河流潜流带和潜流交换时空变异特征研究综述

张 潇鲁 程 鹏

(1.长江科学院 水资源综合利用研究所，湖北 武汉 430010； 2.长江科学院 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，湖北 武汉 430010； 3.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 4.河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098)

地表水和地下水是地球大陆水循环的两个重要组成部分，两者之间一般存在着相互转化的关系，在河流中，其关系尤为紧密。地表水和地下水相互作用的时空变异性不仅增加了对河流-含水层系统认识的不确定性，同时也增大了该系统中水动力弥散的强度，导致对河流污染物质运移、水资源评价等方面的原有认知产生一定偏差。目前，关于地表水和地下水的相互作用已得到国内外学者一致关注，对潜流带的研究已经悄然成为水文学的研究热点之一。开展河床沉积物及潜流交换时空变异特征的研究，对于准确评价流域水资源，对河流和含水介质的生物群落和生态环境保护均具有重要的意义。

由于地表水和地下水相互作用涉及的领域和学科比较广泛，近些年来关于其规律特征的研究较多，但对相关的研究成果、研究内容缺乏系统的梳理。首先,本文从潜流带基本概念和研究意义上进行介绍，强调潜流带及潜流交换研究的重要性；其次，分别从时间和空间、不同尺度等方面总结潜流带及潜流交换变异性的研究成果，分析了其主要特点和规律；最后，通过对该领域有关研究内容进行对比分析，提出了当前地表水与地下水相互关系研究的主要问题和挑战，以及未来该领域研究的发展方向和研究重点。

1 河流潜流带

1.1 基本概念

河流不仅是水和物质运动的通道，在垂向上，水和物质仍存在交换现象。研究发现，河水和浅层地下水水量或物质交换存在于河岸及河床多孔渗透区，这个区域被称作潜流带[1]，它是包围着河流，且河水和地下水相互混合的一块区域，占据着地表水、侧向河岸带和地下水之间的中心位置[2]。潜流带是河流集水区内物质和能量的动态转换中心，是集水区内各种环境特征的综合表征体，潜流带生物群落及系统整体对集水区的自然和人为干扰也产生着积极响应[3]。也可以简单地将潜流带定义为表面水和地下水双向迁移和混合的区域，有效地连接着河流陆地、地表和地下[4]。潜流带位置示意图见图1。由于独特的水文作用机理，河流潜流带可以起到水文调节、环境缓冲、生态保护等重要功能[5]。

图1 潜流带位置示意Fig.1 Diagram of the hyporheic zone

1.2 生态功能

潜流带是河流生态系统的关键部分[3]，是地表水和地下水之间活跃的生态群落交错区，对河流生命体的生命循环具有重要的生态意义，对河流生态区的健康发挥着关键的生态小生境的作用[4，6]。非均质性是潜流带的天然属性，它不仅直接导致地表水/地下水水量交换的空间变化[7]，而且对于生物地球化学转换、营养物质循环、有机物分解以及鱼的生存繁衍都具有重要的作用[8]。河流和潜流带的水文交换影响着河流潜流带的生物地球化学过程[9]。河水-地下水的水量交换也可以调节河水温度[8]，该调节作用对水生动植物的存活至关重要[10-11]。无论是鱼类繁殖还是河床附着生物的生存发展，对河水温度极其敏感，而常年恒温的地下水的上涌降低了河水温度的波动，有利于河流生态系统的健康发展[12]。潜流带水交换对河流生态系统功能的影响大小主要取决于新陈代谢过程、河水滞留在潜流带中的比例以及时间，随着新陈代谢和地下水/地表水交换速率的增大，潜流带的影响作用也会更大。

