方紅衛(wèi)，何國建，黃 磊，劉 延，韓 旭，趙陳煒

（清華大學 水利水電工程系，水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084）

1 什么是生態(tài)河流動力學

生態(tài)河流動力學是研究河流中水沙輸移及床面形態(tài)與河流生物化學過程之間耦合關(guān)系的科學。泥沙顆粒的表面特性與輸移規(guī)律及其生態(tài)影響機制研究是生態(tài)河流動力學的核心內(nèi)容，通過確定河流系統(tǒng)（包括水庫、湖泊等）中水沙對水體生物以及水體生物對于水沙相互作用的函數(shù)關(guān)系，建立模擬模型，以恢復(fù)和保護河流水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能維持河流生態(tài)健康為基本目標，緩解人類活動或極端自然災(zāi)害的影響。

傳統(tǒng)的河流動力學主要研究泥沙顆粒在重力、流水、波浪和風力作用下的沖刷、搬運和沉積過程［1-2］?；诤恿鲃恿W，從宏觀的角度研究河流的形成與演變，則形成了河床演變學［3］。從河流動力學到河床演變學，研究從微觀逐步過渡到宏觀尺度，又相輔相成。如長江流域中干流與洞庭湖、鄱陽湖的水沙關(guān)系，根據(jù)河床演變學的原理，狹義的江湖關(guān)系指江湖演變關(guān)系，即洞庭湖、鄱陽湖等湖泊和長江干流的河相關(guān)系受水沙條件變化的影響，發(fā)生的江湖演變。河相關(guān)系中三個主要的函數(shù)變量分別為水位、河寬和比降，確定三個函數(shù)變量隨水沙條件變化的影響，就是確定江湖演變關(guān)系。然而隨著長江上游大規(guī)模水利工程的建設(shè)和運行，長江中下游的水沙過程發(fā)生了較大變化，河道普遍發(fā)生沖刷，出現(xiàn)了長江分流洞庭湖的分流分沙比下降，鄱陽湖枯水期提前，長江口咸潮增加等現(xiàn)象，進而影響了長江中下游的水質(zhì)安全和水生態(tài)環(huán)境安全。由水沙關(guān)系變化引起水生態(tài)環(huán)境的變化的研究，就促成了生態(tài)河流動力學這一學科的產(chǎn)生。

生態(tài)河流動力學基于傳統(tǒng)的河流動力學、河流生態(tài)學等學科中基本的概念和方法，通過學科交叉尋求河流生態(tài)系統(tǒng)中水沙輸移的生態(tài)學影響機制。相對生態(tài)水力學和河流生態(tài)學而言，更加注重泥沙輸移及表面特性這一關(guān)鍵物質(zhì)物理化學特性對水生態(tài)環(huán)境的影響，在中觀和微觀尺度層面建立水動力學、泥沙輸移、水環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng)之間耦合關(guān)系的理論體系，進而通過模擬模型的方法，揭示上述復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演化，確定演化過程導(dǎo)致的相容性，并逐步應(yīng)用到大江大河的水生態(tài)環(huán)境評估和治理中。

2 生態(tài)河流動力學研究的理論框架

河流兩岸自古以來即為人類繁衍生息之所，但河流中極端的水沙過程也給人類帶來災(zāi)害，在某種程度上改變河流的自然狀態(tài)和過程，確保人類的防洪和供水安全，就是變水害為水利。水利工程修建后，對于自然水沙過程的改變也必將影響河流的生態(tài)與環(huán)境。人們較早就意識到河流生態(tài)環(huán)境的需水量問題［4］，并提出了多種生態(tài)環(huán)境需水量的計算方法。隨著環(huán)境保護要求的提高和發(fā)展，人們提出了環(huán)境流的概念，進而提出研究水文情勢變化對于生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)等［5］。生態(tài)水力學雖然涉及到棲息地水力條件的研究，與床面的形態(tài)與構(gòu)成相關(guān)，但沒有涉及泥沙的輸移及其生物化學過程影響，在研究內(nèi)容上側(cè)重點有一定區(qū)別。生態(tài)河流動力學涉及水沙過程與生態(tài)要素之間的雙向調(diào)節(jié)的機制，但生態(tài)要素對于水沙變化的響應(yīng)及評估是生態(tài)河流動力學研究的落腳點。

水流強度決定了河道對泥沙的輸運能力、河床地形的起伏變化，泥沙顆粒自身物理化學特性又決定了其對營養(yǎng)鹽、污染物、細菌等物質(zhì)的吸附功能，二者結(jié)合，對水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響，如圖1所示。首先，水流強度、床面泥沙顆粒特性一起決定了河床表面有機物以及生物膜的生長情況，進而影響底棲動物的生長；其次，水體中泥沙顆粒影響水體濁度，從而影響水體中浮游動植物必需的光照強度，同時水體中泥沙顆粒會吸附營養(yǎng)鹽，隨水流的沉降和再懸浮影響浮游動植物的生長；再次，水流強度決定了床面泥沙的沖淤變形，影響底泥有機質(zhì)含量，從而影響床面水生植物的生長。這些模塊形成了生態(tài)河流動力學的主要研究內(nèi)容，對河湖生態(tài)的健康評估有著重要的意義。

