吳成城，張小琴，魯程鵬，束龍倉(cāng)，劉 波

（河海大學(xué)水文水資源學(xué)院, 江蘇 南京 210098）

潛流帶是指河流河床內(nèi)以及河岸帶內(nèi)飽和沉積層，地表水與地下水雙向遷移和充分混合的區(qū)域[1]，是水系統(tǒng)進(jìn)行碳循環(huán)、能量循環(huán)、營(yíng)養(yǎng)循環(huán)的重要場(chǎng)所，為水生生物提供了生活、繁殖的區(qū)域。它增強(qiáng)了河流水文和溫度的空間異質(zhì)性，有利于生物化學(xué)的物質(zhì)交換，同時(shí)通過(guò)生物作用、水流混合削減污染，具有環(huán)境緩沖的作用[2]。

目前有關(guān)地表水和地下水的相互作用在國(guó)內(nèi)外受到廣泛關(guān)注[3-4]，已有許多學(xué)者針對(duì)潛流帶潛流交換過(guò)程的研究進(jìn)行了十分詳細(xì)的總結(jié)。近年來(lái)，非穩(wěn)態(tài)潛流交換研究正在逐漸受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，有關(guān)非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程的研究成果大量涌現(xiàn)，但大多數(shù)學(xué)者只是針對(duì)個(gè)別研究方向進(jìn)行細(xì)化，尚缺乏系統(tǒng)的研究分析。

在對(duì)潛流交換過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M的時(shí)候，通常采用穩(wěn)定的水流流動(dòng)條件，這忽略了沉積物—地表水界面的壓力隨時(shí)間變化的特性，然而，自然系統(tǒng)中的水流流態(tài)很少是穩(wěn)定的。此外，將介質(zhì)視為均質(zhì)已經(jīng)不能合理地解釋自然界中許多復(fù)雜的潛流交換現(xiàn)象[5]。與穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件相比，非穩(wěn)態(tài)潛流交換通過(guò)頻繁地改變河流或含水層的水流狀態(tài)，導(dǎo)致潛流帶中的熱力學(xué)和生物地球化學(xué)過(guò)程亦隨水流發(fā)生變化。短時(shí)間尺度和局部空間范圍發(fā)生的物理化學(xué)作用過(guò)程對(duì)流域尺度潛流交換過(guò)程的總體累積效應(yīng)貢獻(xiàn)也是極其重要的。如果將這些因素過(guò)度簡(jiǎn)化，則會(huì)在一定程度上影響對(duì)潛流交換過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

近年來(lái)有關(guān)地表水-地下水系統(tǒng)交互作用的研究成果較多，但對(duì)非穩(wěn)態(tài)潛流交換的物理機(jī)制、影響因素及研究方法等方面缺少系統(tǒng)的梳理。本文首先分析了穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)潛流交換的主要影響因素及其影響機(jī)制；針對(duì)潛流交換常用的研究方法，指出其原理及適用范圍；提出非穩(wěn)態(tài)潛流交換的發(fā)展趨勢(shì)，揭示其對(duì)于水資源管理和河流生態(tài)保護(hù)的重要意義。

1 潛流交換過(guò)程的影響因素

潛流帶中動(dòng)量和溶質(zhì)的轉(zhuǎn)移過(guò)程可以發(fā)生在一個(gè)幾秒內(nèi)形成的毫米級(jí)渦旋中，也可以發(fā)生在形成時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的千米級(jí)曲流河道流動(dòng)路徑中，潛流交換廣泛發(fā)生且具有不同的時(shí)空尺度?，F(xiàn)有研究表明，能夠影響潛流交換的因素很多[6-7]，根據(jù)其是否隨時(shí)間發(fā)生變化，可分為穩(wěn)態(tài)要素和非穩(wěn)態(tài)要素。其中隨著時(shí)間變化不會(huì)發(fā)生自身特性變化的要素，如河道幾何形態(tài)、沉積物非均質(zhì)性等，即為穩(wěn)態(tài)要素，現(xiàn)階段有關(guān)穩(wěn)態(tài)要素的潛流交換研究已較為成熟。反之，如地表水水動(dòng)力條件、生物作用等隨時(shí)間變化而變化的要素，即為非穩(wěn)態(tài)條件，這也是當(dāng)前階段學(xué)者關(guān)注并快速發(fā)展的研究方向。

值得注意的是，穩(wěn)態(tài)要素與非穩(wěn)態(tài)要素是就影響因素本身特性而言，兩者并不是獨(dú)立存在，如河道幾何形態(tài)與地表水水動(dòng)力條件，兩者存在互為影響的關(guān)系，需要根據(jù)研究對(duì)象確定主導(dǎo)要素，然后重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行研究。

1.1 河道幾何形態(tài)

