邊灘對分層河岸帶潛流層溶質(zhì)遷移過程的影響

關(guān)鍵詞：邊灘；淹沒深度；分層結(jié)構(gòu)；河岸帶潛流層；溶質(zhì)遷移

河岸帶潛流層是河岸帶內(nèi)地表水與地下水相互作用的飽和沉積物層[1-3]，該區(qū)域存在復(fù)雜的水動力、物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化等動態(tài)過程[4-6]，是河岸帶邊緣效應(yīng)的重要體現(xiàn)區(qū)[7]。過往研究表明，邊灘獨特的結(jié)構(gòu)特征會促進潛流交換過程，加快污染物循環(huán)轉(zhuǎn)化，增強潛流層對污染物的消減能力，從而達到凈化河流水體的作用[8-10]。因此，掌握邊灘對河岸帶潛流層溶質(zhì)遷移過程的影響機理，對于提高河岸帶污染物消減效率及開展河岸帶生態(tài)修復(fù)具有重要的理論與實踐意義。邊灘形態(tài)及河流水動力條件的變化均會對潛流交換過程產(chǎn)生影響。Monofy等[11]通過數(shù)值模擬的方式探究了邊灘對潛流交換過程的影響，研究表明邊灘淹沒深度顯著影響河床內(nèi)的潛流交換過程，且潛流交換通量隨邊灘淹沒深度的升高而降低；Tonina等[12]通過物理模型試驗的方式同樣證實了該結(jié)論，并指出邊灘彎曲振幅的增大會促進河床潛流交換過程。然而，這些研究多針對河床潛流層，但邊灘淹沒深度對河床潛流交換過程的影響機理并不完全適用于河岸帶潛流層[2]。目前，部分學(xué)者探究了邊灘對均質(zhì)河岸帶潛流交換過程的影響，并指出邊灘寬度、河床坡度以及地表水流量均會顯著影響河岸帶潛流交換過程[10，13]。但張琦等[14]研究表明，受河流沖刷作用的影響，河岸帶潛流層在橫向上具有分層結(jié)構(gòu)特征，近岸區(qū)域以礫石層為主，而遠(yuǎn)岸區(qū)域則由砂質(zhì)土壤組成。因此，需針對河岸帶潛流層的分層特點，綜合考慮邊灘特性和地表水動力等因子，開展河岸帶潛流層溶質(zhì)遷移機理的研究。

本文依據(jù)實際河流，概化邊灘形態(tài)、河岸帶基質(zhì)和地表水動力條件，通過物理模型試驗，深入探討邊灘淹沒深度、河岸帶基質(zhì)和地表水流速對河岸帶潛流層內(nèi)溶質(zhì)遷移過程的影響機理。本研究旨在豐富河岸帶潛流理論，為河岸帶生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1試驗裝置與試驗方法

1.1試驗裝置及模型設(shè)計

本研究中的物理模型以靈山港為原型。靈山港位于浙江省衢州市龍游縣，河道全長43.79km，流域面積為367.6km2，平均比降為0.2%。流域內(nèi)灘地資源豐富，總面積達2.5km2，河岸帶邊坡系數(shù)為3，并呈現(xiàn)出橫向分層結(jié)構(gòu)[14]。

