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2024 , Vol. 22 >Issue 2: 282 - 290

DOI: https://doi.org/10.13248/j.cnki.wetlandsci.2024.02.013

综述

洪泛湿地潜流带水动力过程研究综述

  • 崔庚 , 1, 2 ,
  • 佟守正 , 1, * ,
  • 吕宪国 1 ,
  • 刘言 1, 3 ,
  • 王磊 2 ,
  • 璩向宁 2
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佟守正，研究员。E-mail:

崔庚(1990—)，男，吉林省长春人，博士，助理研究员，从事湿地生态水文研究。E-mail:

收稿日期: 2023-04-10

  修回日期: 2023-09-13

  网络出版日期: 2024-04-10

基金资助

国家自然科学基金项目(42201117)

宁夏回族自治区重点研发计划项目(2021BEG02013)

西北土地退化与生态恢复重点实验室(宁夏大学)开放基金项目(LDER2023Q06)

版权

版权所有©《湿地科学》编辑部2024
收起

A Review of Studies on Hydrodynamic Processes in the Hyporheic Zone of Floodplain Wetlands

  • CUI Geng , 1, 2 ,
  • TONG Shouzheng , 1, * ,
  • LYU Xianguo 1 ,
  • LIU Yan 1, 3 ,
  • WANG Lei 2 ,
  • QU Xiangning 2
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Received date: 2023-04-10

  Revised date: 2023-09-13

  Online published: 2024-04-10

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Copyright © 2024 Wetland Science. All rights reserved.
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摘要

洪泛湿地是洪水周期作用下形成的水陆交错关键带。水体的补给、径流、排泄等水动力过程驱动着湿地元素循环和生物演化，从而实现洪泛湿地的生态功能。洪水的周期性淹没造成湿地潜流带结构和渗透性的时空异质性，导致量化洪泛湿地水动力过程的不确定性。综述了洪泛湿地潜流带水动力过程的研究进展，从洪泛湿地沉积物-水界面动态变化的角度提出了未来洪泛湿地水动力过程的研究方向，旨在揭示洪泛湿地潜流带水动力过程对洪水脉冲的响应机制，丰富和完善湿地系统多环境要素耦合研究的理论和方法，为洪涝灾害导致的退化湿地生态功能恢复、洪水资源化利用及湿地的可持续发展提供科学依据。

本文引用格式

崔庚 , 佟守正 , 吕宪国 , 刘言 , 王磊 , 璩向宁 . 洪泛湿地潜流带水动力过程研究综述[J]. 湿地科学, 2024 , 22(2) : 282 -290 . DOI: 10.13248/j.cnki.wetlandsci.2024.02.013

Abstract

Floodplain wetlands are formed under the processes of flood cycles, and they are key zones where land and water interlace. Hydrodynamic processes such as recharge, runoff, and discharge of water bodies drive the elements cycles and biological evolution, thereby realizing the ecological functions of floodplain wetlands. Periodic inundation of floods results in significant spatiotemporal heterogeneity in the structure and permeability of the wetland hyporheic zone, leading to uncertainties in quantifying the hydrodynamic processes of floodplain wetlands. The research progresses of the hydrodynamic process in the hyporheic zone of the floodplain wetland are reviewed, and the future research directions of the hydrodynamic process of the floodplain wetland are proposed from the perspective of the dynamic change of the sediment-water interface of floodplain wetlands. The review aims to reveal the response mechanism of the hydrodynamic process in the hyporheic zone of the floodplain wetland to the flood pulse, to enrich and improve the theory and method of the coupling study of multiple environmental elements of the wetland system, to provide important scientific basis for the restoration of ecological functions of degraded wetlands caused by floods, flood resource utilization and sustainable development of wetlands.