河床的幾何形態(tài)特征屬于典型穩(wěn)態(tài)要素，對(duì)潛流交換的影響主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面：不平整的床面結(jié)構(gòu)和河道曲度變化。這是影響地表水與地下水之間進(jìn)行交互作用的重要驅(qū)動(dòng)因子。河道幾何形態(tài)驅(qū)動(dòng)的潛流交換，本質(zhì)上是多尺度的，從單個(gè)顆粒到河床和壩體，河道在各個(gè)尺度上都呈現(xiàn)出不同的幾何形態(tài)。受沉積物粒徑分布及區(qū)域地形等特征的影響，局部水頭梯度會(huì)出現(xiàn)交錯(cuò)壓力分布，驅(qū)使水流完成潛流交換過(guò)程。自然河流中，河道會(huì)形成天然的不平整河床以及曲度較大的河道走向，有利于沖積層的側(cè)向堆積，會(huì)在一定程度上干擾河道中的水流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致地表水-沉積物界面不同方向存在不相等水力梯度，形成以對(duì)流、平流為主要方式的局部水流運(yùn)動(dòng)。水流從高水力梯度區(qū)流入潛流帶，再?gòu)臐摿鲙Я鞒龅降退μ荻葏^(qū)，完成潛流交換的過(guò)程。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用化學(xué)試劑示蹤法以及熱量示蹤法為主要研究手段，探究不同河道幾何形態(tài)對(duì)潛流交換過(guò)程產(chǎn)生的影響。陳孝兵等[8]為揭示河床形態(tài)特征引起的潛流交換規(guī)律，通過(guò)NaCl 示蹤試驗(yàn)對(duì)比分析了4 種河床地形驅(qū)動(dòng)下的潛流交換過(guò)程；Phillips 等[9]分析了細(xì)顆粒在泥沙形態(tài)動(dòng)力學(xué)背景下的遷移過(guò)程，總結(jié)出了細(xì)顆粒溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程受河床形態(tài)的影響規(guī)律。以河流曲度、河床微地形特征等幾何形態(tài)為研究對(duì)象，對(duì)潛流交換生物地球化學(xué)過(guò)程及能量傳輸過(guò)程的研究已較為成熟。

1.2 沉積物非均質(zhì)性

沉積物非均質(zhì)性是潛流帶和潛流交換的基本屬性，隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性是沉積物非均質(zhì)性最為顯著的2 種特性[2]，其自身特性不隨著時(shí)間變化而改變，屬于穩(wěn)態(tài)要素。潛流帶中沉積物的非均質(zhì)性是滲透系數(shù)存在空間變化的表現(xiàn)，直接影響沉積物中的孔隙大小及孔隙的連通性，會(huì)導(dǎo)致潛流帶中孔隙水停留時(shí)間、氧化還原條件和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度等的不同。滲透系數(shù)的空間分布會(huì)影響含水層中溶質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化，滲透系數(shù)的時(shí)間變化也會(huì)影響地表水-地下水系統(tǒng)的水量、物質(zhì)、能量交換的時(shí)間差異。不同河床環(huán)境下的泥沙運(yùn)移過(guò)程和水流特性是滲透系數(shù)發(fā)生瞬變的重要驅(qū)動(dòng)因素。河流向地下水系統(tǒng)中的補(bǔ)給量和地下水系統(tǒng)向河流的排泄量與沉積物滲透系數(shù)的大小及變化情況息息相關(guān)，因此沉積物非均質(zhì)性是控制潛流帶的生物地球化學(xué)通量變化的關(guān)鍵因素，對(duì)潛流交換過(guò)程的研究具有重要意義。

通過(guò)改變沉積物的種類(lèi)、含量及分布能夠?qū)Τ练e物非均質(zhì)性特征進(jìn)行不同程度的刻畫(huà)，這也是研究沉積物非均質(zhì)性對(duì)潛流交換影響的主要出發(fā)點(diǎn)。Marttila等[10]在12 個(gè)室外半天然河槽中加入不同砂量以改變河床底部沉積物的滲透系數(shù)，隨之進(jìn)行了一系列示蹤試驗(yàn)，探究了流動(dòng)條件和加砂量對(duì)礫石層潛流交換的貢獻(xiàn)；Mathers 等[11]通過(guò)沉積柱內(nèi)的試驗(yàn)，探究了新增細(xì)顆粒沉積物對(duì)潛流帶中生物垂直分布的影響。目前室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬技術(shù)是探究沉積物非均質(zhì)性對(duì)潛流交換過(guò)程影響的主要手段，但天然河道沉積物非均質(zhì)性對(duì)潛流交換過(guò)程產(chǎn)生的影響還缺乏有效的原位監(jiān)測(cè)手段，這一研究方向有待學(xué)者繼續(xù)深入。