本研究采用林俊強等[15]和夏繼紅等[2]提出的雙循環(huán)可控式半河岸帶模型進行試驗。該模型由上下游水箱、過渡段、河道沙槽（潛流交換區(qū)域）、地表-地下水循環(huán)系統(tǒng)組成（圖1和圖2），其中沙槽長1000cm，寬200cm，高80cm。模型河岸邊坡系數(shù)設(shè)置為3，與靈山港相一致。當(dāng)邊坡系數(shù)為3時，河岸對地表水流的擾動范圍可達4.34倍于水深[16]，為減少模型左邊壁對近岸水域流場的影響，邊灘橫徑需小于13cm。歷史資料顯示，靈山港邊灘橫縱徑比值的眾數(shù)為0.08[17]，因此本研究中邊灘橫徑設(shè)定為8cm，縱徑設(shè)定為100cm。為刻畫出邊灘外凸彎曲形態(tài)，本研究將其邊緣簡化為半正弦形狀（y=asin（2πx/λ），其中a為8cm（橫徑），λ/2為100cm（縱徑），x為距測量起始點的距離（0lt;xlt;λ/2））。邊灘位于沙槽中央，與上下游過渡段均保持450cm距離（圖2）。河床寬33cm，坡降與實際情況一致，為0.2%，床面平整、無沙波。監(jiān)測段覆蓋了邊灘及其上下游50cm區(qū)域，全長200cm，在縱、橫向上每隔25cm設(shè)置一監(jiān)測斷面（圖2），每個測點處安裝直徑為1cm、埋深為13cm的鋼絲彈簧管。試驗過程中，河岸與邊灘形態(tài)保持不變，水分蒸發(fā)與示蹤劑揮發(fā)量可忽略，因此該水槽可視作封閉系統(tǒng)，可應(yīng)用于河岸帶潛流層溶質(zhì)遷移規(guī)律的研究。

1.2試驗方法與特征參數(shù)

邊灘淹沒深度的設(shè)計基于靈山港2001—2020年間逐日平均水深數(shù)據(jù)，枯水期、常水期和豐水期的平均水深分別為78、213和378cm。依據(jù)正態(tài)模型的幾何相似原理，設(shè)置了3組淹沒深度（h=2、6、10cm）。據(jù)歷史資料可知，在枯水期與常水期時邊灘部分淹沒，在豐水期時完全淹沒，因此設(shè)定邊灘高度為7cm。流速設(shè)置了2組工況（20和27cm/s）。靈山港河岸帶基質(zhì)在橫向上呈現(xiàn)分層特征，近岸主要由礫石構(gòu)成，遠(yuǎn)岸則以砂粒為主[18]。本模型中設(shè)置了均質(zhì)石英砂、均質(zhì)礫石和分層基質(zhì)（近岸為礫石，遠(yuǎn)岸為石英砂，2種基質(zhì)層寬度均為64cm）3組工況，其中，石英砂中值粒徑d50=0.78mm、滲透系數(shù)k=5.84×10?3m/s、孔隙度n=0.45，礫石d50=15mm、k=9×10?2m/s、n=0.53。本試驗共設(shè)置10組工況，試驗參數(shù)如表1所示。

試驗啟動后，通過調(diào)節(jié)管道閥門，使地表與地下水位平齊并達到穩(wěn)定狀態(tài)，再向下游水箱投放500gNaCl，充分?jǐn)嚢枋蛊渚鶆蚍植?。在地表水循環(huán)5min后，當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度達到均一狀態(tài)時，開始監(jiān)測地表水及測井中的電導(dǎo)率。前30min內(nèi)每隔5min進行1次測定；30～lt;120min每隔10min進行1次測定；120～lt;180min每隔20min進行1次測定；180～lt;360min每隔30min進行1次測定；360～lt;720min每隔60min進行1次測定。每組試驗結(jié)束后，通過換水洗沙的方式將孔隙水中電導(dǎo)率降低至背景值。

1.3溶質(zhì)遷移過程定量表征指標(biāo)及其計算方法

自然河道內(nèi)常因突發(fā)狀況造成水體污染，如突發(fā)降雨引起的外源污染物進入河道、工廠未經(jīng)處理或處理不完善的污染水源直接排放等，均可引起河道內(nèi)可溶性污染物濃度短時間內(nèi)激增。研究表明，在溶質(zhì)遷移前期，潛流層內(nèi)溶質(zhì)遷移速率快，對溶質(zhì)的截留量最大；在溶質(zhì)遷移后期，潛流層內(nèi)溶質(zhì)遷移速率緩慢，對溶質(zhì)的截留量小[19]。定量化探究河岸帶潛流層內(nèi)溶質(zhì)遷移速率的變化對河流生態(tài)環(huán)境健康具有重要意義。

