潜流交换模型试验与影响因素研究进展

任 杰，王 帆，王大博，倪 枫，马 辰

(1.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048；2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098)

水污染问题是我国面临的四大水问题之一，其通常指因某些能导致水体污染的物质直接或间接排放到水域中，造成水质恶化影响水的有效利用[1]。尤其是当水体中的N、P等营养盐含量过高时会引起水体富营养化，导致水生态系统日益退化[2]。自然河流中地表水时时刻刻与地下水相互作用，潜流带是连接河流地表水与地下水的关键部位，在其间发生的潜流交换过程中，多种物质、养分和能量进行了输移，同时也过滤掉了水体中的部分污染物质，是河流发挥一系列生态功能的重要基础[3]。水资源作为基础性自然资源和战略性经济资源，是经济社会发展和生态稳定的根基[4]，因此对潜流交换过程的深入研究有利于流域水资源的保护和环境友好型社会的建设。

潜流带这一概念最初由Orghidan在罗马尼亚语中提出，他将该区域描述为一个独立的隔间，承载着一个独特的群落[5]，后续部分学者针对潜流带的研究如表1所示，“潜流带走廊”[6]、“河流的肝脏”[7]、“生物反应器”[8]等概念的相继提出，逐渐将潜流带和生态环境的关系密切联系起来。过去几十年对潜流带的研究，使人们意识到地表水与地下水连通性的重要生态意义。潜流带的研究涉及到生态学、水文地质学、水文学、微生物学、地貌学和环境学等多个领域[8]，Krause等[9]对潜流带的水交换过程、生物地球化学过程、生态水文过程等进行述评，强调跨学科研究对推动潜流带发展有着重要意义。

表1 部分学者对潜流带的研究Table 1 Some scholars′research on the hyporheic zone

目前对潜流交换过程的研究方法主要有：野外试验、数值模拟和模型试验。野外试验方面，Anibas等[14]在野外实地试验中，运用温度示踪法测量潜流交换通量，发现潜流交换在不同季节有所差异，由于所测河流冬季的地下水水头梯度相比于夏季较高，造成冬季的潜流交换通量大于夏季；Lautz等[15]对野外河流采用氯离子示踪法，测量不同工况下的离子浓度，发现河流中的碎石坝对潜流交换过程存在促进作用，增加了交换水流在沉积物中的滞留时间，并提出在未来的野外试验中采用营养盐类物质作为示踪剂，以便于更好地研究碎石坝对河流中营养盐的吸收、转化作用；Hester和Doyle[16]通过在野外试验中对堰流结构下潜流交换通量、滞留时间、交换深度的评估验证了所构建堰流结构模型的准确性，并进一步分析推论出修复结构的尺寸、地下水流量和水力传导率是影响河流修复结构驱动下潜流交换程度的主要因素。数值模拟方面，Ren和Zhao[17]通过CFD-Fluent与COMSOL两款商业软件对三角形河床下地表水与地下水的流动进行了模拟，探究了不同地表水流速和沉积物渗透率等因素对潜流交换的影响机理；陈孝兵等[18]基于开源软件Openfoam的内置求解器对地表水部分的RANS方程、k-ω方程和地下水部分的稳定达西方程进行计算，并对模型二次开发使交界面的压力实现自动传递，以此模拟多种工况下的潜流交换过程，发现地表水雷诺数与沉积物非均质性对潜流交换的影响较为显著；Endreny等[19]通过商业软件Flow3D的模拟结果结合水槽模型试验研究在地表水发生水跃时的潜流交换过程，发现水跃的产生伴随着水流流态的变化，进而引起潜流交换的空间复杂性，但是所构建的模型中未考虑水跃造成的静态和动态压力影响，导致水跃下方大部分的潜流路径与实际情况不符。模型试验方面，早期Thibodeaux和Boyle[20]在水槽试验中运用染色剂示踪法，发现地表水流经河床阻碍物时，由于局部床面压力的分布不均，会产生强烈的床内对流，并提出了一种基于水流参数和沉积物参数求解Peclet数的模型；Marion等[21]通过控制变量法研究了五种不同河床形态下的潜流交换过程，认为河床形态是水沙交界面的一个重要特征，其通过改变河床表面压力分布影响潜流交换过程，也对当时一些学者提出的潜流交换数值模型的有效性产生了质疑，认为模型中对河床形态这一因素的考虑有待完善；Clark等[22]通过水槽模型试验发现表面波的产生，引起了河床表面压力的波动，不仅增强了潜流交换的分散性，也增加了潜流交换通量和滞留时间；Lautz[23]通过沙柱模型试验结合野外试验收集到的数据，验证了一维垂向瞬态热运移解析模型用以求解河流潜流交换通量的有效性，并且认为通过热运移模型来测量交换通量是一种方便、可靠的方法。以上所述可以发现对潜流交换这一复杂过程，学者们从模型试验、野外试验和数值模拟方面进行了许多的研究。