1.3 河道中水工建筑物的修建

河道中的水工建筑物如堰、攔河壩等，通過(guò)阻礙水流和耗散能量來(lái)控制和改變水流條件。水工建筑物的修建對(duì)潛流交換既有積極的影響，也有消極的影響。這些建筑物可以影響河流水位，并能影響河岸漫灘含水層中的地下水流動(dòng)[12]。水工建筑物的運(yùn)行可以調(diào)節(jié)河流水位，流量的短期高頻變化也會(huì)導(dǎo)致河流水位的快速變化，從而在垂向、橫向和縱向3 個(gè)維度上影響河流廊道，并隨著所處河道位置的變化而產(chǎn)生廣泛影響。

在水工建筑物的上游，建筑物使河流保持在高水位，水流速度相對(duì)較小，可以看作穩(wěn)態(tài)要素。較高的河道水位會(huì)導(dǎo)致相鄰含水層地下水水位升高，地下水流動(dòng)模式變得更加復(fù)雜?？梢悦黠@地觀測(cè)到河流水位的上漲以及河流流速的降低，使得細(xì)泥沙顆粒會(huì)沉積到河床底部，降低河床底部沉積物的滲透系數(shù)，減小潛流交換的強(qiáng)度。

在水工建筑物的下游，當(dāng)泄水建筑物開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，水流流速變大，此時(shí)水工建筑物的存在就屬于非穩(wěn)態(tài)要素。由于高流速水流具有更強(qiáng)的沖刷作用，粗顆粒沉積物中的泥沙含量會(huì)相對(duì)自然河道減少，意味著河床沉積物的滲透性變化會(huì)影響下游的潛流交換通量，水流紊動(dòng)強(qiáng)度更大，對(duì)潛流交換過(guò)程呈積極的促進(jìn)作用。

水工建筑物的修建在一定程度上通過(guò)降低潛流交換強(qiáng)度、地表水與河漫灘之間的水文連通性，減弱了暴雨驅(qū)動(dòng)和季節(jié)性水循環(huán)對(duì)河流廊道的水文影響[13]。由于水工建筑物的結(jié)構(gòu)各不相同，在不同的流量條件下，這些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用也不盡相同，因此，要量化水工建筑物結(jié)構(gòu)對(duì)潛流交換過(guò)程的影響，需要對(duì)上下游的流量變化情況進(jìn)行更嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)分析，才能得出更加精確的結(jié)論。

1.4 地表水水動(dòng)力條件

大量的試驗(yàn)和研究成果表明[14-15]，地表水水動(dòng)力條件對(duì)潛流帶的水量交換、熱量傳輸?shù)挠绊懖町惙浅ｏ@著。地表水水動(dòng)力條件根據(jù)地表水流速相對(duì)大小可分為靜水條件與動(dòng)水條件。靜水條件是指湖泊、水庫(kù)上游潛流帶等地表水流速較低的情況，隨時(shí)間變化的程度較小，在大多數(shù)研究中被視為穩(wěn)態(tài)要素。在這種條件下，潛流帶周?chē)乃髁魉佥^小，潛流帶多為淤積的細(xì)沙、黏土等物質(zhì)，進(jìn)行的潛流交換主要取決于地表水水位與地下水水位的高差變化情況以及沉積物的滲透系數(shù)。河流水位的變化會(huì)引起河岸蓄水效應(yīng)，在高水位期間，水暫時(shí)儲(chǔ)存在河岸帶中，然后在河流水位降低時(shí)釋放回河流，隨著河水滲入河岸帶，河水中的物質(zhì)成分被輸送到河岸含水層，在其中發(fā)生物質(zhì)的交換和相互作用后又返回河流中。

動(dòng)水條件是指河道、大壩泄洪口下游等地表水流速較高的情況，通常會(huì)產(chǎn)生變化劇烈的下游水流，水流隨時(shí)間變化而產(chǎn)生復(fù)雜的變化，屬于典型的非穩(wěn)態(tài)要素。這種高度動(dòng)態(tài)的地下水流加強(qiáng)了河流和含水層之間的潛流交換，水深的變化會(huì)同時(shí)改變河流的水位和潛流帶的分布范圍，從而驅(qū)動(dòng)水力梯度的時(shí)間變化，促進(jìn)地表水與地下水的相互作用，為生物地球化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造條件。Zhu 等[16]利用二維水流溶質(zhì)運(yùn)移耦合模型，系統(tǒng)地研究了洪水波驅(qū)動(dòng)下的氮元素循環(huán)過(guò)程及其時(shí)空分布；Ferencz 等[17]利用在COMSOL實(shí)現(xiàn)的二維變飽和地下水流有限元模型，對(duì)泄洪條件下大壩周?chē)跋掠?00 km 范圍內(nèi)的潛流交換進(jìn)行了分析。