圖1 生態(tài)河流動力學涉及的主要內(nèi)容

3 研究進展與挑戰(zhàn)

3.1 水沙輸移中的紊流及微床面影響我國河流水少沙多，占世界5%的水量輸送了30%的泥沙，泥沙輸移過程一直是泥沙工作者的關(guān)注重點。傳統(tǒng)的泥沙研究，包括泥沙運動力學、河床演變、模擬模型三大理論體系。河流動力學作為其重要的學科基礎(chǔ)，主要考慮泥沙的淤積與沖刷，解決河流水庫安全運行等方面的問題。

河流動力學中主要的物理變量包括流量、流速、水深、懸移質(zhì)含沙量、推移質(zhì)輸沙率、河床變形、泥沙級配等，也包括泥沙運動的關(guān)鍵因子，例如沉速、起動流速、挾沙力、濃度分布曲線等［1，6］。水沙數(shù)學模型是近三十年來泥沙學科中最活躍的部分［7-8］，通過一、二、三維數(shù)值方法解決泥沙的沖淤預(yù)測，為工程泥沙研究提供了科學的研究方案。

近年來隨著環(huán)境和生態(tài)問題需求的提出，環(huán)境和生態(tài)變量對于新的物理變量，包括微地形的演變與發(fā)展，渦體結(jié)構(gòu)的解析，RANS與LES和DNS的結(jié)合，床面垂向物質(zhì)傳輸過程等越來越受到人們的關(guān)注。由水沙輸移過程帶來的環(huán)境和生態(tài)問題，往往發(fā)生在厘米到米的小尺度范圍之內(nèi)（如受污染泥沙的局部再懸浮、局部泥沙輸移率對鮭魚幼卵存活率的影響等），因此精確描述小尺度范圍內(nèi)的水沙輸移物理過程，成為了進一步解決環(huán)境生態(tài)問題的重要基礎(chǔ)。

采用大渦模擬計算方法，對平整河床、卵石夾砂、沙紋沙波和淺灘深槽等多種床面微地形上的水沙輸移過程進行了研究［9-12］。對床面微地形上的水流結(jié)構(gòu)進行了精細描述，研究發(fā)現(xiàn)床面微結(jié)構(gòu)能夠極大地影響局部平均和瞬時流場，產(chǎn)生局部回流，斷面二次流等非均勻流場。非均勻流場的出現(xiàn)，一方面增強了水流剪切速率，近床切應(yīng)力顯著增加；另一方面也大量產(chǎn)生渦結(jié)構(gòu)，并向下游輸移和發(fā)展。水流的非均勻性和瞬時性使得泥沙的輸移也具有了非均勻性和瞬時性。研究發(fā)現(xiàn)在水流切應(yīng)力較強的地方，如卵石上游床面處，泥沙沖刷、再懸浮等現(xiàn)象容易發(fā)生；而在近床水流瞬時流速較小處，如卵石下游回流區(qū)，會出現(xiàn)局部的泥沙淤積現(xiàn)象。

其次，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)泥沙學科定義的平均流速、平均床面切應(yīng)力等物理量既無法準確描述泥沙輸移過程，也無法體現(xiàn)水體中營養(yǎng)物質(zhì)、水生生物的分布特性。近床渦結(jié)構(gòu)、瞬時流速等更加精細的物理量為精確描述近床泥沙輸移物理過程提供了新的支點。

基于大渦模擬計算方法，構(gòu)建了泥沙輸移和床面變形模型，該模型能重演平整河床到三維沙波的發(fā)展過程，揭示了三維沙波的形成與近床瞬時流速、近床渦結(jié)構(gòu)的密切關(guān)系。并根據(jù)瞬時流速與床面變化的相關(guān)關(guān)系，將三維沙波的形成分為三個主要階段：（1）微凸起的形成；（2）微凸起的融合；（3）回流區(qū)的形成。該研究結(jié)果對揭示天然河流沙波形成原因有重要意義。

床面附近的物質(zhì)垂向傳輸過程對河床底部溶解氧濃度、生物多樣性、污染物質(zhì)擴散速度等環(huán)境生態(tài)問題有著重要的影響，對于該問題的研究，同樣需要考慮近床水流結(jié)構(gòu)和床面微形貌的相互作用關(guān)系。

