流域河网多尺度潜流交换机理及模型研究

The hyporheic zone is a critical zone of the river corridor that affects the ecological functions of the river and directly relates to the health and development of the river system. The current increasingly severe water environment has created profound influences on the flow process and habitat structures in the hyporheic zones. A deep understanding of the exchange mechanism in the hyporheic zone over multi-scale river network would be helpful to quantitatively evaluate the effect of the hyporheic zone on the ecological environment of the river network, and to improve the overall evaluation of the ecological health and its coordination function of the river system. In this study, a bunch of hyporheic experimental technologies including thermal tracing, conservative/smart solute tracer test would be conducted over multiple orders of mountain rivers, and also, combined with a series of theoretical and numerical analysis, we will reveal the structure heterogeneity of the hyporheic zones and the hyporheic exchange behaviors over temporal-spatial scales. Furthermore, we will bring insight into the hyporheic driving mechanism as well as the upscaling effects on the evolution trend of hyporheic exchange characteristics. And based on that the driving factors on the cumulative contribution of the hyporheic exchange could be quantified. The ultimate purpose of this study is to set up a quantitative evaluation model for depicting the hyporheic exchanges over multi-scale river networks, and also several indices that presenting the ecological function of hyporheic zones would be put forward to serve and enhance the existing river ecological management decision-making program. What can be expected is that this study will make breakthroughs in the knowledge of multi-scale hyporheic exchange that leading to a prosperous numerical method and technique development on the flow interaction in the hyporheic zone.

潜流带是影响河流生态功能的关键区域，直接关联着河流系统的健康与发展。当前日益严峻的水环境情势形成了对流域河网潜流区水流环境和生境结构的强烈冲击。研究多尺度河网潜流带内水流交换机理并发展相应的量化评估模型，将有助于定量评估潜流带对流域河网水系生态环境影响效应，完善对河流生态健康及其协调功能的整体性评价。本课题通过现场试验、理论研究和数值分析等综合方法，探究潜流带结构特征及其多维水流时空异质性；基于热示踪、保守/反应型溶质示踪试验结果，进一步诊断潜流交换特征量随尺度变化的演进趋势和驱动机制，并量化各驱动因子在潜流交换累积贡献中的影响权重；建立流域河网潜流交换量化评估模型，并提出围绕潜流带功能发挥为核心的河流功能评价指标，以服务和提升现有河流生态管理决策方案。本课题将在河网多尺度潜流交换机理和模型研究方面有所突破，研究成果可进一步完善和发展潜流带理论分析方法及试验研究技术。

河流系统中的潜流带是地表水流与地下水之间的一个活跃的交错带，是河流中颗粒和溶质交换、新陈代谢和储存的主要场所，对河流生命体的生命循环有重要的生态意义，对河流生态的健康起着关键的作用。因此,研究河床潜流带内的水流过程将有利于深刻理解潜流带在河流生态系统维持方面所发挥的积极作用。本研究结合数值模型与野外试验等多种手段，以新安江流域千岛湖以上的区域为研究区域，研究不同时空尺度下潜流交换过程机理及特征，研究尺度涵盖从米级的河床结构尺度到百米级的河段尺度一直到更大的流域河网尺度，并进一步探讨了流域上不同尺度的潜流交换过程对河流水质过程的影响。研究围绕如下几个方向展开：首先讨论了河流系统中常见的床面结构及水生植被驱动下的潜流交换机理，研究表明潜流交换通量与雷诺数之间呈幂函数关系，沙波地形上潜流交换主要受沙波起伏度、交错性的控制，深潭-浅滩地形上潜流交换交换量与床面起伏度近似线性关系，水生植物驱动下的潜流交换特征与植物的空间分布以及植物引起的水流阻力有关，获得了潜流交换特征预测经验公式；其次，以安徽省境内的新安江流域为研究区域，通过大量溶质示踪试验结合统计学方法，揭示了流域河网尺度上潜流交换特征的时空分布规律，进一步构建流域河网数值模型，量化了流域河网侧向潜流交换特征，发现新安江流域低阶河流潜流交换总量与侧向潜流交换量均较高，低阶河流潜流交换量占整个流域河网潜流交总量的~60%；此外，通过数学模型量化了流域河网内氮污染现状，并解析了氮污染来源。基于所构建的地表水-地下水耦合模型分析了不同重现期的历史暴雨洪水事件下，流域的水文过程及地表水-地下水交换特征，发现洪水事件中的流域河道的地表水-地下水交换通量呈逆时针的绳套曲线关系，地表水-地下水交换通量与流量大致呈幂函数关系。地表水-地下水交换强度与河流阶级高度相关，低阶河流河道附近的交换通量明显比高阶河流的更大。本课题所获得的研究成果可为流域水体污染物传输及生态环境修复提供科学依据。

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