1.5 生物作用

大多數(shù)關(guān)于潛流交換的研究都集中在水流擾動(dòng)形成的河床結(jié)構(gòu)上，并與潛流帶中的生態(tài)過(guò)程隔離開(kāi)。然而，生活在河床底部沉積物周?chē)纳镆矔?huì)改變河床的地形結(jié)構(gòu)，并對(duì)潛流交換產(chǎn)生影響[18]。潛流帶動(dòng)物種群通常隨深度而變化，生物移動(dòng)、定居、收集食物、尋找庇護(hù)所的過(guò)程都能引起非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程的變化，這些要素隨著時(shí)間的變化對(duì)地表水-地下水系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響，屬于非穩(wěn)態(tài)要素。潛流帶是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，潛流帶周?chē)奈⑸锘顒?dòng)也會(huì)對(duì)潛流交換的過(guò)程產(chǎn)生影響。攜帶著各種化學(xué)元素、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及污染物的地表水進(jìn)入潛流帶后，會(huì)產(chǎn)生一系列的生物地球化學(xué)反應(yīng)，隨后又從潛流帶中排出到地表水系統(tǒng)中。地表水系統(tǒng)中的微生物會(huì)受潛流帶中排泄物質(zhì)的影響，能夠吸收其中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以供自身生長(zhǎng)，微生物繁殖所形成的菌落以及其他的物質(zhì)，混合在沉積物界面以及沉積物之中，造成沉積物的孔隙度下降，降低潛流帶的滲透系數(shù)，影響潛流交換過(guò)程，這個(gè)過(guò)程可稱(chēng)為生物堵塞。

生物作用影響非穩(wěn)態(tài)潛流交換的另一重要途徑是生物擾動(dòng)作用。生物擾動(dòng)是指潛流帶中生活生長(zhǎng)的微生物由于自身覓食、繁殖、遷移等生命需求，對(duì)潛流帶中沉積物的顆粒進(jìn)行擾動(dòng)、擴(kuò)散、最后沉積再分布的過(guò)程[19]。生物擾動(dòng)有助于維持潛流帶的結(jié)構(gòu)和垂直水力梯度。生物的主動(dòng)或者被動(dòng)活動(dòng)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致河床沉積物形成壓力差，在壓力差的作用下，水流會(huì)進(jìn)入河床沉積物孔隙中，影響其中的生物代謝。這一過(guò)程影響了沉積物中孔隙的重分布以及沉積物的物理化學(xué)特性，從而對(duì)非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程產(chǎn)生相當(dāng)程度的影響。

2 潛流交換過(guò)程的研究方法

水量交換是潛流帶物質(zhì)交換、能量傳輸?shù)幕据d體，影響著熱量交換、物質(zhì)溶解等物理化學(xué)過(guò)程在內(nèi)的瞬態(tài)過(guò)程，對(duì)潛流帶水量交換的監(jiān)測(cè)是研究地下水-地表水相互作用過(guò)程的重要基礎(chǔ)[20]。本文主要對(duì)潛流交換研究中涉及到的水量監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行總結(jié)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)潛流帶潛流交換的研究采用了許多不同的研究方法，如現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)等都是研究潛流交換過(guò)程的有效手段，這些常用方法對(duì)穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程的研究起到了重要作用。但對(duì)于非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程的研究需要在這些常用方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，得到精度更高、成本更低、更易于操作的研究方法。

2.1 室內(nèi)水槽試驗(yàn)

由于河床形態(tài)的復(fù)雜性和多樣性，采用室內(nèi)水槽試驗(yàn)探究潛流交換的物理機(jī)制是一種有效的研究手段。通過(guò)改變?cè)囼?yàn)水槽的水流流量、流速等水力參數(shù)，選擇砂石、礫石以及黏土等物質(zhì)作為材料構(gòu)造河床底部沉積物，可以模擬河床結(jié)構(gòu)、河流幾何特征、水動(dòng)力條件等對(duì)潛流交換的影響，進(jìn)行量化研究。室內(nèi)水槽試驗(yàn)易于操作，且試驗(yàn)效果十分直觀，可以節(jié)約大量試驗(yàn)時(shí)間與成本，不僅可以方便穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程研究，而且在非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程研究中也具有巨大的優(yōu)勢(shì)，如探究非穩(wěn)定水流、生物擾動(dòng)作用等非穩(wěn)態(tài)影響因素對(duì)潛流交換過(guò)程產(chǎn)生的影響，由于這種方法的可視化程度高且操作難度低，已成為目前非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程的主要研究方法之一。