采用均勻排列的圓球，對水沙交界面溶解氧等物質(zhì)的交換過程進行了研究［13］，發(fā)現(xiàn)近床的猝發(fā)掃掠結(jié)構(gòu)，是影響近床物質(zhì)分布的重要因素。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在高雷諾數(shù)的水流中，水沙界面溶解氧的傳質(zhì)速率將不隨施密特數(shù)Sc的改變而改變，而完全取決于床面粗糙高度（圖3）。該發(fā)現(xiàn)將使研究河床垂向物質(zhì)傳輸過程，從單一平均地計算施密特數(shù)，向復(fù)雜瞬時地精確模擬三維傳輸過程轉(zhuǎn)變。近年來日益嚴峻的環(huán)境、生態(tài)問題要求科學工作者在研究床面泥沙輸移過程時，必須局部、精確地描述在水沙界面發(fā)生的泥沙及物質(zhì)輸移過程?，F(xiàn)階段對影響泥沙運動的物理量已有較為基本的認識：近床渦結(jié)構(gòu)和近床瞬時流速，但近床渦結(jié)構(gòu)對于生物膜、底棲動物、水生植被的影響還處于起步階段，該方面還需要科學工作者進一步的探索［14-15］。

圖2 卵石夾沙床面渦結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生與輸移［11］

圖3 水沙界面?zhèn)髻|(zhì)速率與施密特數(shù)關(guān)系圖［13］

3.2 環(huán)境泥沙與營養(yǎng)鹽及污染物輸移的關(guān)系對水環(huán)境問題的日益關(guān)注，使得泥沙學科不斷面臨新的挑戰(zhàn)。泥沙顆?！绕涫丘ば约氼w粒泥沙——因其比表面積大、表面活性官能團多，對水體中污染物有較強的結(jié)合能力［16-17］。泥沙與污染物（重金屬、有機污染物等）和營養(yǎng)鹽（C、N、P、Si等）相互作用以及由此導(dǎo)致的環(huán)境問題，成為水質(zhì)安全的關(guān)鍵。這就要求我們泥沙學科從研究物理過程發(fā)展到同時考慮化學過程、生物學過程等，從單一的水沙通量發(fā)展到包括水沙、環(huán)境物質(zhì)等在內(nèi)的復(fù)雜通量。環(huán)境泥沙學科是近年來發(fā)展的一個新的學科方向［18］，主要解決由于河流輸沙及演變導(dǎo)致的污染物和營養(yǎng)鹽濃度變化，是確保水環(huán)境安全、河流生態(tài)系統(tǒng)健康等重要問題的基礎(chǔ)。

圖4 泥沙顆粒表面形貌及污染物分布［18］

泥沙與污染物的相互作用屬于界面過程，受泥沙顆粒表面復(fù)雜的形貌、電化學特征影響，涉及泥沙表面曲率、孔隙特征、電荷分布等變量。高分辨率顯微觀測發(fā)現(xiàn)，泥沙顆粒表面起伏不平，且存在各種尺度的孔隙［19-20］，對泥沙與污染物之間的相互作用產(chǎn)生重要影響［21］，見圖4。基于對大量泥沙顆粒表面形貌的統(tǒng)計分析，提出包含泥沙顆粒表面形貌信息的“數(shù)學泥沙”概念，用數(shù)學方程表征泥沙形狀和表面形貌，再現(xiàn)了由表面起伏與孔隙共同決定的泥沙顆粒復(fù)雜形貌，是研究泥沙輸移過程中泥沙與污染物質(zhì)相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)［22-23］。

表面電荷特性（尤其是表面電荷分布）是影響泥沙與污染物相互作用的重要因素［24］。借助靜電力顯微鏡，表征泥沙顆粒表面的非均勻電荷分布特性，并分析其與表面形貌之間的數(shù)學統(tǒng)計關(guān)系［25-26］；利用能譜儀統(tǒng)計分析污染物在顆粒表面不同微形貌處的分布概率［17，27-29］；結(jié)合泥沙顆粒表面官能團表征，構(gòu)建非均勻電荷分布下泥沙顆粒與污染物相互作用的表面絡(luò)合模式，以刻畫污染物在泥沙顆粒表面的非均勻分布［30］。

基于上述微觀特性表征，綜合考慮顆粒自身因素（粒徑D、表面異質(zhì)性F2a、表面位密度Ns）和外界環(huán)境條件（pH、離子強度IS、水相濃度Ce、含沙量S），進一步提出了顆粒吸附分配系數(shù)Kd的簡化表達式，以得到污染物在水體與懸沙間的分配關(guān)系：

式中Qm=4.158I-0.027，

準確模擬污染物在天然水體中的遷移轉(zhuǎn)化過程，對于水環(huán)境安全評估及修復(fù)措施制定至關(guān)重要。圖5為泥沙輸移和床面變形過程中污染物遷移轉(zhuǎn)化的概念模型［31-32］。該模型涉及對流擴散、吸附解吸、沉降和再懸浮，以及水體層和底泥層間的層間交換，綜合考慮了污染物遷移所涉及的各種物理化學過程（R1—R13），重點關(guān)注泥沙輸移和沖淤變形對污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響。采用分相模型，包括水體中溶解相（Cw）、懸沙上吸附相（Cs）和底泥相（CT b）污染物，可合理地反映天然水體中污染物隨泥沙顆粒的遷移轉(zhuǎn)化過程，降低了泥沙輸移過程中污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬的不確定性。該模型已被應(yīng)用于三峽水庫、太湖和杭州灣的污染物遷移轉(zhuǎn)化研究等［32-35］。

