崔 庚，佟守正，呂憲國，劉 言,3，王 磊，璩向?qū)?/p>

(1.中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長春 130102；2.西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室，寧夏銀川 750021；3.長春師范大學地理科學學院，吉林長春 130032)

潛流帶(hyporheic zone)是地表水與地下水混合并進行相互作用的關鍵地帶，其中發(fā)生著活躍的物理、化學和生物作用，并控制著地表水與地下水之間物質(zhì)流、能量流和信息流的傳遞與交換[1-5]。濕地地表水與地下水之間的交互作用影響濕地生物群落的分布和生態(tài)系統(tǒng)的健康，具有重要的生態(tài)環(huán)境效應。潛流帶這一概念主要在地表水與地下水的交互作用研究中被提及，洪泛濕地的地表水文過程具有周期性，且地表水與地下水的交互作用較為獨特，因此本文提出洪泛濕地潛流帶這一概念，即洪泛濕地淺層地下水與河水交混，并進行能量和物質(zhì)交換的沉積物層。受季節(jié)性或水庫控制的洪水淹沒影響，洪水脈沖導致洪泛濕地的水動力過程明顯區(qū)別于非洪泛濕地，洪泛濕地潛流帶表層沉積結(jié)構在洪水沖刷和泥沙淤積的驅(qū)動下存在一定程度的時空變異性[6-8]，導致潛流帶的滲透性發(fā)生變化，濕地與地下水系統(tǒng)和生物群落之間水流、物質(zhì)、能量的轉(zhuǎn)化和循環(huán)機制變得更為復雜。因此，開展洪泛濕地潛流帶水動力過程與機制研究，能夠增進對地表水入滲、地下水補給、徑流、排泄、地表水與地下水的交互作用強度等水動力過程的理論認識，對于濕地的保護與恢復、洪水資源的利用與調(diào)控等都具有重要意義。

洪水是水資源的一種運動方式和表現(xiàn)形式，尤其在干旱、半干旱地區(qū)，洪水更是洪泛濕地重要的生態(tài)水源。洪水是驅(qū)動洪泛濕地發(fā)展演化的關鍵因子[9-12]，洪水通過補充濕地生態(tài)用水以及調(diào)節(jié)濕地地下水貯存量來維持洪泛濕地的水循環(huán)[13]。洪水的量級、脈沖時間、淹沒范圍、淹水時間、脈沖形狀等脈沖屬性的周期性變化塑造了洪泛濕地微地貌和潛流帶表層的沉積結(jié)構，這不僅可以對地表水與地下水的水動力交互作用產(chǎn)生顯著影響[14]，還能夠為濕地的初級和次級生產(chǎn)力提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，從而調(diào)節(jié)濕地生境和生物多樣性[15]。然而，湖庫調(diào)度、閘壩建設、灌溉引水等人類干擾活動改變了天然的洪水脈沖特征[16-19]，致使洪泛濕地的水動力過程逐漸向著人為影響的方向演化。

在周期性洪水沖刷和泥沙淤積的驅(qū)動下，洪泛濕地潛流帶表層結(jié)構存在強烈的時空變異性，導致地表水入滲界面滲透性的波動。這種復雜干濕交替過程下的動邊界問題以及形態(tài)參數(shù)與水文模塊的實時反饋問題一向是洪泛濕地水動力學研究的難點。已有的關于洪水對洪泛濕地水動力過程影響機制的研究較為零星，缺乏系統(tǒng)的歸納總結(jié)。本文以洪水對洪泛濕地水動力過程的影響機制為核心，結(jié)合國內(nèi)外最新研究進展，從以下3個方面進行綜述，提出了未來洪泛濕地水動力過程研究的發(fā)展方向，旨在明確洪泛濕地潛流帶結(jié)構變化與水動力過程的耦合機制，為極端氣候條件下洪泛濕地有機體對洪水脈沖的適應與利用機制研究奠定基礎。