2.2 滲流儀直接監(jiān)測(cè)法

河床中的生物地球化學(xué)梯度很陡，并且可以在短距離內(nèi)發(fā)生明顯變化，這使得精準(zhǔn)描述潛流帶中生物地球化學(xué)過(guò)程具有挑戰(zhàn)性，是非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程研究的一大難點(diǎn)。滲透儀測(cè)量方法是直接量化地表水與地下水之間交互作用中最為常見(jiàn)的一種方法，該裝置最早是在1944年由Israelson 等[21]設(shè)計(jì)出來(lái)的，并用于灌溉過(guò)程中漏水量的計(jì)算。Lee[22]在此基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了袋式滲流儀，當(dāng)?shù)叵滤飨虻乇硭畷r(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入收集袋的流體體積即為交換量；當(dāng)?shù)乇硭飨虻叵滤畷r(shí)，收集袋內(nèi)預(yù)先充入一定體積的水，單位時(shí)間內(nèi)收集袋中流體體積的減少量即為交換量[23]，這種滲透儀制作簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，在河水和湖水中都得到了較好的應(yīng)用。除此之外，由于滲流儀直接監(jiān)測(cè)法的即時(shí)性，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到如非穩(wěn)定水流條件下潛流交換過(guò)程的變化，直接測(cè)量出溪流或河流中的水沙界面上水和溶質(zhì)的交換量，為野外天然河道的非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程的研究提供了有效的手段，結(jié)合不同試驗(yàn)條件及需求，許多學(xué)者根據(jù)實(shí)際情況也對(duì)滲透儀做了不同的改進(jìn)。

2.3 示蹤試驗(yàn)法

溶質(zhì)試驗(yàn)和輸運(yùn)模型，通常被稱(chēng)為示蹤試驗(yàn)，為潛流交換通量估算提供了一種基于水力學(xué)方法的替代方法，用于了解不同水流過(guò)程的相對(duì)重要性，特別是那些影響水、溶質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在水流中移動(dòng)的過(guò)程，可以為地下水排放量的量化提供依據(jù)，其規(guī)模和精度是其他方法不可能達(dá)到的。示蹤試驗(yàn)法的原理是：通過(guò)選擇一定的化學(xué)物質(zhì)或觀測(cè)指標(biāo)，對(duì)潛流帶中的水流交換速率、生物地球化學(xué)反應(yīng)、熱量傳輸特征等進(jìn)行追蹤監(jiān)測(cè)，從而了解潛流帶中的交互過(guò)程，在研究潛流交互作用過(guò)程中的水流特征時(shí)，是一種特別有用的方法。示蹤試驗(yàn)剛引入潛流交換研究時(shí)，主要用于反演穩(wěn)態(tài)條件下的潛流交換通量，隨著對(duì)非穩(wěn)態(tài)潛流交換現(xiàn)象的重視，相應(yīng)的示蹤結(jié)果求解方法也發(fā)展出一些可以識(shí)別非穩(wěn)態(tài)潛流交換的方法。溫度示蹤法、同位素示蹤法、熒光染料示蹤法都是示蹤法的直接應(yīng)用，主要應(yīng)用在水文地質(zhì)條件較復(fù)雜、數(shù)據(jù)難以直接觀測(cè)的地區(qū)，如喀斯特水文地質(zhì)區(qū)。

2.4 數(shù)值模擬

潛流交換過(guò)程的研究中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)存在較為耗費(fèi)試驗(yàn)時(shí)間和人力的缺陷，因此具有經(jīng)濟(jì)性且準(zhǔn)確度高的數(shù)值模擬技術(shù)被廣泛應(yīng)用于潛流帶的生物地球化學(xué)研究。主要包括有限差分法、有限元法、邊界元法、積分有限差分法。基于有限元與有限差分的數(shù)值模擬方法是目前潛流交換模擬方面采用的主要研究手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種地下水?dāng)?shù)值模擬軟件不斷出現(xiàn)，從最開(kāi)始被廣泛應(yīng)用的MODFLOW、PEST、MT3DMS 等到現(xiàn)在的可視化軟件如GMS、Visual MODFLOW、FEFLOW 等，再到在復(fù)雜邊界條件下更高模擬精度的多物理場(chǎng)模擬軟件（如COMSOL），都是模擬地表水-地下水相互作用常用的數(shù)值模型。

由于不同科研課題的研究需求重點(diǎn)不同，根據(jù)地表水-地下水模型耦合方式的不同，也可分為半耦合型與全耦合型。半耦合型模型的特征是使用地下水?dāng)?shù)值模型取代了分布式水文模型的地下水傳輸模塊，借助公共參量的傳輸和反饋進(jìn)行耦合，例如GSFLOW 是將降雨-徑流模擬系統(tǒng)PRMS 與MODFLOW 進(jìn)行耦合，除此之外還有SWATMOD、CATHY 等半耦合型數(shù)值模型；全耦合型模型是以瞬態(tài)微分方程描述各種水流運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用數(shù)值分析建立相鄰網(wǎng)格之間的時(shí)空關(guān)系，常見(jiàn)的全耦合地表水-地下水?dāng)?shù)值模型包括ParFlow、MIKE-SHE、THIHMS 等[24]。