2 潜流带的时空变异特征

2.1 潜流带非均质性的概念

潜流带沉积物孔隙具有复杂的连通性，流体在不同的孔隙或同一孔隙的不同部位运动的情况各不相同，存在着局部的变异性，带有随机变化的性质，即随机性。介质在空间又存在一定的空间分布规律，即具有一定的结构性，这就使得表征多孔介质的非均质性的参数符合区域化变量的特征，具有空间变异性。渗透系数常被用来表征多孔介质的非均质性，它在河流和含水层的水量交换和河流生态的分析中有重要的作用。

如果孔隙介质渗透系数在共域中任何点上都相等，那么就是说该孔隙介质的域是均质的，反之，其域则是非均质的[13]。随机性和结构性是地层非均质性最为显著的两种特性[14]：结构性主要表现为含水层参数在空间分布上以一定的确定性规律存在；随机性表现为参数在空间上以一定的概率分布形式存在[15]。由G. Matheron教授提出的平稳/非平稳地质统计学方法为解决这类地层非均质性问题提供了有效的手段，现在这种方法被广泛地应用到水文地质领域。由于储层非均质性的研究水平将直接影响到对储层中油气水的分布规律的认识和开发效果的好坏，因此地层非均质性是石油工作者的研究难题之一，大量国内学者针对这个难题开展过研究工作[16-17]，而对于河流潜流带的非均质性研究则相对较少。

2.2 渗透系数的空间变异性

潜流带非均质性是潜流带表征的核心内容，河床沉积物渗透系数常用来刻画潜流带的非均质性。渗透系数是最重要的水文地质参数，它直接或间接地影响着河流及其周围地下含水层之间水流的交换和污染物的运移[18]，对河流生态系统具有重要的意义[19]。传统观念认为河床是一个均质单元，在水流计算过程中，前人常将渗透系数值设置为一个常量，然而在天然河流中，河床沉积物渗透性空间变异性非常大[20-22]。刘猛等[23]摒弃了前人常用的确定性方法而建立了参数随机模拟的数值模型，结果表明：充分考虑渗透系数随机特性的蒙特卡罗法预测结果比确定性方法更加可靠、科学和有效。显然，在实际水文地质计算或模拟过程中，忽视渗透系数空间变异性会显著增大对水资源量计算或污染物运移分析的不确定性[24]。

河床沉积物渗透系数空间变异性的定性研究对河水-地下水水量交换和河床溶质运移有重要价值[25]。在水平方向上，一般河床两岸沉积物渗透系数值明显要小于河流中心，但是在相同的尺度范围内渗透系数值沿着水流方向没有明显的变化趋势[22，24-25]。在流域尺度上，渗透系数值沿着水流方向却有下降的趋势，即上游最大，中游次之，下游最小。天然河流中，河床沉积物渗透系数的空间变异性是普遍存在的[26]，即使沉积物相对来说是均质的，Smith[27]依然可以观测到相当大的空间结构的变化。米海存等[28]发现渭河漫滩饱和带垂向渗透系数具有较强的空间变异性。Lu等[29]发现美国普拉特河浅层河床沉积物水平和垂向渗透系数均具有高度的非均质性。赵佳莉等[25]发现，在不到1 m的小尺度范围内，河床沉积物渗透系数值差异性也很显著(0. 7～3.0 m/d)。美国West Bear河沉积物渗透系数的空间变化甚至达到4个数量级[18]。另外，Sebok等[22]研究了不同河流形态下河床沉积物渗透性能的空间变异性，发现弯曲河道河床沉积物渗透系数的空间变异性比顺直河道要大得多。

虽然河床沉积物的分层作用对河水和地下水的相互作用影响显著，但是只有为数很少的学者对河床渗透系数沿垂向的变化进行了研究。Song等[30]研究了美国内布拉斯加州3条典型河流，结果表明河床沉积物上层渗透性大于下层。Chen[31]也发现，河床沉积物渗透系数沿深度方向有下降的趋势。Ryan和Boufadel[32]及Leek等[26]研究了河床沉积物渗透系数空间分布在深度方向上的变化。