1 濕地潛流帶的結(jié)構

潛流帶是河床之下延伸至河岸帶兩側(cè)的沉積物層，淺層地下水與河水在此區(qū)域內(nèi)交混并進行物質(zhì)和能量的交換。研究人員提出，將包含入滲地表水體積≥10%的地下區(qū)域作為潛流帶的下邊界[20]，這一提法至今仍被廣泛使用。河流的侵蝕和沉積物過程使河床地形與結(jié)構具有很強的時空變異性，通過野外觀測往往很難捕捉這種變異特征。隨著衛(wèi)星技術和地球物理探測技術的發(fā)展，遙感解譯和電阻率成像(ERI)逐漸成為反演和推斷潛流帶結(jié)構時空變化特征的新方法[21-24]。潛流帶結(jié)構的非均質(zhì)性和各向異性造成了潛流帶研究的復雜性和不確定性，學者們在探究潛流帶水動力過程時逐漸開始評估這種不確定性[25-27]。滲透性是表征潛流帶結(jié)構的重要參數(shù)，也是影響水動力過程的關鍵因素。潛流帶結(jié)構和滲透性的時空變異性一直是潛流帶研究的熱點內(nèi)容[28-32]。河流的侵蝕和沉積過程造成河床地形與結(jié)構的時空變化，致使河床滲透性發(fā)生改變，從而影響河水與地下水的水流通量[33]。由物理、化學和生物因素引起的淤塞過程造成潛流帶滲透性的減弱，從而削弱甚至切斷了地表水與地下水的聯(lián)系[34-37]。

隨著研究的不斷深入，潛流帶的研究范圍逐漸擴展到湖泊以及其他濕地的沉積物或底泥[38-39](圖1)。相比于河流潛流帶，水體流動性緩慢的濕地潛流帶介質(zhì)顆粒通常較細，透水性較差，低洼的地勢和底泥的弱透水性往往為濕地提供了良好的儲水條件。在水流的作用下，泥沙的沉降與再懸浮不斷改造和重塑濕地潛流帶表層的結(jié)構[40-42]。

圖1 濕地潛流帶示意圖Fig.1 Schematic diagram of wetland hyporheic zone

2 濕地潛流帶水動力過程

潛流帶水動力過程是指地表水與地下水在潛流帶內(nèi)混合、遷移的過程，亦稱潛流交換。潛流帶中的水流交換影響著溶解氧、營養(yǎng)物質(zhì)、污染物的混合、運移和時空分布，進而控制著潛流帶內(nèi)的氧化還原電位、pH、溫度等環(huán)境指標[43]。地表水與地下水發(fā)生的交換和混合造成潛流帶在垂向上存在明顯的物理和化學差異，促使元素在遷移過程中發(fā)生一系列的生物地球化學反應[44-45]。在交叉學科——生態(tài)水文地質(zhì)學(Eco-hydrogeology)不斷發(fā)展的背景下[46]，地下水對于維持濕地生態(tài)系統(tǒng)健康及其結(jié)構與功能穩(wěn)定的作用日益得到重視[47-48]。濕地潛流帶中地表水與地下水的交互作用過程對濕地生物種群的數(shù)量、多樣性、活性等生物界面上的特征能夠產(chǎn)生深刻影響，這些生物界面的響應特征可以反映在地表-地下垂向分帶的每一種生境上，包括表生植被的演替、水生生物與地下環(huán)境微生物的響應等[49]。

長期以來，雖然濕地和地下水含水層往往被定義為離散、獨立的實體，但隨著研究的深入，人們逐漸認識到，它們是彼此連通的且聯(lián)系密切[50]，這促進了對濕地-地下水系統(tǒng)更全面的理解。例如，將地下水視為地表水污染和濕地生態(tài)系統(tǒng)退化(富營養(yǎng)化、有機污染退化等)的來源，反之亦然。濕地潛流帶的水動力過程與補水來源密切相關。受河流和降水補給的平原區(qū)濕地與地下水的交互作用通常很弱，潛流帶厚度較??；在蒸發(fā)強烈的干旱半干旱地區(qū)，地下水可能是濕地最重要甚至唯一的補給來源，地表水與地下水的交互作用極為強烈[51-52]，且伴隨著一系列生物地球化學過程；洪泛濕地潛流帶的水動力交互作用則在很大程度上受控于河流的水文情勢，洪水的季節(jié)性淹沒使河流與地下水的交互通量遠遠大于洪泛區(qū)孤立濕地與地下水的交互通量[53]。

根據(jù)地表水與地下水的水力聯(lián)系特征，將濕地分為飽和流-補給型濕地(地表水補給地下水)、非飽和流-補給型濕地(地表水補給地下水但二者脫節(jié))、飽和流-貫穿型濕地(地表水補給地下水和地下水補給地表水同時發(fā)生)和飽和流-排泄型濕地(地下水補給地表水)(圖2)[54]。地表水與地下水從連通到過渡再到脫節(jié)狀態(tài)的概念模型表明，湖沼濕地比河流更容易與地下水脫節(jié)，較大范圍的過渡帶會增加地表水入滲速率的空間變異性[55]。