圖5 河流泥沙磷遷移概念模型示意圖［31］

綜上所述，環(huán)境泥沙研究涉及微觀特性表征、機理過程研究、模擬模型構(gòu)建、以及宏觀規(guī)律討論等，從微觀層面出發(fā)，結(jié)合水利、環(huán)境和化學等多學科知識來解決復(fù)雜宏觀問題。不過目前大部分對泥沙與物質(zhì)相互作用的研究還集中于營養(yǎng)鹽和重金屬，對其他物質(zhì)還較少，同時天然泥沙是多種礦物成分的復(fù)合體，包括石英、長石、方解石、高嶺土、蒙脫石和赤鐵礦等；需要研究不同礦物與污染物的相互作用，并將其擴展至天然泥沙。

3.3 浮游植物與水沙輸移的相互影響浮游植物在水生生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息傳遞中起著至關(guān)重要的作用，其過度繁殖會破壞水體的生態(tài)健康。近年來，我國許多江河、湖庫富營養(yǎng)化和水華問題日益突出，出現(xiàn)了不少相關(guān)的報道和研究。三峽水庫自2003年開始蓄水之后，大寧河、香溪河、神農(nóng)溪、梅溪河、小江等多條支流均暴發(fā)了不同程度的水華［36］，庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境形勢嚴峻，這一問題也引起了廣泛的關(guān)注。生態(tài)河流動力學，主要研究水流和泥沙對浮游植物生長的影響。

首先是水動力的作用能夠直接影響浮游植物的生長速率，也能通過改變浮游植物的位置而間接影響其動態(tài)。不少學者研究了流速對于浮游植物生長和分布的影響，認為低流速對于浮游植物的繁殖有一定的促進作用，而過高的流速則會抑制浮游植物生長。也有研究分析了流量［37］、水體擾動［38］、紊動［39-40］、剪切流［41］等因素與浮游植物的生長或生物量之間的關(guān)系。此外，水流能夠通過改變浮游植物周圍的光照強度、營養(yǎng)鹽濃度、水溫分布等環(huán)境條件從而影響浮游植物的生長與代謝。然而，實際情況下各種水動力因素通過直接作用和間接作用對浮游植物產(chǎn)生綜合影響，這些復(fù)雜影響的作用機理有待于深入探究。

懸沙的存在還會降低水體的透明度，增大光衰減系數(shù)，減少水體中的光照強度，從而降低浮游植物的光合速率，抑制其生長。公式P=PM·f1（N）·f2（I）·f3（T）通常被用于表示環(huán)境因子對于浮游植物生長速率的影響，其中P、PM為浮游植物的實際和最大生長速率，f1（N）、f2（I）、f3（T）分別代表營養(yǎng)鹽、光照強度和溫度對于生長速率的限制系數(shù)，這三個系數(shù)的取值均介于0和1之間。水下光照強度的分布滿足指數(shù)衰減規(guī)律，因此當懸沙使得光衰減系數(shù)增大時，水下光強會顯著減小，進而導(dǎo)致光照限制系數(shù)f2（I）和浮游植物生長速率P減小。

泥沙表面對氮、磷等營養(yǎng)鹽的吸附和解吸作用也會間接影響浮游植物的生長。泥沙顆粒（尤其是黏性細顆粒泥沙）具有復(fù)雜的表面形貌和較大的比表面積，能夠吸附營養(yǎng)鹽、重金屬、有機污染物等，特別是對于磷酸鹽具有很強的吸附作用［32，42］。目前在大部分湖泊和部分江河中磷是浮游植物生長的主要限制元素，泥沙對于磷酸鹽的吸附減少了水體中溶解態(tài)的無機磷，導(dǎo)致水體中能被浮游植物吸收利用的磷元素減少，營養(yǎng)鹽限制系數(shù)f1（N）減小，即對浮游植物的生長起限制作用。

圖6 靜態(tài)條件下不同粒徑長膜泥沙的測量值和模擬值的對比和各自擬合的增長和自動脫落項的對比［47］

當泥沙發(fā)生沉積或再懸浮時，同時會引起水體和底泥之間的營養(yǎng)鹽發(fā)生交換，從而影響浮游植物的生長。例如，泥沙的再懸浮通常會增加水體中可供利用的營養(yǎng)鹽，使得浮游植物生物量增加，同時可能改變浮游植物的群落結(jié)構(gòu)。然而，有時候雖然泥沙的再懸浮促進了底泥中營養(yǎng)鹽的釋放，但同時也增加了水體濁度限制了光照條件，導(dǎo)致浮游植物生物量沒有明顯變化甚至反而減少［43］。