除了被國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者廣泛使用的數(shù)值模型外，還有許多不為人熟知但依然功能強(qiáng)大的開(kāi)源地下水-地表水模擬軟件，如IWFM（Integrated Water Flow Model）就是一個(gè)用于流域內(nèi)的水資源管理和規(guī)劃的開(kāi)源數(shù)值模型，用于計(jì)算地下水流、土壤表面水分流動(dòng)、地表水和地下水、溪流和地表之間的流量交換；以及WRF-Hydro 模型耦合框架，可以將大氣和陸地水文的多尺度過(guò)程模型連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水-地表水過(guò)程的高精度模擬。

但目前的數(shù)值模擬技術(shù)依然有一些缺陷，遠(yuǎn)沒(méi)有將地表水和地下水相互作用的全部復(fù)雜性結(jié)合起來(lái)，如在模擬地表水和地下水相互作用的數(shù)值模型中，各種空間尺度的模型都會(huì)對(duì)河床進(jìn)行高度簡(jiǎn)化，通常被模擬為靜態(tài)、均質(zhì)的實(shí)體。將非穩(wěn)態(tài)因素如非穩(wěn)定水流、動(dòng)態(tài)河床形狀等對(duì)潛流交換過(guò)程的影響加入到數(shù)值模型的開(kāi)發(fā)中，是未來(lái)的研究方向。當(dāng)前主流數(shù)值模擬通常為分段線性關(guān)系模型。然而，當(dāng)一定范圍內(nèi)的地表水和地下水交互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生由水文和地質(zhì)因素共同驅(qū)動(dòng)的非線性交互作用，具體表現(xiàn)尚不清楚；當(dāng)在河床或含水層沉積物中發(fā)生水文交換過(guò)程時(shí)，地表水和地下水會(huì)與層狀的非均質(zhì)沉積物產(chǎn)生相互作用，這個(gè)過(guò)程可能會(huì)產(chǎn)生閾值效應(yīng)，但還未明確。因此，需要更精確、細(xì)致的地表水-地下水系統(tǒng)數(shù)值模型進(jìn)行探究，需要開(kāi)發(fā)能夠?qū)⑺膭?dòng)力學(xué)和生物地球化學(xué)過(guò)程聯(lián)系起來(lái)的概念模型。

2.5 遙感技術(shù)

河流水深、地形的精確測(cè)量對(duì)于模擬各種潛流交換過(guò)程非常重要，有助于建立精確的數(shù)字高程模型，并且測(cè)量結(jié)果也可以與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。一些新型的遙感技術(shù)，例如遙感攝影測(cè)量技術(shù)、熱紅外遙感技術(shù)等，通常不用將實(shí)驗(yàn)儀器布置在地表水體內(nèi)，也可以獲取到地表水體的信息、定位地表水和地下水發(fā)生交互作用的位置。無(wú)人機(jī)和傳感器技術(shù)的發(fā)展使遙感方法更具成本效益，具有更高的空間分辨率，同時(shí)即使在難以進(jìn)入的地點(diǎn)也能實(shí)現(xiàn)高頻率采集?？梢詫⒏叨葎?dòng)態(tài)變化的非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程轉(zhuǎn)化為更詳細(xì)的數(shù)據(jù)記錄，為研究提供更加有力和可靠的依據(jù)。

但遙感技術(shù)只能在較顯著的潛流交換通量變化過(guò)程中進(jìn)行研究，通常捕捉不到強(qiáng)度較小的通量變化過(guò)程，因此可以考慮將遙感技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以提高潛流交換過(guò)程研究的精度。

3 非穩(wěn)態(tài)潛流交換

3.1 河流及潛流帶水流運(yùn)動(dòng)

鑒于河谷地貌的多樣性，潛流交換過(guò)程會(huì)對(duì)河段水文條件的變化進(jìn)行系統(tǒng)地響應(yīng)，在河流水流流態(tài)變化和地下水水位波動(dòng)的共同作用下，通過(guò)改變水頭分布控制潛流交換過(guò)程。研究不同河床結(jié)構(gòu)下潛流交換的物理機(jī)制及作用，對(duì)河流的綜合治理和生態(tài)恢復(fù)都具有重要的意義，可以幫助管理者更深層次地了解潛流帶生態(tài)系統(tǒng)中的各項(xiàng)功能以及作用范圍，從而更好地制定水資源管理方案。如探究海貍壩的形成對(duì)河岸潛流帶重金屬污染緩沖功能、生物地球化學(xué)過(guò)程的影響[25]；Welsh 等[26]探討了天然河道修復(fù)工程中，河道結(jié)構(gòu)重建以及安裝垂直葉片結(jié)構(gòu)對(duì)河岸潛流帶的影響；姬雨雨等[15]以瀾滄江漫灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)洲灘為研究對(duì)象，依據(jù)水庫(kù)運(yùn)行導(dǎo)致的水位波動(dòng)特征，探究了水庫(kù)運(yùn)行對(duì)漫灣庫(kù)區(qū)洲灘水熱交換影響。