潜流带(hyporheic zone)是地表水与地下水混合并进行相互作用的关键地带，其中发生着活跃的物理、化学和生物作用，并控制着地表水与地下水之间物质流、能量流和信息流的传递与交换[1⇓⇓⇓-5]。湿地地表水与地下水之间的交互作用影响湿地生物群落的分布和生态系统的健康，具有重要的生态环境效应。潜流带这一概念主要在地表水与地下水的交互作用研究中被提及，洪泛湿地的地表水文过程具有周期性，且地表水与地下水的交互作用较为独特，因此本文提出洪泛湿地潜流带这一概念，即洪泛湿地浅层地下水与河水交混，并进行能量和物质交换的沉积物层。受季节性或水库控制的洪水淹没影响，洪水脉冲导致洪泛湿地的水动力过程明显区别于非洪泛湿地，洪泛湿地潜流带表层沉积结构在洪水冲刷和泥沙淤积的驱动下存在一定程度的时空变异性[6⇓-8]，导致潜流带的渗透性发生变化，湿地与地下水系统和生物群落之间水流、物质、能量的转化和循环机制变得更为复杂。因此，开展洪泛湿地潜流带水动力过程与机制研究，能够增进对地表水入渗、地下水补给、径流、排泄、地表水与地下水的交互作用强度等水动力过程的理论认识，对于湿地的保护与恢复、洪水资源的利用与调控等都具有重要意义。
洪水是水资源的一种运动方式和表现形式，尤其在干旱、半干旱地区，洪水更是洪泛湿地重要的生态水源。洪水是驱动洪泛湿地发展演化的关键因子[9⇓⇓-12]，洪水通过补充湿地生态用水以及调节湿地地下水贮存量来维持洪泛湿地的水循环[13]。洪水的量级、脉冲时间、淹没范围、淹水时间、脉冲形状等脉冲属性的周期性变化塑造了洪泛湿地微地貌和潜流带表层的沉积结构，这不仅可以对地表水与地下水的水动力交互作用产生显著影响[14]，还能够为湿地的初级和次级生产力提供丰富的营养物质，从而调节湿地生境和生物多样性[15]。然而，湖库调度、闸坝建设、灌溉引水等人类干扰活动改变了天然的洪水脉冲特征[16⇓⇓-19]，致使洪泛湿地的水动力过程逐渐向着人为影响的方向演化。
在周期性洪水冲刷和泥沙淤积的驱动下，洪泛湿地潜流带表层结构存在强烈的时空变异性，导致地表水入渗界面渗透性的波动。这种复杂干湿交替过程下的动边界问题以及形态参数与水文模块的实时反馈问题一向是洪泛湿地水动力学研究的难点。已有的关于洪水对洪泛湿地水动力过程影响机制的研究较为零星，缺乏系统的归纳总结。本文以洪水对洪泛湿地水动力过程的影响机制为核心，结合国内外最新研究进展，从以下3个方面进行综述，提出了未来洪泛湿地水动力过程研究的发展方向，旨在明确洪泛湿地潜流带结构变化与水动力过程的耦合机制，为极端气候条件下洪泛湿地有机体对洪水脉冲的适应与利用机制研究奠定基础。

1 湿地潜流带的结构

潜流带是河床之下延伸至河岸带两侧的沉积物层，浅层地下水与河水在此区域内交混并进行物质和能量的交换。研究人员提出，将包含入渗地表水体积≥10%的地下区域作为潜流带的下边界[20]，这一提法至今仍被广泛使用。河流的侵蚀和沉积物过程使河床地形与结构具有很强的时空变异性，通过野外观测往往很难捕捉这种变异特征。随着卫星技术和地球物理探测技术的发展，遥感解译和电阻率成像(ERI)逐渐成为反演和推断潜流带结构时空变化特征的新方法[21⇓⇓-24]。潜流带结构的非均质性和各向异性造成了潜流带研究的复杂性和不确定性，学者们在探究潜流带水动力过程时逐渐开始评估这种不确定性[25⇓-27]。渗透性是表征潜流带结构的重要参数，也是影响水动力过程的关键因素。潜流带结构和渗透性的时空变异性一直是潜流带研究的热点内容[28⇓⇓⇓-32]。河流的侵蚀和沉积过程造成河床地形与结构的时空变化，致使河床渗透性发生改变，从而影响河水与地下水的水流通量[33]。由物理、化学和生物因素引起的淤塞过程造成潜流带渗透性的减弱，从而削弱甚至切断了地表水与地下水的联系[34⇓⇓-37]。
随着研究的不断深入，潜流带的研究范围逐渐扩展到湖泊以及其他湿地的沉积物或底泥[38-39](图1)。相比于河流潜流带，水体流动性缓慢的湿地潜流带介质颗粒通常较细，透水性较差，低洼的地势和底泥的弱透水性往往为湿地提供了良好的储水条件。在水流的作用下，泥沙的沉降与再悬浮不断改造和重塑湿地潜流带表层的结构[40⇓-42]。
1 湿地潜流带示意图