除此之外，泥沙也會吸附重金屬、有毒化合物，影響浮游植物的豐度［44］，或者夾帶浮游植物（或它的休眠體）進入上層水體。

目前存在不少基于營養(yǎng)鹽-浮游植物-浮游動物（NPZ）框架的動力學模型，像CE-QUAL-ICM、CAEDYM、Delft 3D-ECO、EFDC等，能夠預(yù)測浮游植物的動態(tài)變化，對多種浮游植物、營養(yǎng)鹽、溶解氧等變量的時空變化進行模擬。這些模型普遍具有結(jié)構(gòu)合理、功能強大、應(yīng)用廣泛的優(yōu)點。例如，環(huán)境流體動力學模型（EFDC）的水質(zhì)模塊中共包含22個狀態(tài)變量，以浮游植物的初級生產(chǎn)力和溶解氧濃度為核心，已被廣泛應(yīng)用于江河、湖泊、水庫、河口和海灣等區(qū)域的研究中［45-46］。不過這類模型幾乎沒有考慮水沙輸移對于浮游植物動態(tài)的影響。今后還需進一步結(jié)合環(huán)境泥沙研究成果，分析環(huán)境泥沙吸附解吸特性和床面變形對于浮游植物動態(tài)的影響，并將其耦合到模型中。

3.4 生物膜生長與水沙輸移的相互影響水體富營養(yǎng)化為水生微生物大量繁殖提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，河流底質(zhì)床沙又為微生物的附著提供了良好的載體。微生物在底泥上附著并發(fā)展，生成生物膜結(jié)構(gòu)，形成“河流的微生物皮膚”。近年來隨著環(huán)境和生態(tài)問題的提出，人們越來越關(guān)注河流湖泊底泥生物膜對整個水環(huán)境、水生態(tài)的影響。生態(tài)河流動力學中，重點關(guān)注生物膜生長與水沙輸移的相互影響。

明確泥沙上生物膜的生長規(guī)律是探究生物膜作用的基本前提，F(xiàn)ang等［47］分別研究了不同粒徑泥沙，在靜水和動水條件下的生物膜生長規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。根據(jù)圖6可知，泥沙上生物膜的生長一般都是在40天左右達到峰值，然后開始下降，最后趨于穩(wěn)定，其生長規(guī)律符合Monod生長模式，F(xiàn)ang等［47］根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果建立了綜合考慮溫度T、泥沙顆粒粒徑D、摩阻流速U*等影響的泥沙生物膜的生長模型（其中，B為生物量，μmax為參考溫度T0B條件下的最大生長速率，kinv，B和kD分別為生物量、泥沙粒徑的逆半飽和系數(shù)，βB表示溫度影響因子，cdet和cauto分別為水流引起的脫落系數(shù)和活性細菌引起的自脫落系數(shù)，B0為最小生物量，Bb為活性細菌濃度，μBb為參考溫度T0Bb條件下的最大生長速率，βBb為溫度影響因子，kinv，Bb為活性細菌濃度的逆半飽和系數(shù)，kB為生物量B對活性細菌影響的半飽和系數(shù)，c′det為活性細菌脫落系數(shù)）：

為進一步研究生物膜的生化過程及其對水沙過程、水環(huán)境和水生態(tài)的影響，需對生物膜中細菌進行細致的分類，F(xiàn)ang等［48］采用RDP classifier貝葉斯算法對97%相似水平的OTU（Operational Taxonomic Units）代表序列進行分類學分析，并在各個水平統(tǒng)計每個樣品的群落組成，結(jié)果顯示了不同樣品中細菌的豐度圖，各樣品細菌類群各異等?？梢灶A(yù)見，細菌種類的差異將提供不同的固床作用和生態(tài)功能，對細菌的細化分類有助于進一步闡明生物膜對水沙運動和河流生態(tài)的影響。