圖2 濕地地表水與地下水的水力聯(lián)系特征Fig.2 Hydraulic connection characteristics between wetland surface water and groundwater

潛流帶水動力過程的主要表現(xiàn)形式為地表水入滲補給地下水或地下水補給地表水，在同一區(qū)域，這兩種表現(xiàn)形式可能交替出現(xiàn)(圖2)。潛流帶水動力過程的主要研究內(nèi)容包括地表水與地下水的垂向、側(cè)向交換通量、水流路徑、洪水淹沒時水流的入滲規(guī)律及其與介質(zhì)的相互作用機制等。地下水與地表水之間的水動力過程可以通過水動力學方法直接測量與評估，包括測壓管測量、滲流儀測量、抽水-響應試驗、水位時變關聯(lián)法等[56-57]，也可以利用間接證據(jù)來推斷水流特征，例如，利用保守化合物、氫氧穩(wěn)定同位素組成以及放射性同位素的衰變特征，探究潛流帶孔隙水來源、水流特征以及不同水體端元的混合情況[58-59]。國內(nèi)外已有很多關于地表水-地下水水動力過程模擬模型的研究，但主要是基于地下水模型和水文模型的耦合[60]。水文模型和地下水模型的不斷優(yōu)化為潛流帶水動力過程研究提供了新的思路和借鑒，也是最有效的研究手段之一[61-62]。根據(jù)前人的研究成果[63-68]，總結(jié)了水動力過程研究的主要方法、指標參數(shù)、優(yōu)缺點及適用場景(表1)。

表1 水動力過程研究的主要方法Table 1 Main methods for studying hydrodynamic processes

雖然當前在潛流帶結(jié)構特征、水動力過程、監(jiān)測技術與方法等方面已經(jīng)取得了重大進展，但已有研究多集中在河流、湖泊等永久性水體的潛流帶，關于季節(jié)性變化的洪泛濕地潛流帶的研究仍鮮見報道。

3 洪泛濕地的洪水脈沖效應

洪泛區(qū)是河流與陸地、地表水與地下水交互作用的重要生態(tài)交錯區(qū)，具有水動力、生態(tài)、社會經(jīng)濟等方面的復雜邊緣效應，其中水動力邊緣效應是其他邊緣效應的驅(qū)動力。基于在亞馬孫河和密西西比河的長期觀測和數(shù)據(jù)積累，于1989 年提出了河流生態(tài)理論，該理論指出，洪水脈沖(即河水流量的脈沖)是控制河流-洪泛系統(tǒng)物質(zhì)和生物群落連通和交換過程的主要驅(qū)動力[69]。洪水脈沖理論刻畫了河流與其洪泛區(qū)的橫向水力聯(lián)系及其動態(tài)過程[70]，強調(diào)洪泛灘區(qū)與河流是一個整體，二者不可分割(圖3)。周期性的干濕交替通過整合水陸生境，實現(xiàn)河流-洪泛區(qū)的高度動態(tài)連通性，從而提高洪泛濕地的生物多樣性和生產(chǎn)力[71]。同時，洪水的脈沖過程影響土壤性質(zhì)并改變酶的活性，破壞土壤平衡，進而降低洪泛濕地的固碳能力[72-73]。因此，權衡和判斷洪水脈沖對洪泛濕地的正負效應顯得十分重要。

圖3 洪水脈沖對洪泛濕地的影響示意圖Fig.3 Schematic diagram of the impact of flood pulses on flooded wetlands