Schematic diagram of wetland hyporheic zone

2 湿地潜流带水动力过程

潜流带水动力过程是指地表水与地下水在潜流带内混合、迁移的过程，亦称潜流交换。潜流带中的水流交换影响着溶解氧、营养物质、污染物的混合、运移和时空分布，进而控制着潜流带内的氧化还原电位、pH、温度等环境指标[43]。地表水与地下水发生的交换和混合造成潜流带在垂向上存在明显的物理和化学差异，促使元素在迁移过程中发生一系列的生物地球化学反应[44-45]。在交叉学科——生态水文地质学(Eco-hydrogeology)不断发展的背景下[46]，地下水对于维持湿地生态系统健康及其结构与功能稳定的作用日益得到重视[47-48]。湿地潜流带中地表水与地下水的交互作用过程对湿地生物种群的数量、多样性、活性等生物界面上的特征能够产生深刻影响，这些生物界面的响应特征可以反映在地表-地下垂向分带的每一种生境上，包括表生植被的演替、水生生物与地下环境微生物的响应等[49]。
长期以来，虽然湿地和地下水含水层往往被定义为离散、独立的实体，但随着研究的深入，人们逐渐认识到，它们是彼此连通的且联系密切[50]，这促进了对湿地-地下水系统更全面的理解。例如，将地下水视为地表水污染和湿地生态系统退化(富营养化、有机污染退化等)的来源，反之亦然。湿地潜流带的水动力过程与补水来源密切相关。受河流和降水补给的平原区湿地与地下水的交互作用通常很弱，潜流带厚度较薄；在蒸发强烈的干旱半干旱地区，地下水可能是湿地最重要甚至唯一的补给来源，地表水与地下水的交互作用极为强烈[51-52]，且伴随着一系列生物地球化学过程；洪泛湿地潜流带的水动力交互作用则在很大程度上受控于河流的水文情势，洪水的季节性淹没使河流与地下水的交互通量远远大于洪泛区孤立湿地与地下水的交互通量[53]。
根据地表水与地下水的水力联系特征，将湿地分为饱和流-补给型湿地(地表水补给地下水)、非饱和流-补给型湿地(地表水补给地下水但二者脱节)、饱和流-贯穿型湿地(地表水补给地下水和地下水补给地表水同时发生)和饱和流-排泄型湿地(地下水补给地表水)(图2)[54]。地表水与地下水从连通到过渡再到脱节状态的概念模型表明，湖沼湿地比河流更容易与地下水脱节，较大范围的过渡带会增加地表水入渗速率的空间变异性[55]。
2 湿地地表水与地下水的水力联系特征

Hydraulic connection characteristics between wetland surface water and groundwater