除此之外，作为非均质性重要的一方面，概率分布模型常常被用来识别河床渗透系数的空间变异性。尽管国内外对渗透系数概率分布模型已经开展了很多研究，但渗透系数究竟服从何种分布尚无确切答案。而且在众多的研究中，正态分布/对数正态分布是最为常见的[27，33]。赵佳莉等[25]采用下降水头竖管试验法估算了滦河下游3个不同的断面，共32个测试点位置处的河床垂向渗透系数，发现其近似服从正态分布。施小清等[34]剔除了Borden含水层垂向渗透系数试验数据的特异质，对渗透系数进行分布检验，结果表明渗透系数服从对数正态分布。相对比的是，Genereux等[35]研究发现，河床沉积物渗透系数既不服从正态分布也不服从对数正态分布，而是服从双峰分布。Lu等[29]在研究美国内布拉斯加州河床沉积物渗透系数特征时，发现水平渗透系数同时服从对数正态分布和指数型分布，而与正态分布差异显著。除此之外，Ryan和Boufadel[32]发现他们研究区内每层沉积物的lnK服从高斯分布，而总体上lnK却不服从高斯分布。

2.3 潜流交换的空间变异性

潜流交换过程不仅包括地表水与地下水的区域性交换，还包括在局部范围内由于河水与地下水之间存在的压力差而产生的局部水流交换。Winter[36]研究表明：地下水流从地形高处向低处流动仅适用于区域尺度上的地下水流；局部流动系统的水流方向更加复杂。

在天然河流中，地表水和地下水存在不同尺度上的水量交换，传统观念是把河段概化为3种情况：得到地下水、排泄河水和河水从一边进入河床，从另一边出来[37-38]。与河床渗透系数一样，潜流通量也具有高度的空间变异性。Schmidt等[21]发现：220 m研究河段剖面上既有地表水补给地下水(<0 L·m-2·d-1)，也有地下水排泄地表水(>0 L·m-2·d-1)，其值变化范围在-10～455 L·m-2·d-1，而且只占河段长度20%的高排泄区占有的排泄量却高达50%。朱静思等[39]监测山东省大汶河某典型河段垂向潜流通量，其值分布范围为99.61～356.25 L·m-2·d-1。鲁程鹏等[40]同样发现了河流横断面上潜流通量的空间异质性。甚至在数米范围内，潜流交换通量无论在数量上还是方向上都有可能发生较大的变化[41]。Lautz和Ribaudo[42]就发现在他们研究区1m的尺度范围内，地表水和地下水的潜流交换也会存在方向上的不同。

潜流通量空间变异性一方面是由于河床沉积物渗透系数变异性导致的[7，22],另一方面也和河床地形非均质性有关[43]。比如潜流交换的非均质性不仅表现在河床地形发生变化的区域，即使在同一河床地形地貌的条件下，由于受到河床非均质性的影响，潜流交换也会有较大的空间变化[7]。Lautz等[7]识别出渗透系数的垂向变异性导致了潜流交换的空间差异，且潜流交换变化范围在0～0.42 m/d之间。河床分层结构产生了显著的各向异性，这种分层结构使水流更偏爱在空隙中沿河中水流方向流动；河床分层结构引起了平均孔隙水流随深度方向发生了相对快速的下降。与均质河床相比，非均质河床渗透性引起通过界面的平均流量在空间上具有较大的变异性[44-45]。在任一小段河道内，由于河床地形的影响，都有可能同时发生河流补给地下水和河流排泄地下水等水文现象。Sawyer等[46]通过室内河槽试验和数值模拟方法，研究了横跨河道的圆木对其附近潜流交换的影响，研究结果表明：在圆木的上游，地表水补给地下水；在圆木的下游，地下水补给地表水；在圆木上下游不足几米的地方，它们的潜流交换方向都发生了改变。潜流交换在局部尺度上所表现的特征是极其复杂的，对潜流交换所表现出的非均质特征虽然已经得到许多学者的认同，但是对其物理机制还没有得到一个很好的诠释。