1.3.1溶質(zhì)遷移速率

本文的研究區(qū)域為河床平面以上的河岸帶潛流層區(qū)域。河岸帶潛流層內(nèi)的溶質(zhì)遷移速率是指單位時間河岸帶潛流層內(nèi)溶質(zhì)質(zhì)量的增量占模型系統(tǒng)中溶質(zhì)總質(zhì)量的百分比，其計算方法如式（1）所示：

物理模型試驗過程中為散點監(jiān)測方式，以監(jiān)測點處溶質(zhì)質(zhì)量濃度代表其所在區(qū)域的平均質(zhì)量濃度，區(qū)域劃分方法如圖3所示，橫向各斷面劃分為H1—H5，縱向各斷面劃分為L1—L9，圖中HiLj代表橫向第i斷面與縱向第j斷面相交的區(qū)域。將所有區(qū)域溶質(zhì)質(zhì)量相加即可得到河岸帶潛流層內(nèi)的溶質(zhì)質(zhì)量。將式（1）進行離散化處理可得式（2）：

將由式（2）計算所得的溶質(zhì)遷移速率通過K-means聚類和系統(tǒng)聚類相結(jié)合的方式進行分類。通過系統(tǒng)聚類方法識別出異常溶質(zhì)遷移速率的數(shù)值數(shù)據(jù)并確定分類數(shù)量，剔除異常數(shù)據(jù)后，采用K-means聚類分析方法指定分類數(shù)量進行分類，結(jié)果如表2所示。

1.3.2溶質(zhì)遷移面積

利用軟件繪制河岸帶潛流層內(nèi)溶質(zhì)質(zhì)量濃度的等值線圖，并標(biāo)記出溶質(zhì)質(zhì)量濃度為0的等值線；再通過AutoCAD軟件，用多段線工具獲取不同時刻河岸帶潛流層內(nèi)溶質(zhì)質(zhì)量濃度大于0的區(qū)域面積，即可得到不同時刻溶質(zhì)在河岸帶潛流層內(nèi)的遷移面積。

1.3.3橫向與縱向斷面溶質(zhì)質(zhì)量

本文中監(jiān)測區(qū)域共分為5個橫向斷面，9個縱向斷面（圖3）。每個橫向斷面的溶質(zhì)質(zhì)量可通過該斷面9個區(qū)域面積相加獲得，計算方法如式（3）所示：

每個縱向斷面的溶質(zhì)質(zhì)量可通過該斷面5個區(qū)域面積相加獲取，計算方法如式（4）所示：

2結(jié)果與分析

2.1分層河岸帶潛流層對溶質(zhì)遷移過程的影響

分層（T3）與礫石（T6）河岸帶潛流層中，溶質(zhì)隨時間的遷移過程如圖4所示。在縱向上，溶質(zhì)由灘前區(qū)域和邊灘迎水面進入河岸帶潛流層，再由灘后區(qū)域返回至地表水中，灘后區(qū)域溶質(zhì)遷移過程受到顯著抑制。這是因為邊灘的彎曲形態(tài)減小了河道斷面面積，地表水流速增大，導(dǎo)致邊灘迎水面與灘前岸坡表面之間形成壓力梯度，促使溶質(zhì)由該區(qū)域進入河岸帶潛流層。在邊灘頂點處，遠(yuǎn)離邊灘的地表水流繼續(xù)沿直線向下游流動，靠近邊灘的地表水在邊灘下游形成一個流速緩慢的回流區(qū)域，該區(qū)域由一個順時針旋轉(zhuǎn)的渦流構(gòu)成[18]（圖5，根據(jù)文獻[18]改繪）。此外，受回流區(qū)的影響，背水面的壓強小，部分潛流由此區(qū)域返回地表，形成上升流；上升流與地表水流交匯，形成了一個逆時針旋轉(zhuǎn)的渦流。此時背水坡區(qū)域形成了由2個旋轉(zhuǎn)方向相反的渦流組成的回流區(qū)域，這顯著抑制了灘后河段的溶質(zhì)遷移過程[18]。