生物膜已廣泛存在于天然水環(huán)境中，河流床面上生物膜的生長首先會影響泥沙基本物理性質(zhì)（形貌、結(jié)構(gòu)、密度、粒徑、流變特性等）［49-51］。方紅衛(wèi)等［52］采用環(huán)掃電鏡觀察生物膜泥沙形貌，認為長膜后泥沙表面形貌起伏減少。趙慧明等［53］通過激光共聚焦顯微鏡分析長膜沙中膜和沙的占比，提出生物膜泥沙密度在1100～1500 kg/m3范圍內(nèi)。尚倩倩等［54］發(fā)現(xiàn)長膜沙粒徑相較干凈沙顯著增大，并提出了生物膜影響下的泥沙粒徑計算方法［51］，另外，F(xiàn)ang等［50］發(fā)現(xiàn)隨著生物膜的生長，泥沙凝聚力越強，其流變性質(zhì)變化越顯著。上述基本物理性質(zhì)的改變，直接影響了泥沙動力學過程（沉降，起動，沖淤，推移質(zhì)運動，床面形態(tài)以及絮凝等）。綜合長膜沙粒徑、密度、形貌阻力的變化［54-55］，Shang等［51］提出了長膜沙沉降速度的計算方法。尚倩倩等［56］和方紅衛(wèi)等［57］通過水槽試驗研究了長膜沙的起動條件，長膜沙和干凈沙的起動希爾茲曲線如圖7所示，可見長膜沙的起動更加困難［58］。此外，F(xiàn)ang等［59］利用PTV觀測長膜沙在床面的躍移過程，并分析推導(dǎo)了長膜沙的推移質(zhì)輸沙率公式。值得注意的是，床面生長生物膜后，在相同水流強度下，其床面形態(tài)尺度會減小，對應(yīng)的水流阻力也隨之減小［60］。另外，生物膜的存在又會影響水流紊動特性［15，61］，進一步影響床面泥沙運動。長膜沙的基本物理性質(zhì)和動力學特性的探索，為建立長膜沙輸移模型提供了基礎(chǔ)，趙慧明等［62］提出了長膜沙一維輸移模型，F(xiàn)ang等［63］開發(fā)了長膜沙輸移三維模型，這些模型有助于研究生物膜影響下的水沙過程及其帶來的河流環(huán)境、生態(tài)的效應(yīng)，為實際工程提供參考。目前已有學者研究生物膜對河流中C/N/P循環(huán)的作用，但仍在初步階段，還缺乏較為全面的認識。

圖7 干凈沙與生物膜泥沙起動曲線對比［63］

另外，我國河流中細顆粒泥沙較為普遍，而細顆粒泥沙輸移過程中往往伴隨著絮凝過程，傳統(tǒng)的黏性細顆粒泥沙的絮凝過程可分為碰撞和黏結(jié)兩個階段，一般通過DLVO理論將顆粒表面之間的相互作用力主要歸結(jié)為范德華吸引力和靜電排斥力，并據(jù)此計算泥沙絮凝過程。但在生物膜影響下，生物膜橋架作用［64］、高分子吸附橋架作用和疏水作用力將不可忽略，往往會顯著增加泥沙的絮凝效應(yīng)，因此泥沙絮凝過程會與微生物生長代謝過程產(chǎn)生密切關(guān)系［65］。由于大量的生源要素和污染物吸附在泥沙及其生物膜上，除了上述泥沙基本輸移過程之外，生物膜還會通過影響絮凝過程改變泥沙運動規(guī)律，并進一步影響河流生態(tài)過程。

3.5 床面植物對水沙輸移和環(huán)境的影響近年來隨著環(huán)境和生態(tài)問題的日益突出，河流、濕地等生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)重建成為了生態(tài)河流動力學研究的一項重要任務(wù)。研究主要分為三個方面，即植物對水流結(jié)構(gòu)、泥沙輸移及污染物擴散的影響。

水流結(jié)構(gòu)是泥沙和污染物運動輸移的基礎(chǔ)，也是三者中研究較為成熟的一個。從1920年代開始，國內(nèi)外相關(guān)學者就開始了植物對水動力過程影響的研究。由于粗糙度或水流阻力直接影響著河道水位、流速等水流關(guān)鍵參數(shù)，常常被用來評估植物對水動力過程的影響程度［66］。實際上，河道的粗糙度或水流阻力參數(shù)只可以反映整體上植物對水動力過程的影響，植物對水動力條件的影響受時空多種變量影響，包括植物種類和物理特性（如柔韌度）、植物密度及排列形式、時間及季節(jié)變化、水深、河道形態(tài)及河床物質(zhì)組成等。Yen［67］定義了一個象征流體阻力的參數(shù)公式，這個公式反映出描述植物與河道水動力過程的相互作用時，需要考慮到許多因素才可以較為準確的描述。

針對淹沒植被影響下河道的垂向平均流速，存在著兩區(qū)和三區(qū)劃分的觀點［68-69］。有關(guān)主槽及植被化河漫灘之間水流相互作用的研究，主要關(guān)注植物對水流橫向流速分布的影響。近岸植被的存在，使得近岸植被區(qū)流速遠小于主槽流速，在主槽和灘地出現(xiàn)二次流，在兩者交接處形成大量的渦團，產(chǎn)生強烈的水流及動量交換。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)學者建立了各種各樣的水深平均流速橫向分布的對數(shù)方程［70-71］。

在植被影響下，河道水流結(jié)構(gòu)的改變將對河道中泥沙的輸移沉降過程產(chǎn)生十分重要的影響，但目前這方面的研究都不夠成熟。研究發(fā)現(xiàn)，近岸植物可以有效捕沙，使得漫灘地成為泥沙容易淤積的地方，反過來，淤積的泥沙又可以促進植物的生長，這個過程伴隨植物的演替不斷循環(huán)。泥沙淤積隨植物生長的季節(jié)不同，也表現(xiàn)出差異。這個影響是由于不同季節(jié)下植物物理特性改變所產(chǎn)生的，有關(guān)研究通過對河段的實地測量也證明了這一點［72-73］。