水文情勢或水動力過程的周期性規(guī)律變化能夠維持洪泛濕地生物結(jié)構和功能的完整。在洪水脈沖驅(qū)動洪泛濕地水文連通研究方面，科研人員通過數(shù)值模擬的手段，發(fā)現(xiàn)水庫的調(diào)節(jié)重塑了河流天然的洪水脈沖，從而驅(qū)動洪泛濕地與河流水文連通機制的變化[74]。在洪泛濕地水量均衡研究方面，科研人員通過野外觀測和遙感解譯手段，發(fā)現(xiàn)河流是洪泛濕地最主要的補給水源，占總補給量的90%以上[75]，還有研究量化了地下水對洪泛濕地水均衡的貢獻[76]。國內(nèi)對洪泛濕地水動力過程的研究在近幾年得以發(fā)展并取得了豐碩的成果。例如，利用ADH水動力計算模型計算分析了洪水過程中河流主槽與洪泛區(qū)之間的水力交互連通關系，發(fā)現(xiàn)河流洪峰期間有接近60%的洪峰流量從洪泛區(qū)經(jīng)過[77]；基于水均衡模型和物理過程的水動力模型探究了鄱陽湖洪泛系統(tǒng)的水文情勢，發(fā)現(xiàn)地下水系統(tǒng)是鄱陽湖洪泛區(qū)重要的組成部分，地下水的凈排泄量對洪泛區(qū)水均衡的影響要大于地下水的凈補給量[78]。

以上研究豐富了洪泛濕地水動力過程的研究內(nèi)容，但是這些研究大多只關注洪泛濕地系統(tǒng)內(nèi)各類水體之間的相互關系，關于潛流帶結(jié)構的動態(tài)變化對洪水淹沒時和退水后地表水的入滲、滯留及地下徑流過程的影響尚不清晰。潛流帶是洪泛濕地水動力過程研究中的關鍵帶，如何建立反映洪泛濕地潛流帶時空變異性和地表-地下水動力過程關系的數(shù)值模擬模型，目前還缺乏成熟的理論基礎和有效的技術手段。

4 展望

濕地水文過程及其生態(tài)效應是目前濕地生態(tài)水文與水資源管理研究的熱點與科學前沿，潛流帶的結(jié)構、水動力過程以及洪泛濕地的洪水脈沖過程一直是濕地生態(tài)水文過程研究的熱點與難點。目前國內(nèi)外對以上科學問題的研究取得了一定的進展，但是洪水的季節(jié)性淹沒會造成洪泛區(qū)沉積介質(zhì)的沖刷和淤積，導致潛流帶結(jié)構與滲透性的改變，使得洪泛濕地水的入滲、滯留和遷移過程變得更加復雜。因此，對于洪泛濕地的水動力過程仍有以下亟待解決的科學問題：

4.1 洪泛濕地潛流帶介質(zhì)結(jié)構對洪水脈沖的響應

目前對潛流帶結(jié)構時空變異性的研究多集中于河床沉積物和湖床底泥。受洪水脈沖作用時間、范圍和強度變化的影響，洪泛濕地潛流帶表層的泥沙沉降或再懸浮明顯區(qū)別于河床和湖床。潛流帶介質(zhì)結(jié)構的季節(jié)性和周期性變化對洪水脈沖的響應規(guī)律研究是探究洪泛濕地潛流帶水動力過程的重要切入點，目前還鮮有相關研究報道，亟需進行相關的理論分析和機制研究。

4.2 干濕交替條件下洪泛濕地潛流帶水流狀態(tài)變化

潛流帶的水動力過程隨著介質(zhì)的飽和狀態(tài)而變化。干濕交替導致潛流帶介質(zhì)在飽和、非飽和狀態(tài)之間頻繁轉(zhuǎn)換，水流狀態(tài)也在層流和紊流之間變換。水流狀態(tài)是選擇水流運動方程的重要依據(jù)，因此，探明干濕條件下洪泛濕地潛流帶水流狀態(tài)的變化是提高水流過程模擬精度的有效手段，是目前亟待解決的問題之一。

4.3 洪泛濕地潛流帶水流過程研究

良好的水循環(huán)是濕地生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要驅(qū)動力，周期性的洪水淹沒過程使洪泛濕地潛流帶的水流過程和循環(huán)變得十分復雜。目前考慮濕地潛流帶介質(zhì)屬性變異性及水流過程對洪水脈沖瞬態(tài)響應的研究鮮見報道，洪水脈沖與洪泛濕地水動力過程的關系及數(shù)學表達，水動力過程評價的指標體系、應用場景等依然有待探索，這既是具有前瞻性的研究，也是值得深入探討的重要科學問題。明確洪泛濕地沉積物-水界面的水流動態(tài)規(guī)律，能夠為探究洪泛濕地生態(tài)系統(tǒng)的演替規(guī)律和模式提供強有力的依據(jù)。

針對以上有待解決的問題，未來應重點研究洪泛濕地潛流帶水動力過程對洪水脈沖的響應機制，以豐富和完善濕地生態(tài)水文過程研究的熱點和難點，拓展?jié)竦乜茖W前沿。