分層河岸帶潛流層會顯著抑制溶質(zhì)的橫向遷移并改變其遷移路徑（圖4）。礫石潛流層（T6）中溶質(zhì)由近岸向遠(yuǎn)岸遷移，而在分層潛流層（T3）中，當(dāng)溶質(zhì)由礫石層橫向遷移至2層交界面時，并未繼續(xù)向遠(yuǎn)岸砂粒層進行橫向遷移，而是沿著礫石與砂粒層交界面進行縱向遷移。此外，隨著地表水流速增加（T1：60min），對溶質(zhì)橫向遷移的阻滯作用增強。這是因為砂粒層滲透系數(shù)小于礫石層，當(dāng)溶質(zhì)遷移至2層交界處時，砂粒層會抑制其繼續(xù)向遠(yuǎn)岸處遷移，此時，溶質(zhì)將在滲透系數(shù)大的礫石層內(nèi)沿著交界面縱向遷移[16]。

基于溶質(zhì)遷移速率、遷移面積、遷移質(zhì)量的縱向方差（σL2）和橫向方差（σH2）等指標(biāo)，定量分析分層結(jié)構(gòu)對溶質(zhì)遷移過程的影響。分層與礫石潛流層中溶質(zhì)遷移速率的變化如圖6所示，2組工況的快速遷移階段（S1）與緩速遷移階段（S2）持續(xù)時間及遷移質(zhì)量無明顯差異。然而，在分層工況下，微速遷移階段（S3）的溶質(zhì)質(zhì)量僅為礫石工況的1/3。這表明，近岸區(qū)域的基質(zhì)對溶質(zhì)的快速及緩速遷移階段影響較大，而遠(yuǎn)岸區(qū)域的基質(zhì)主要影響微速遷移階段，且遠(yuǎn)岸基質(zhì)的細(xì)化會顯著抑制微速遷移過程。溶質(zhì)遷移面積隨時間的變化如圖7所示，0～lt;1h內(nèi)，2組工況的遷移面積及面積增加率相同；然而，在0～lt;5h以及0～12h內(nèi)，分層工況下的遷移面積分別僅為礫石工況的49.2%和65.4%，這進一步說明了分層結(jié)構(gòu)下遠(yuǎn)岸細(xì)顆?；|(zhì)對溶質(zhì)遷移過程的阻礙作用。

分層與礫石潛流層中溶質(zhì)的縱向和橫向方差隨時間的變化如圖8所示。礫石潛流層橫向方差的峰值更高且達到峰值的時間更晚，表明遠(yuǎn)岸砂粒層限制了溶質(zhì)的橫向遷移；同時，礫石潛流層縱向方差的峰值小于分層潛流層，表明遠(yuǎn)岸砂粒層促進了溶質(zhì)的縱向遷移。對比T1和T3工況，在高流速條件下（T1），橫向方差峰值更低，縱向方差峰值更高。這表明隨著地表水流速的升高，分層潛流層對溶質(zhì)橫向遷移的抑制作用增強，對縱向遷移的促進作用也增強。

2.2邊灘淹沒深度對溶質(zhì)遷移過程的影響

邊灘不同淹沒深度下（T2：h=2cm；T3：h=6cm；T4：h=10cm）溶質(zhì)遷移速率和遷移面積變化如圖6和圖7所示。隨著淹沒深度的升高，溶質(zhì)的快速遷移階段持續(xù)時間和遷移面積均增大。這主要是由于地表水與河岸帶交界面積隨著淹沒深度的升高而增大，促進了溶質(zhì)遷移過程；同時，地表水的水力半徑隨淹沒深度的升高而增大，雷諾數(shù)增加，水流紊動強度增強，從而進一步增強了地表水與河岸帶孔隙水的交換，促進了溶質(zhì)遷移過程。