近年來，植被存在對河流泥沙輸移沉積過程的影響研究越來越往定量化、精細化方向發(fā)展。López等［74］研究了植被影響下懸移質(zhì)泥沙的輸運過程，利用k-ε及k-ω模型得到了植被影響下水流的結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)了懸移質(zhì)輸運率的指數(shù)分布規(guī)律。Wu等［75］提出了彎曲植被河道水流、泥沙輸運、河床形態(tài)分析的二維模型；Zong等［76］和Chen等［77］研究了植被斑影響下的水流結(jié)構(gòu)及泥沙沉降；Yager等［78］則重點研究了非淹沒植被對水流的紊動結(jié)構(gòu)及推移質(zhì)輸移的影響，Liu等［79］通過實驗觀測，將有利于泥沙沉積的區(qū)域長度與測量的植被斑直徑和高度的關(guān)系建立聯(lián)系，使得泥沙淤積的范圍得以預(yù)測。

床面植物也影響著河道中營養(yǎng)物與污染物的擴散與輸移過程進而影響河道的水質(zhì)。根系與土壤水和地下水相互作用（對氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)及重金屬等非營養(yǎng)物質(zhì)的吸收）；同時植物碎片也通過對河道內(nèi)沉積物、有機質(zhì)和相關(guān)化學物質(zhì)的侵蝕和沉積影響河流的水質(zhì)。此外，Noe等［80］證明了河岸營養(yǎng)物的沉積和儲存與泥沙淤積同時發(fā)生，因而植物可以通過影響泥沙輸移的情況，間接影響載有污染物或營養(yǎng)物質(zhì)的泥沙。

近年來隨著人們對環(huán)境、生態(tài)問題的日益關(guān)注，床面植物作為河流生態(tài)系統(tǒng)的重要一環(huán)，其影響不容忽視。不過現(xiàn)階段模型對植被和非植被交界處的水流模擬仍存在很大的誤差，這一點需要在未來工作中完善，同時床面植物對河道水流泥沙等物質(zhì)的影響程度隨植物種類、密度和年齡的變化而改變。在如此復(fù)雜的情況，如何定量地分析植被對水流結(jié)構(gòu)、污染物混合、泥沙沉降等作用的影響，依然需要科學工作者更加深入的理論探索研究。

3.6 底棲動物與水沙輸移的相互影響底棲動物主要棲息在河流、湖泊、水庫、河口海岸等水體的底部，是水生生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)中重要的中間環(huán)節(jié)，主要以浮游植物、細菌和有機碎屑為食物，被魚類和水鳥等高級動物捕食，部分底棲動物的幼蟲會以魚類作為宿主。底棲動物的濾食作用能夠降低水體的富營養(yǎng)水平，并對重金屬有一定的生物利用度，起到改善水質(zhì)的作用。

傳統(tǒng)研究主要基于自然狀態(tài)下河流和湖泊中的實測數(shù)據(jù)，分析底棲動物物種密度與水環(huán)境變量的統(tǒng)計學規(guī)律，將影響底棲動物生長和分布的因素分為水深、流速、底質(zhì)等水動力因素，水溫、溶氧、重金屬等水質(zhì)因素，以及食物網(wǎng)中的生物因素，并由此構(gòu)建起底棲動物的棲息地適宜性指數(shù)，用于評價和分析底棲動物生長和繁殖的可能性［81-82］。

河床底質(zhì)作為底棲動物生長和繁殖的棲息場所，也是底棲動物獲取營養(yǎng)物質(zhì)和溶解氧的來源，是影響底棲動物空間分布的關(guān)鍵因素［83-84］。而水利工程建設(shè)造成棲息地的來水來沙條件發(fā)生變化，使得底棲動物的生物量呈現(xiàn)減小的趨勢［85］。

底棲動物對泥沙的影響可分為兩類：生物擾動與生物固結(jié)或沉降。

生物擾動包括：（1）蓬松層相關(guān)的侵蝕。蓬松層是由大量底棲動物挖掘與攝食過程產(chǎn)生的，糞球和類糞球材料占據(jù)了這層的80%。比如，一種普通的泥螺通過產(chǎn)生軌跡與糞球堆改變床面的粗糙度，Andersen等［86］發(fā)現(xiàn)當種群密度達到每平方米10 000到50 000個的時候，會降低泥沙起動流速，黏性泥沙的侵蝕率也會增大2～4倍。（2）生物地形造成的侵蝕。固著類生物的殼是推移質(zhì)的一部分，在運動過程中會磨損泥沙表面，對于泥沙侵蝕有一定促進作用。單個固著生物周圍的泥沙更容易被侵蝕，比如，F(xiàn)riedrichs等［87］發(fā)現(xiàn)單個貝殼的出現(xiàn)，使得非固結(jié)泥沙起動流速降低了40%。生物造成的地形可能會降低床面的穩(wěn)定性。