本文将针对国内外有关潜流交换研究中的基本理论公式、模型试验的设备布置、量化方法、评估指标以及影响潜流交换的因素进行归纳综述，立足于河流生态环境保护的切实需求以及当前潜流交换的研究现状，提出总结与展望，以期能为深入探索潜流交换过程和相关领域的模型试验提供帮助。

1 潜流交换理论基础

1.1 理论模型控制方程

潜流交换过程受到一系列水力学方程控制，Cardenas等[24]所构建的地表水-地下水耦合模型被后续许多学者所采用，模型中的地表水部分基于RANS方程和k-ω方程计算，地下水部分基于稳定达西方程计算，地表水部分的压力结果用以作为地下水部分的边界条件。RANS方程的表达式为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：τij为雷诺应力；δij为Kronecker符号；k为紊动能；vt为涡流运动黏度，其通过紊流模型求解：

(5)

式中：ω为比耗散系数，其表达式为：

(6)

式中：ε为紊流耗散率；β*为闭合系数。

RANS方程与k-ω紊流模型耦合的湍流能量闭合法，可以较好地处理流场中出现的漩涡结构[18]，k-ω紊流模型中的k方程和ω方程如下：

(7)

(8)

沉积物中的孔隙水运动采用达西定律表示：

(9)

式中：ks为沉积物渗透率。

1.2 基于交换机理的模型概化

根据不同的水力学机理，将潜流交换划分为对流交换、冲淤交换、紊流交换和扩散交换四类模型[25]，但紊流与扩散作用在河流的潜流交换过程中作用较小，河流中占主导地位的基于不同交换机理的模型主要有以下三类：一是固定河床下不同河床形态、河道阻碍物和径流条件引起水沙交界面压力分布不均，进而形成的对流交换，其在池塘、水库等静水水域或流速较缓慢的河流中占主导地位；二是针对受到水流冲刷引起的移动河床，床形移动过程中沉积物对孔隙水的截留与释放过程引起物质交换，形成的冲淤交换模型，其在流速较快的河流中占主导地位；三是冲淤交换与对流交换相结合的混合潜流交换，自然界河流一般都属于此类混合交换模型。

1.3 潜流带的物质交换——以氮素为例

健康的河流生态系统对当地社会、经济、文化的发展具有促进作用[26]，而潜流带作为河流中污染物净化的主要场所，对河流水生态系统有着重要影响，下文将以氮素为例对潜流带中的物质转化过程进行概述，氮素在潜流带中主要存在以下作用[27-28]：

(1)矿化作用，在土壤氨化菌的作用下，有机氮化合物分解、转化为铵态氮的过程，以氨基酸为例：

(10)

(2)硝化作用，在硝化菌的作用下，氨氮被氧化为硝态氮的过程，研究发现降雨量的增加对于湖水中氮元素的硝化反应具有促进作用，有利于湖中水体自净[29]，硝化作用的方程式为：

(11)

同化反硝化：

(12)

(13)

(14)