當(dāng)淹沒深度為2cm時，無快速遷移階段；當(dāng)淹沒深度為6cm時，快速遷移階段持續(xù)時間為60min，該階段內(nèi)溶質(zhì)遷移質(zhì)量占溶質(zhì)總質(zhì)量的58.5%；當(dāng)淹沒深度為10cm時，快速遷移階段持續(xù)時間為110min，溶質(zhì)遷移質(zhì)量與溶質(zhì)總質(zhì)量之比為51.0%。由此可知，在部分淹沒狀態(tài)下（2～lt;6cm），升高淹沒深度可有效加快溶質(zhì)遷移速率，但當(dāng)邊灘由部分淹沒轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆蜎]狀態(tài)時（6～10cm），對溶質(zhì)遷移速率的促進作用減弱。同樣，隨著淹沒深度的增加，溶質(zhì)遷移面積增大，但其增加率降低（圖7）。這主要是因為在部分淹沒狀態(tài)下，邊灘表面的壓力梯度隨淹沒深度的升高而增大，促進溶質(zhì)對流遷移；此外，溶質(zhì)入滲面積會隨淹沒深度的升高而增大，從而進一步促進溶質(zhì)遷移過程。然而，當(dāng)邊灘完全淹沒時，雖然溶質(zhì)的入滲面積增大，但是由于邊灘平面以上岸坡為順直形態(tài)，近岸水域的流速變幅降低，岸坡表面的壓力梯度減小，導(dǎo)致溶質(zhì)對流遷移強度降低，因此對溶質(zhì)遷移過程的促進作用減弱。

不同淹沒深度條件下溶質(zhì)質(zhì)量的橫向與縱向方差隨時間的變化如圖8所示。隨著淹沒深度的增加，橫向方差峰值增大，這表明邊灘淹沒深度的增加會促進溶質(zhì)的橫向遷移。在縱向上，當(dāng)邊灘淹沒深度分別為2、6和10cm時，縱向方差峰值分別為0.66、4.04和3.08g2。這表明，在部分淹沒狀態(tài)下，隨著淹沒深度的增加，溶質(zhì)的縱向遷移過程得到促進；當(dāng)邊灘由部分淹沒轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆蜎]狀態(tài)時，溶質(zhì)縱向遷移過程受到抑制。

2.3雙因子對溶質(zhì)遷移過程的復(fù)合影響

以工況T3為基準(zhǔn)，單因子與雙因子作用下溶質(zhì)各遷移階段持續(xù)時間、溶質(zhì)遷移面積、溶質(zhì)質(zhì)量橫向與縱向方差峰值變化率如圖9所示。在T7（h=10cm，礫石）工況下，雙因子協(xié)同促進溶質(zhì)遷移過程，各項指標(biāo)的增幅明顯大于單一因子的作用。尤其是快速遷移階段持續(xù)時間，雙因子作用下的增加率（11.1%）大于單一淹沒深度（8.3%）和基質(zhì)因子（1.4%）增加率之和。這是因為單獨增加淹沒水深，雖然會促進溶質(zhì)遷移速率，但遠(yuǎn)岸砂粒層仍會抑制溶質(zhì)遷移；而將遠(yuǎn)岸基質(zhì)由砂粒粗化為礫石時，由于地表水動力條件不變，溶質(zhì)對流遷移的主體仍在近岸礫石層，遠(yuǎn)岸基質(zhì)對其無顯著影響；當(dāng)雙因子同時增大時，溶質(zhì)對流遷移范圍增大，且遠(yuǎn)岸礫石層不再阻礙溶質(zhì)遷移，使得快速遷移期持續(xù)時間顯著增加。

在T5（h=2cm，礫石）工況下，溶質(zhì)遷移過程受到抑制，其效果與T8（h=2cm，砂粒）工況下相同，表明低淹沒深度下改變基質(zhì)粒徑對溶質(zhì)遷移過程無顯著影響。在T10（h=10cm，砂粒）工況下，溶質(zhì)遷移過程受到促進，其效果與T7工況下相反，表明高淹沒深度條件下增大基質(zhì)粒徑能顯著促進溶質(zhì)遷移。對比4組工況發(fā)現(xiàn)，邊灘淹沒深度的增加增強了基質(zhì)因子對溶質(zhì)遷移過程的影響。這是因為，當(dāng)邊灘淹沒深度為2cm時，地表水與河岸交界面積以及邊灘表面壓力梯度較小，使得溶質(zhì)遷移處于低水平狀態(tài)，基質(zhì)組成的變化對溶質(zhì)遷移無明顯影響。然而，隨著淹沒深度的升高，地表水與河岸交界面積、水流紊動強度以及邊灘表面壓力梯度均增大，溶質(zhì)遷移過程處于高水平狀態(tài)，此時改變基質(zhì)粒徑對溶質(zhì)遷移過程的影響效果顯著。