生物固結(jié)或沉降包括：（1）生物造成的沉降。積聚生長的動物增加了床面粗糙度，降低了水流流速，增加了向下的湍流摻混，因此會增加水體中細顆粒的沉降。Commito等［88］通過對比試驗，發(fā)現(xiàn)亞洲貽貝積聚的床面造成的泥沙沉積是對照組的3倍以上。（2）生物造成的固結(jié)。許多底棲動物會分泌黏液，將泥沙顆粒黏附或纏繞在一起。比如石蠅幼蟲會產(chǎn)生大量的絲線，制作庇護所［89］。

底棲動物作為河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，研究其分布、生長規(guī)律具有十分重要的意義。不過，底棲動物對水質(zhì)、其他水生生物的影響研究還存在較多的不足之處。首先床面泥沙形態(tài)會增大底棲動物棲息地空間，對底棲動物起到遮蔽作用，并能夠提高底棲動物對營養(yǎng)物質(zhì)和溶氧的獲取能力，但相關(guān)研究還不夠深入。同時，現(xiàn)階段關(guān)于生物構(gòu)造地形的研究大多集中在海洋環(huán)境，由于海底泥沙粒徑較小，其與山區(qū)河流普遍存在的礫石床面結(jié)構(gòu)存在較大差異，因此，山區(qū)卵礫石河床的近床水流結(jié)構(gòu)、水沙界面?zhèn)髻|(zhì)機理及潛流交換都會產(chǎn)生較大的變化。這方面的研究還需要進一步探索。

4 結(jié)語與展望

除了上述6個方面，魚類作為水生生態(tài)系統(tǒng)中食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的頂端生物，也是河流、湖泊等水生生態(tài)系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。魚類生活具有不同的行為，如索餌、越冬、生殖、集群、洄游等，這些行為除與魚類本身生物學狀態(tài)等有關(guān)外，還與外界環(huán)境因子（如：水溫、水深、流速、含沙量、透明度、地形、底質(zhì)及餌料生物等）有密切的關(guān)系，對應(yīng)不同的棲息環(huán)境［90-92］。與魚類生活相關(guān)的棲息地包括產(chǎn)卵場、索餌場、越冬場以及連接不同生活階段水域的洄游通道等，目前對魚類棲息地的研究還多集中于產(chǎn)卵場。

近年來，水利工程興建改變了水體的自然面貌，使某些環(huán)境條件發(fā)生急劇變化；水沙變化會從多方面影響魚類生活的“三場一通道”，造成歷史生境消失，影響魚類正常生活。

總體上，從水沙輸移物理過程，到營養(yǎng)鹽和污染物質(zhì)輸移化學過程，再到水體及床面中各生物過程，這些相互作用的生物和非生物組分共同組成了河流生態(tài)系統(tǒng)，為人們提供生產(chǎn)、調(diào)節(jié)和文化等服務(wù)。“大魚吃小魚，小魚吃蝦米，蝦米吃泥巴”，耳熟能詳?shù)闹V語中蘊藏著樸素的食物鏈概念。在河流生態(tài)系統(tǒng)中，將上述各組分串聯(lián)，即“營養(yǎng)鹽-生物膜-浮游植物-底棲動物-魚類”，便形成了食物鏈結(jié)構(gòu)。借助食物鏈，生態(tài)系統(tǒng)不斷從環(huán)境中輸入能量/物質(zhì)，并向環(huán)境外輸出能量/物質(zhì)；同時通過微生物的礦化作用，系統(tǒng)中物質(zhì)得到循環(huán)，確保了河流生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定。生態(tài)系統(tǒng)是復(fù)雜的，具有很高的多樣性（比如：對底棲動物的攝食研究表明，大部分類群都是雜食性的，這增加了食物鏈的復(fù)雜性，形成更為復(fù)雜的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)），也因此具有自我調(diào)節(jié)和緩沖能力［93］。

河流生態(tài)系統(tǒng)中水沙輸移過程與上述生物化學過程相互耦合，水沙變化通過作用于食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的各個組分，對整個河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。比如：水庫運行引起清水下泄、下游河道沖刷，破壞床面生物膜和沉水植物等的生長，使得底棲動物的物理棲息環(huán)境和食物來源等均遭受破壞，進而影響魚類等其他水生生物的生存以及生態(tài)系統(tǒng)健康。因此，生態(tài)河流動力學需要立足于上述各個方面，從系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)角度出發(fā)，研究水沙變化對生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響，以期對受損害河流生態(tài)系統(tǒng)提出潛在的生態(tài)修復(fù)措施。