河水和地下水的交换也存在着规律性。来文立等[47]通过研究发现，潜流交换量具有明显的空间分层特征，随着深度的增加，潜流交换大小表现出显著的增大趋势。除此之外，Gerecht等[35]发现交换量在靠近河岸处最大，随着距河岸距离越大，交换量就越小。潜流交换沿垂直于河床方向规律和渗透系数正好相反，它很有可能是由河岸存储效应导致的。而且在整个流域尺度上，地表水和地下水相互作用强度一般从上游到下游会有减弱的趋势[11]。除此之外，潜流交换也会受到河道内地形的影响[48-49]，包括连续的洼池-浅滩、坡面的不连续性以及河道障碍物等[50-51]，河道地形的突然变化会引起潜流交换大小或方向上的改变。河坝会引起坝周围河床和河岸带内水流的改变，其上游的潜流交换比下游要小得多[18，49]。对于河流浅滩，河流在浅滩上游失去水，在浅滩下游得到河水[37]。这种情况还发生在更大的尺度上，对于弯曲河道，上游河段失水，河水进入潜流带，而下游河段得到水，上下游河段潜流交换方向正好相反[7]。而且河道弯曲程度也会影响潜流的大小以及潜流路径[52]。鲁程鹏等[43]采用数值模拟的方法研究在河床横剖面地形不均匀的条件下，潜流交换量的空间分布，结果发现，潜流交换量更易发生在河道的深水区域。即使河床非均质性加剧了潜流交换量的空间变异性，但是鲁程鹏等[40]通过对河流横断面浅层潜流交换的现场监测，发现在河道沟槽处的潜流通量在一定程度上即可代表整个断面潜流通量的变化趋势。

为了更好地理解潜流交换现象，Conant[37]提出了5种不同地形条件下潜流交换概念模型，该模型在一定程度上可以直观地揭示河流横断面地形变化下河床的水流特征。Lautz等[49]提出了沿河流纵剖面的潜流交换的概念模型，模型反映了浅滩、碎石坝等内河道地形引起的潜流交换特征。除此之外，Sophocleous[53]还归纳总结了地表水和地下水交换的机制和主要控制要素。为了更好地概化和模拟地表水/地下水系统，应该站在更加宽广的视角来看待它们之间的相互作用，比如多尺度分析、水力特征的空间变异性等，所有这些都需要各学科或跨学科人才的通力合作。

3 渗透系数和潜流交换的时间变异性

3.1 渗透系数的时间变异性

河床沉积物渗透系数时间变异性对河流的生态和生物地质化学过程都具有重要的意义[19]。尽管河床沉积物渗透系数的时间变异性已经得到了国内外学者的普遍认同[54-55]，但其动态变化特征仍未得到统一的答案。河流水动力过程会引起河床渗透系数的动态变化[22，54-56]。纵向水流对河床的冲刷淤积作用会显著改变河床沉积物颗粒的组成，影响河床的渗透性能。而垂向水流，即潜流交换，也会对河床渗透系数演化产生重要影响，在地表水和地下水的水流交换驱动下，细颗粒物质会发生迁移(如冲刷、悬浮和沉积)，而细颗粒物质的迁移会改变沉积物原有的渗透系数值[19，57]。

河床沉积物渗透系数一般在洪水位上升阶段增大，随着洪水位的消落而减小，最后当水位平稳时，渗透系数值可能恢复到洪水前的状态或者比洪水前更小[58-59]。冯斯美等[60]定量研究了淤塞-反淤塞作用下河流潜流带渗透系数的变化特征。洪水中携带的悬浮物、有机质和细小的泥沙颗粒会在河床表层淤积、堵塞沉积物空隙而引起淤塞，使潜流带渗透性减弱，而在其他时期，河流泥沙冲刷、生物扰动以及对有机质的分解等作用能够破坏河床淤塞层，形成反淤塞，使渗透系数增大，淤塞-反淤塞作用能改变潜流带的渗透性能。因此，河床渗透系数变化和河流水动力条件密切相关[55]，或多或少服从一定的周期性波动[61]。然而，到目前为止，针对渗透系数的时间变异特征的定量识别及其与水动力条件的关系研究相对匮乏。