2.4多因子對溶質(zhì)遷移過程的復(fù)合影響

應(yīng)用冗余分析法（RDA）計算出邊灘淹沒深度、河岸帶基質(zhì)（s）、地表水流速（u）3項因子對溶質(zhì)遷移過程的作用程度，結(jié)果如圖10所示。3項因子對溶質(zhì)遷移速率，遷移面積以及橫、縱方向方差的累積作用程度分別為68.3%、81.2%和73.3%，表明3項因子能有效影響溶質(zhì)遷移過程。淹沒深度、河岸帶基質(zhì)、地表水流速對溶質(zhì)遷移速率的作用程度分別為37.5%、28.0%和2.8%，對遷移面積的作用程度分別為37.0%、25.3%和18.9%，對橫、縱向方差的作用程度分別為49.0%、23.2%和1.0%。這表明3項因子對溶質(zhì)遷移過程的影響呈現(xiàn)淹沒深度gt;河岸帶基質(zhì)gt;地表水流速的特征。這與前文關(guān)于淹沒深度與基質(zhì)雙因子對溶質(zhì)遷移過程影響的分析一致，淹沒深度的變化會影響基質(zhì)對溶質(zhì)遷移過程的作用效果。相比之下，流速變化對溶質(zhì)遷移過程的影響最小。原因在于，隨著淹沒深度和基質(zhì)粒徑的增加，流速對溶質(zhì)遷移的影響會有所增強，但單獨改變流速時，其對溶質(zhì)遷移過程的影響較小。T1與T3工況證實了這一現(xiàn)象，2種流速條件下的溶質(zhì)遷移速率及橫、縱向方差均未有顯著差異，說明在缺乏其他影響因子的情況下，流速的變化對溶質(zhì)遷移并未產(chǎn)生顯著的影響。

3討論

本文研究表明邊灘下游形成的回流區(qū)抑制了灘后區(qū)域的溶質(zhì)遷移過程。Huang等[13]探究了邊灘對均質(zhì)砂粒河岸潛流交換過程的影響，并指出邊灘的外凸形態(tài)導(dǎo)致潛流從灘前區(qū)域及邊灘迎水面進入河岸帶潛流層，再從灘后區(qū)域返回地表，這一過程抑制了灘后區(qū)域的潛流交換；同樣，Blois等[18]在研究礫石河床沙丘對河床潛流交換的影響時發(fā)現(xiàn)，河床沙丘的背水面形成的回流區(qū)會導(dǎo)致壓強降低，部分潛流由此返回地表形成上升流，從而抑制下游區(qū)域的潛流交換。因此，河床與河岸帶中的凸起結(jié)構(gòu)特征均會顯著抑制下游溶質(zhì)遷移過程。

邊灘淹沒深度是影響河岸帶潛流層溶質(zhì)遷移的主要因素，隨著邊灘淹沒深度的增加，溶質(zhì)遷移速率和遷移面積均有所提升。然而，Monofy等[11]指出，河床潛流交換通量隨著淹沒深度的增加而減小。這表明淹沒深度對河岸帶和河床潛流交換過程的影響存在相反的效應(yīng)。在低淹沒條件下，邊灘的形態(tài)和基質(zhì)組成導(dǎo)致水深波動顯著，局部靜壓梯度增大，從而促進了河床潛流交換。此外，邊灘的彎曲形態(tài)引起流速變化，動壓水頭梯度隨之增大，進一步促進了河床潛流交換。然而，由于此時地表水與河岸的接觸面積較小，河岸帶的潛流交換過程處于低水平。隨著淹沒深度升高，邊灘形態(tài)及基質(zhì)對地表水的影響減弱，水深波動趨于平緩，局部水頭梯度減小，河床潛流交換受到抑制。當(dāng)邊灘淹沒深度增加時，河流斷面濕周增長，增加了地表水與河岸的接觸面積，促進了河岸帶潛流交換。此外，淹沒深度的增加導(dǎo)致水力半徑增大，水流的雷諾數(shù)提升，從而增強了地表水的紊動強度，進一步促進了河岸帶潛流交換。

