量、流速、水深、表面波等因素影響了河床表面的壓力梯度進而影響潛流交換程度，水深的增加也改變了潛流交換的表面積進而增加了潛流交換通量。各徑流條件之間往往存在著聯(lián)動關系，對模型試驗中的不變量難以精確控制，雷諾數(shù)作為表征流體流動情況的無量綱數(shù)，將其引入至模型試驗中將有利于試驗的可操作性和精確性。

4 總結與展望

國內外許多的潛流交換模型試驗研究了河床形態(tài)、河岸形態(tài)、河流修復結構、沉積物性質、徑流條件因素的影響規(guī)律，室內模型試驗排除了野外試驗中眾多復雜環(huán)境因素的干擾，將復合因素剖分為單一變量便于分析和歸納各類因素的作用機制，揭示了在單因子或多因子影響下的潛流交換規(guī)律，并解決了對規(guī)律進行定量分析的困難，對潛流交換的深入研究具有重要的價值。試驗中所采用的方案、設備和量化方法等也在不斷完善，由于自然河流中潛流交換過程的復雜性，在今后的研究中還存在一些問題有待改進：

(1)當前與潛流交換相關的模型試驗中針對多因素作用下的復合效應研究較少，然而實際河流中的潛流交換受到眾多因素相互作用的影響，將復雜過程剖分為單一因素進行定量研究后，若能將各類因素的復合作用進行分析，將有助于推進相關研究成果在實際河流工程中的應用。

(2)潛流交換的研究方法主要包括模型試驗、野外試驗、數(shù)值模擬，三種方法均有其各自的優(yōu)點，野外試驗耦合了自然河流中存在的多類因素，研究結果的說服性較強，數(shù)值模擬可以解決試驗中不方便設置的復雜工況，且對交換過程可以實現(xiàn)有效的預測，運用多種方法同時進行研究將增強試驗結果的可靠性。

(3)潛流帶中存在豐富的生物、化學反應，涉及到生態(tài)學、水文地質學、水文學、微生物學、地貌學、環(huán)境學等多個領域，對潛流交換過程的多方位評估，將會為潛流交換的跨學科研究提供支撐。