3.2 潜流交换的时间变异性

动态性是潜流交换的一个基本属性，潜流交换的动态特征受河流水文情势的影响，在自然界中无处不在。潜流交换对河流水位的响应时间只有几分钟，对降水补给地下水的响应时间也在几分钟到几小时，潜流交换的动态性直接或间接影响着潜流带溶质或污染物运移、地球化学反应和生态环境等[62]。然而由于监测手段的限制以及受动态水文过程、潜流带非均质性等多种因素的影响，目前人们对潜流交换时间变异性的认识仍有很大的局限性。

在日尺度上，潜流交换呈现出明显的变化特征，一方面是受河水温度日波动的影响，另一方面是受变化水文过程的影响。河水温度日波动会影响河水黏度和密度，改变河床渗透系数的大小，从而引起潜流交换的日波动变化[63]。河水水位波动改变了河床水力梯度分布，引起潜流交换的动态变化；当地表水补给地下水时，补给量会随着水位的抬升而增加，当地下水补给地表水时，补给量会随着水位抬升而减少，特别是在暴雨期间，潜流交换变化尤为明显，甚至会发生方向上的改变[64-65]。在季节尺度上，潜流交换也呈现出明显的变化特征[66]。潜流带水流交换方式以及交换强度都有很大的季节变异性，潜流交换在冬夏两季很有可能存在显著的差异[67]。汛期潜流交换条件下，细颗粒物质的沉积对潜流交换会产生重要影响，细颗粒物质入侵河床，沉积在较大粒径的沉积物中间，堵塞河床，降低河床的渗透性能，影响潜流交换的大小[68-69]。潜流交换时间变异性不仅受自然因素的影响，也和人类活动有关。大坝运行会影响潜流交换的大小或方向，大坝蓄水和泄水过程引起河流天然水文过程的改变，从而影响到潜流交换的时间变异特征。不过即使河流水文发生很大变化，相对低的河床渗透性也会大大削弱潜流交换强度[7，70]，河水和地下水的水头差以及河床渗透性能一起决定潜流交换的大小，只有河床渗透系数较大时，水头差的变化才会显著影响潜流交换大小[70]。除此之外，自然界中潜流交换的变化程度远远超乎人们的想象，潜流交换量的大小在日尺度上甚至变化几个数量级[62]。

潜流过程不仅依赖于地表水和地下水的水头分布，而且取决于河床地形、潜流带介质的非均质性等特征的影响[71]，因此潜流交换的时间变异类型也具有空间差异性。在以后的工作中，潜流交换的响应机制以及不同时间和空间尺度上潜流交换的定量研究、尺度转换将是水文工作者的研究重点。

4 潜流带和潜流交换的影响因素分析

4.1 潜流带的影响因素分析

潜流带是动态变化的，潜流带的边界、渗透性能以及生物化学特征随着与之交换的表面径流的深度与流量的变化而波动，这些波动反过来也会引起河流形态、生态系统组分、水质等的改变。Stanford和Ward[72]认为，潜流带结构变化影响因素很多，不同的空间尺度，其侧重点也不同。

(1) 在沉积物尺度上，影响潜流带功能性的决定因素是颗粒粒径的分布，它不仅控制河床的渗透性、河水和地下水的水文连通性，还影响有机物聚集、微生物富集程度和活跃度，以及溶解氧的浓度[73-74]；