本研究旨在推動河岸帶區(qū)域復(fù)雜地下水文過程研究的發(fā)展，為河岸帶生態(tài)修復(fù)和環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，溶質(zhì)經(jīng)灘前進入河岸帶潛流層后，再由灘后返回地表，會導(dǎo)致灘后區(qū)域溶質(zhì)的積聚。因此，在農(nóng)業(yè)面源污染防治中，應(yīng)重點關(guān)注灘后區(qū)域。此外，分層河岸帶潛流層對溶質(zhì)的橫向遷移呈現(xiàn)抑制效應(yīng)，改變了溶質(zhì)遷移路徑，并限制了遷移面積。此結(jié)果可為野外監(jiān)測設(shè)備的合理布局提供指導(dǎo)，建議在分層界面處增加設(shè)備的部署，以便精確測量溶質(zhì)的遷移路徑。本研究的局限性在于僅探究了單一邊灘的影響。實際河流中邊灘通常以相鄰或相對排列的形式存在，且形態(tài)多樣，對溶質(zhì)遷移過程的影響也不同。例如，相鄰邊灘可能導(dǎo)致流速局部加快或減緩，從而影響溶質(zhì)的遷移路徑和速率。此外，邊灘的斜率、寬度等因素也會影響到水流與溶質(zhì)的相互作用，進而改變?nèi)苜|(zhì)遷移過程。因此，后續(xù)需深入探究邊灘結(jié)構(gòu)及形態(tài)對溶質(zhì)遷移過程的影響機理，定量化建立邊灘要素對溶質(zhì)遷移過程的影響效應(yīng)方程。

4結(jié)論

本文基于實際河流，對邊灘形態(tài)、河岸帶基質(zhì)和地表水條件進行了概化，并通過10組水槽試驗探討了邊灘淹沒深度、地表水流速和河岸帶基質(zhì)條件對河岸帶潛流層溶質(zhì)遷移過程的影響，揭示了邊灘對分層河岸帶潛流層溶質(zhì)遷移過程的影響機理。主要結(jié)論如下：

（1）河流邊灘會促進灘前和邊灘區(qū)域的溶質(zhì)遷移過程，同時抑制灘后區(qū)域的溶質(zhì)遷移。當(dāng)邊灘處于部分淹沒狀態(tài)時，升高淹沒深度可顯著促進溶質(zhì)遷移，具體表現(xiàn)為溶質(zhì)遷移速率的提高和遷移面積的增加；然而，當(dāng)邊灘由部分淹沒狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆蜎]狀態(tài)時，對溶質(zhì)遷移過程的促進作用會減弱。

（2）河岸帶潛流層的分層結(jié)構(gòu)顯著抑制了溶質(zhì)的微速遷移階段。在分層條件下，微速遷移階段的溶質(zhì)質(zhì)量僅為均質(zhì)礫石條件下的1/3；在0～12h內(nèi)，溶質(zhì)的遷移面積僅為礫石工況的65.4%。

（3）低淹沒深度條件下，基質(zhì)因子對溶質(zhì)遷移過程無顯著影響；隨著邊灘淹沒深度的增加，基質(zhì)因子對溶質(zhì)遷移過程的影響逐漸增強。

（4）邊灘淹沒深度、河岸帶基質(zhì)組成以及地表水流速3項因素對溶質(zhì)遷移速率，遷移面積及橫、縱方向方差的累積作用程度分別為68.3%、81.2%和73.3%，其中，邊灘淹沒深度對河岸帶潛流層溶質(zhì)遷移過程的影響顯著強于其他因素。