3.2 河流及潛流帶溶質(zhì)運(yùn)移

潛流帶周?chē)乃畡?dòng)力條件是影響潛流交換過(guò)程的重要因素，控制著河道中的物質(zhì)運(yùn)輸和化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程。由于它直接控制河水的停留時(shí)間，導(dǎo)致了物質(zhì)運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化過(guò)程之間存在著廣泛的相互作用。針對(duì)由水動(dòng)力條件驅(qū)動(dòng)的潛流交換研究，有助于更好地對(duì)山區(qū)河流、水電站下游以及短期水文事件引起的大流量、高流速的水流特征進(jìn)行了解，從而對(duì)潛流帶的水量交換過(guò)程有更清晰的認(rèn)識(shí)。Hester 等[27]利用MODFLOW和SEAM3D 構(gòu)建了含地表水硝酸鹽和地下水溶解有機(jī)碳的河床沙丘模型，模擬了其中發(fā)生的反硝化過(guò)程，分析得出了地表水位波動(dòng)對(duì)河床沙丘潛流帶反硝化作用的影響；Zheng 等[28]利用一組單波的多物理數(shù)值模型進(jìn)行了試驗(yàn)分析，量化了流動(dòng)河床形態(tài)中的潛流帶氮循環(huán)。

3.3 河流及潛流帶生態(tài)系統(tǒng)維系與演化

河流系統(tǒng)中潛流帶沉積物常受到各種生物、化學(xué)物質(zhì)的污染，受自然過(guò)程和人為活動(dòng)影響顯著。研究不同河床結(jié)構(gòu)下潛流帶生物地球化學(xué)作用，可以為水污染恢復(fù)、水質(zhì)管理問(wèn)題提供具有很高參考價(jià)值的信息，為維護(hù)河流生態(tài)健康提供一定的理論依據(jù)。Yu 等[29]研究了茅洲河流域潛流帶重金屬的流域尺度分布，為流域內(nèi)沉積物污染的治理和修復(fù)提供了重要指導(dǎo)方向；Mugnai 等[30]在巴西大西洋森林的一條溪流中，采集了其潛流帶中的動(dòng)物樣品，對(duì)其中的搖蚊群落及其垂直分布進(jìn)行了研究。

3.4 河流及潛流帶能量傳輸

地表水與地下水相互作用時(shí)總是伴隨著熱量傳輸，地下水運(yùn)動(dòng)可以引起地質(zhì)體熱狀態(tài)的顯著變化，溫度與潛流帶生物地球化學(xué)過(guò)程、潛流帶水生生物的生存是密切相關(guān)的。因此，觀察潛流帶的熱量變化時(shí)空特征是定性或定量分析潛流交換過(guò)程的有效手段[31]。與水文測(cè)量方法相比，利用熱作為示蹤劑的主要優(yōu)點(diǎn)在于，河床熱性質(zhì)對(duì)于沉積物結(jié)果具有獨(dú)立性。溫度作為能量狀態(tài)的反映，可以反映水力交換的時(shí)空變化，并提供一種易于測(cè)量和無(wú)污染的自然追蹤方法[32-34]。郭偉強(qiáng)等[35]采用基于一維熱擴(kuò)散對(duì)流方程的溫度梯度法，探究了潏河冬季潛流帶水交換過(guò)程對(duì)沉積物間隙水水質(zhì)的影響；Ren 等[36]建立了一個(gè)基于COMSOL 的水動(dòng)力-溫度耦合模型，采用實(shí)時(shí)溫度和水力梯度數(shù)據(jù)，對(duì)河岸潛流帶的潛流交換進(jìn)行了量化。

4 發(fā)展趨勢(shì)

雖然已有大量學(xué)者對(duì)潛流交換過(guò)程進(jìn)行了研究，但對(duì)非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程的認(rèn)識(shí)還有待進(jìn)一步深化，以提高對(duì)潛流交換過(guò)程和潛流帶功能的認(rèn)識(shí)，最終采取有效的管理措施，恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)功能，目前該研究領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)主要方面：