(2) 在河道尺度上，影响潜流带的主要驱动力是河流流量和潜流交换，潜流路径长度控制潜流带生态系统新陈代谢的强度和类型[75-76]；

(3) 在流域尺度上，河水和地下水相互作用在垂向和横向上的范围以及其变异性，则决定着潜流带的功能性[75,77]。

4.2 潜流交换的影响因素分析

潜流交换同样受多种因素的影响，其中包括河道流量、河床渗透性、河床地形、河道弯曲度等[4]。Packman和Salehin[78]通过多组水槽实验分析，得出了潜流交换率强烈依赖于河床沉积物的渗透性、河流流速、河床深度和沉积物的孔隙率等要素的结论。Salehin等[44]构建了二维非均质河床的物理模型，通过开展一系列河流-地下水交换的实验研究，发现了水流偏爱通过高渗透性区域，在该区域界面流量增大。Chen等[79]通过对美国内布拉斯加中部河流的现场观测，分析得出河床地形是影响潜流交换的重要因素之一。Zarnetske等[80]调查发现，河床地形地貌通过影响潜流的水力坡度，进而明显改变潜流交换的空间分布格局。在自然条件下，有起伏的河床地形形态交换量大于平整河床形态的交换量，甚至不同形态的河床地形交换量都不同。Marion等[81]研究发现，三角形河床的交换量要大于正弦波形态的河床。根据河床形态作用引起的交换机理的不同，潜流交换分成以下3种情况，即泵吸交换、冲淤交换以及泵吸交换和冲淤交换的混合[4]。

潜流带的非均质特征和河床地形是引起潜流交换非均质性的两个重要原因，如果孤立其中任何一个，那么研究的结论都是片面的。而已有文献中，同时调查河流潜流带非均质特征和河床地形的研究还未见报道，河床非均质性和河床地形对潜流交换影响机理的研究依然薄弱。

5 结 语

我国对河流生态学的研究起步较晚，河流作为一类特殊的生态系统，是人类最重要的环境资源之一，河流生态学及健康动态已经成为区域可持续发展关注的焦点。潜流带作为河流地表水与地下水的混合区域，是溪流与景观环境耦合的核心部位，在溪流生态系统健康的维持中扮演着十分重要的作用。目前的水资源评价理论中，对潜流量的估计往往忽略了其非均质性和时变特征，潜流交换中的非均质性和动态变化会给流域水资源评价带来一定的不确定性；潜流交换的非均质和动态变化与潜流带渗透系数的空间变异性紧密相关，它是维持相关生态系统健康发展的重要因素之一。因此，河床沉积物渗透系数和潜流交换时空变化特征的定量识别，对地表水和地下水水量与水质的综合管理，合理地评价和开发利用流域水资源，以及河流健康生态系统的维持都具有重要的指导意义。

非均质性和时变性是潜流带和潜流交换的基本属性，对其定性研究的工作很多，但由于受计算机技术、测量设备、跨学科、理论方法等方面的限制，定量研究并未系统展开。现有的定量研究多是基于室内物理模型和数值模拟的手段，河槽模型结论可能存在一定的尺度效应，而数值模拟中概念模型的刻画与实际情况必有不同，所产生的结论也存在一定偏差。因此，在以后的工作中：

(1) 应加强潜流带和潜流交换的原位监测工作，通过与室内试验和数值模拟相结合，充分发挥统计学和地统计学等数据挖掘手段，定量识别潜流带和潜流交换的时空变异特征。

(2) 应加强潜流交换机制的探讨，重点研究潜流交换对河床地形、河床非均质性、复杂水文过程的响应机制及他们之间的相互作用关系。

(3) 通过不同时间和空间尺度上潜流交换的定量研究，辨析潜流交换在变异研究中的尺度现象，基于尺度效应原理及其机制分析，提出潜流交换研究从沉积物尺度向河道尺度、流域尺度转换的一般方法。

(4) 值得注意的是，针对潜流带方面的研究已日新月异，现在正处在不同学科角度、多种先进技术的集成应用阶段，潜流带研究工作者不应该拘泥于自己本学科的知识，而应该以多学科、多视角来丰富和完善潜流带研究理论。