潜流带水动力过程的主要表现形式为地表水入渗补给地下水或地下水补给地表水，在同一区域，这两种表现形式可能交替出现(图2)。潜流带水动力过程的主要研究内容包括地表水与地下水的垂向、侧向交换通量、水流路径、洪水淹没时水流的入渗规律及其与介质的相互作用机制等。地下水与地表水之间的水动力过程可以通过水动力学方法直接测量与评估，包括测压管测量、渗流仪测量、抽水-响应试验、水位时变关联法等[56-57]，也可以利用间接证据来推断水流特征，例如，利用保守化合物、氢氧稳定同位素组成以及放射性同位素的衰变特征，探究潜流带孔隙水来源、水流特征以及不同水体端元的混合情况[58-59]。国内外已有很多关于地表水-地下水水动力过程模拟模型的研究，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断优化为潜流带水动力过程研究提供了新的思路和借鉴，也是最有效的研究手段之一[61-62]。根据前人的研究成果[63⇓⇓⇓⇓-68]，总结了水动力过程研究的主要方法、指标参数、优缺点及适用场景(表1)。
1 水动力过程研究的主要方法

Main methods for studying hydrodynamic processes

方法 指标参数 原理 优缺点 适用场景
水均衡法 地表水入渗量或地下水补给量 基于质量平衡方程计算不同横截面之间地表水的流量差 计算简便，但分辨率较低，误差较大 适用于流动地表水体区域的大尺度研究
达西法 补给、排泄关系，水流交换量 监测地下水井的水位，结合水文地质条件，根据达西定律进行计算 水位监测设备易于安装，但钻井成本较高，且费时费力 适用于水文地质条件单一的小尺度研究
示踪技术 潜流交换量，水流路径 不同水体中示踪剂丰度存在显著差异 方法简单、便捷，但示踪剂含量的时空变化和较低浓度可能导致不确定性 适用于较小尺度和小规模的研究
水-热运移 水流通量，水流路径 基于潜流带温度场变化指示水流通量及渗流过程 水热模型开发相对成熟，计算结果较准确，但介质的空间异质性会导致一定的不确定性。同时，野外布置较为困难，对于高空间分辨率的研究，成本较高 适用于某一监测点及其一定辐射区域内的研究
数值模拟法 水流交换量 基于渗流原理和连续性方程进行建模 能够进行较大尺度的计算，但建模过程较为繁琐，基础数据搜集和获取较难 适用于水文地质条件较为明确的区域尺度研究
虽然当前在潜流带结构特征、水动力过程、监测技术与方法等方面已经取得了重大进展，但已有研究多集中在河流、湖泊等永久性水体的潜流带，关于季节性变化的洪泛湿地潜流带的研究仍鲜见报道。

3 洪泛湿地的洪水脉冲效应

洪泛区是河流与陆地、地表水与地下水交互作用的重要生态交错区，具有水动力、生态、社会经济等方面的复杂边缘效应，其中水动力边缘效应是其他边缘效应的驱动力。基于在亚马孙河和密西西比河的长期观测和数据积累，于1989年提出了河流生态理论，该理论指出，洪水脉冲(即河水流量的脉冲)是控制河流-洪泛系统物质和生物群落连通和交换过程的主要驱动力[69]。洪水脉冲理论刻画了河流与其洪泛区的横向水力联系及其动态过程[70]，强调洪泛滩区与河流是一个整体，二者不可分割(图3)。周期性的干湿交替通过整合水陆生境，实现河流-洪泛区的高度动态连通性，从而提高洪泛湿地的生物多样性和生产力[71]。同时，洪水的脉冲过程影响土壤性质并改变酶的活性，破坏土壤平衡，进而降低洪泛湿地的固碳能力[72-73]。因此，权衡和判断洪水脉冲对洪泛湿地的正负效应显得十分重要。
3 洪水脉冲对洪泛湿地的影响示意图