（1）將研究擴(kuò)展到更長(zhǎng)時(shí)間尺度

前人研究都在短時(shí)間尺度上進(jìn)行，通常在不超過(guò)2年的時(shí)間內(nèi)對(duì)潛流帶的變化情況進(jìn)行評(píng)估，并且沒(méi)有充分描述季節(jié)性過(guò)程的變化，由于地下水對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響可能在不同季節(jié)和年份之間有顯著差異，如果研究不能充分解釋這種時(shí)間差異性，可能會(huì)出現(xiàn)不一致的結(jié)果。因此，需要進(jìn)行更長(zhǎng)期和更深入的調(diào)查研究，明確地下水排泄和下游生態(tài)系統(tǒng)之間的相互影響，這將有助于更好地了解非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程的生物地球化學(xué)效應(yīng)。

（2）將研究對(duì)象擴(kuò)展到更大空間尺度

許多潛流交換過(guò)程研究都是在河段尺度上進(jìn)行的，研究空間尺度較小，但這些研究的成本卻較高，無(wú)法在整個(gè)河流流域進(jìn)行重復(fù)。現(xiàn)有研究集中在某一獨(dú)立的河流中，但不同級(jí)別河網(wǎng)中非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程的時(shí)空差異性尚不清楚，所以如何采用更有效、經(jīng)濟(jì)的研究方法應(yīng)用于更大空間尺度的非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程研究，是未來(lái)重要的研究方向。

（3）在研究中加入以往被過(guò)度簡(jiǎn)化的影響因素

大多數(shù)研究由于簡(jiǎn)化了河流水位的動(dòng)態(tài)波動(dòng)過(guò)程，對(duì)河流潛流帶中的熱傳輸和生物地球化學(xué)過(guò)程采用簡(jiǎn)單概化的方式，僅調(diào)查了動(dòng)態(tài)河流水位波動(dòng)對(duì)潛流帶溫度和生物地球化學(xué)的短時(shí)間尺度影響，但要了解動(dòng)態(tài)流量變化對(duì)潛流帶熱運(yùn)移過(guò)程和生物地球化學(xué)過(guò)程的長(zhǎng)期影響，還需要對(duì)這一區(qū)域內(nèi)的水文、熱傳輸和生物地球化學(xué)過(guò)程進(jìn)行更廣泛的觀測(cè)和模擬研究。

（4）開(kāi)發(fā)更精確的地表水-地下水耦合模型

從理論角度出發(fā)，數(shù)值模擬技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用在不同空間尺度下非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程研究當(dāng)中，以闡明非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程，把從探索性建模獲得的模擬結(jié)果作為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)出能夠?qū)⑺畡?dòng)力學(xué)和生物地球化學(xué)過(guò)程聯(lián)系起來(lái)的精確概念模型，是目前非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程研究的重要方向。

5 結(jié)論

（1）對(duì)潛流帶水量交換的監(jiān)測(cè)是研究地下水-地表水相互作用過(guò)程的重要基礎(chǔ)，常用方法在穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程中已起到了重要的作用，在非穩(wěn)態(tài)潛流交換研究中，還需要在常用方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，得到精度更高、成本更低、更易于操作的研究方法。

（2）目前大量學(xué)者針對(duì)非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程進(jìn)行了研究，以期通過(guò)研究不同河床結(jié)構(gòu)下潛流帶的物理機(jī)制、不同河床結(jié)構(gòu)下潛流帶生物地球化學(xué)作用、潛流帶熱量變化時(shí)空特征等方向，對(duì)不同時(shí)空尺度、不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的潛流帶進(jìn)行研究，從不同學(xué)科角度出發(fā)，進(jìn)行分析和總結(jié)規(guī)律，對(duì)當(dāng)前的水資源保護(hù)、生態(tài)環(huán)境的修復(fù)和治理起到重要的指導(dǎo)作用。

（3）非穩(wěn)態(tài)潛流交換過(guò)程的研究涉及到多要素、多尺度、多學(xué)科的大量信息，僅依靠現(xiàn)有的技術(shù)、軟件、模型尚有局限性，應(yīng)在現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合新方法、新技術(shù)，開(kāi)發(fā)切合實(shí)際應(yīng)用的集成模擬軟件，更直觀、有效地為研究者提供信息，指導(dǎo)水資源利用及保護(hù)。現(xiàn)有研究已經(jīng)確定了非穩(wěn)態(tài)潛流交換的多尺度運(yùn)動(dòng)過(guò)程，但主要集中在河岸潛流帶內(nèi)的單一潛流交換過(guò)程上，研究的時(shí)空尺度及地形復(fù)雜度還不夠，有的信息還無(wú)法充分綜合起來(lái)。從水文、地形、地質(zhì)和生態(tài)過(guò)程多角度評(píng)估跨區(qū)域的非穩(wěn)態(tài)潛流交換，加強(qiáng)不同尺度的時(shí)空變異性研究，發(fā)展多尺度河床形態(tài)精確有效的測(cè)量方法，以及與熱追蹤等新技術(shù)手段的充分結(jié)合，是未來(lái)重要的研究方向。