Schematic diagram of the impact of flood pulses on flooded wetlands

h1、h2和h3分别代表枯水位、漫滩水位和洪峰水位。]]>

水文情势或水动力过程的周期性规律变化能够维持洪泛湿地生物结构和功能的完整。在洪水脉冲驱动洪泛湿地水文连通研究方面，科研人员通过数值模拟的手段，发现水库的调节重塑了河流天然的洪水脉冲，从而驱动洪泛湿地与河流水文连通机制的变化[74]。在洪泛湿地水量均衡研究方面，科研人员通过野外观测和遥感解译手段，发现河流是洪泛湿地最主要的补给水源，占总补给量的90%以上[75]，还有研究量化了地下水对洪泛湿地水均衡的贡献[76]。国内对洪泛湿地水动力过程的研究在近几年得以发展并取得了丰硕的成果。例如，利用ADH水动力计算模型计算分析了洪水过程中河流主槽与洪泛区之间的水力交互连通关系，发现河流洪峰期间有接近60%的洪峰流量从洪泛区经过[77]；基于水均衡模型和物理过程的水动力模型探究了鄱阳湖洪泛系统的水文情势，发现地下水系统是鄱阳湖洪泛区重要的组成部分，地下水的净排泄量对洪泛区水均衡的影响要大于地下水的净补给量[78]。
以上研究丰富了洪泛湿地水动力过程的研究内容，但是这些研究大多只关注洪泛湿地系统内各类水体之间的相互关系，关于潜流带结构的动态变化对洪水淹没时和退水后地表水的入渗、滞留及地下径流过程的影响尚不清晰。潜流带是洪泛湿地水动力过程研究中的关键带，如何建立反映洪泛湿地潜流带时空变异性和地表-地下水动力过程关系的数值模拟模型，目前还缺乏成熟的理论基础和有效的技术手段。

4 展望

湿地水文过程及其生态效应是目前湿地生态水文与水资源管理研究的热点与科学前沿，潜流带的结构、水动力过程以及洪泛湿地的洪水脉冲过程一直是湿地生态水文过程研究的热点与难点。目前国内外对以上科学问题的研究取得了一定的进展，但是洪水的季节性淹没会造成洪泛区沉积介质的冲刷和淤积，导致潜流带结构与渗透性的改变，使得洪泛湿地水的入渗、滞留和迁移过程变得更加复杂。因此，对于洪泛湿地的水动力过程仍有以下亟待解决的科学问题：

4.1 洪泛湿地潜流带介质结构对洪水脉冲的响应

目前对潜流带结构时空变异性的研究多集中于河床沉积物和湖床底泥。受洪水脉冲作用时间、范围和强度变化的影响，洪泛湿地潜流带表层的泥沙沉降或再悬浮明显区别于河床和湖床。潜流带介质结构的季节性和周期性变化对洪水脉冲的响应规律研究是探究洪泛湿地潜流带水动力过程的重要切入点，目前还鲜有相关研究报道，亟需进行相关的理论分析和机制研究。

4.2 干湿交替条件下洪泛湿地潜流带水流状态变化

潜流带的水动力过程随着介质的饱和状态而变化。干湿交替导致潜流带介质在饱和、非饱和状态之间频繁转换，水流状态也在层流和紊流之间变换。水流状态是选择水流运动方程的重要依据，因此，探明干湿条件下洪泛湿地潜流带水流状态的变化是提高水流过程模拟精度的有效手段，是目前亟待解决的问题之一。

4.3 洪泛湿地潜流带水流过程研究

良好的水循环是湿地生态系统健康发展的重要驱动力，周期性的洪水淹没过程使洪泛湿地潜流带的水流过程和循环变得十分复杂。目前考虑湿地潜流带介质属性变异性及水流过程对洪水脉冲瞬态响应的研究鲜见报道，洪水脉冲与洪泛湿地水动力过程的关系及数学表达，水动力过程评价的指标体系、应用场景等依然有待探索，这既是具有前瞻性的研究，也是值得深入探讨的重要科学问题。明确洪泛湿地沉积物-水界面的水流动态规律，能够为探究洪泛湿地生态系统的演替规律和模式提供强有力的依据。
针对以上有待解决的问题，未来应重点研究洪泛湿地潜流带水动力过程对洪水脉冲的响应机制，以丰富和完善湿地生态水文过程研究的热点和难点，拓展湿地科学前沿。

参考文献

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