氮素可通过反应生成氮气从河流进入大气从而永久性去除，碳素同样可以转化为二氧化碳或是甲烷以气体形式去除，但是河流中的磷元素主要通过土壤吸附和植物吸收转化为有机磷的形式进行转移，因此污染物中磷的净化受到环境因素限制。潜流带作为上述反应的主要场所，为河流水生态提供了重要保障。

2 潜流交换模型试验

2.1 模型试验设备

潜流交换的室内模型试验通常以水槽试验为主[30]，如图1所示，主要设备包括温度与水位监测系统、在线电导率系统、试验摄像记录设备等。

图1 水槽模型示意图[31]Fig.1 Schematic diagram of flume model[31]

多功能循环式水槽具备调整河床倾斜度功能，水槽壁面由钢化玻璃制成，具有较高的强度和耐腐蚀能力，且其透明度能够满足试验可视化要求。地下水部分配备多通道蠕动泵、流量控制组件，蠕动泵为水流循环提供动力，转轮可正向和反向转动，以实现地下水水位的上升与消落，流量控制组件包含电磁流量计与流量调节阀，协同控制试验所需流量[31]。

温度与水位监测系统能够对试验中的温度、水位数据进行实时测量，监测设备精度高且监测范围满足试验需求，系统具备信息传输功能，将数据自动传输到用户端。在线电导率系统能够监测地表水和地下水离子浓度变化，并实时输出电导率数据至用户端。试验摄像设备用于记录试验过程和结果，在有染料示踪剂的试验中可对研究区域进行实时拍摄。

自然河道中，沉积物主要为粘性土和砂性土，试验中考虑到粘性土渗透系数较小[32]，所以多采用砂性土，如硅砂、石英砂等作为河床沉积物。试验前可将砂子用去离子水溶解的草酸钠溶液浸泡洗涤，去除灰尘、有机染料等物质[33]。

2.2 模型试验量化方法

潜流交换物理模型试验中的量化方法主要包括：离子浓度示踪法、染料示踪法、天然温度示踪法、压力梯度演算法等，如表2所示。

表2 模型试验的主要量化方法Table 2 Main quantitative methods for model experiment

化学离子示踪剂中较为常见的是用去离子水溶解的试验级氯化钠溶液[33](二氯化钙可以作为氯化钠的替代品[37])，其为保守示踪剂，由于整个水槽处于循环系统，因此地表水中氯化钠浓度的下降可以表征地表水与沉积物之间发生了潜流交换。试验中配置的氯化钠溶液浓度不宜过大，避免浓度梯度对潜流交换造成影响。试验初始阶段，在地表水与地下水达到稳定状态后，向下游水箱注入示踪剂溶液，打开下部蠕动泵阀门，使地表水与地下水循环流动并充分混合。通过仪器测量地表水的电导率，每次使用仪器前需进行校准[21]，电导率记录仪会自动对测得的数据进行保存和传输。由于测量电导率仪器的瞬时读数会受到使用环境的影响[38]，可能有数据不连续的情况出现，需要人为对数据进行后期处理，处理后将电导率数值转化为氯化钠浓度，再通过质量平衡方程进行潜流交换程度的量化。每组试验结束后，需要进行换水和洗沙工作，直到孔隙水中的溶质浓度下降为背景值[32]，便可进行下一次试验。

染料示踪剂的使用可以让潜流交换的可视化程度更加清晰直观[39]，此类示踪剂在选择时需要考虑其稳定性和不易被吸附性。在溶解染料时尽可能选择去离子水，避免染料发生降解[33]，后续用移液管将染料溶液注入河床内部，注入过程中应尽量减小对河床形态的干扰[40]。部分染料示踪剂会受到太阳光照射的影响，但在室内模型试验中可忽略其影响[41]。试验中染料随潜流流动路径不断扩散，可对全过程拍摄记录。

近些年来，部分学者开始使用温度作为示踪剂研究潜流交换[35,42-43]，温度作为天然示踪剂，有无污染、精度高等特点，在实际运用时需考虑渗流场与温度场的耦合作用。地表水下渗或地下水上涌引起潜流带中温度的变化，地表水下渗加剧了潜流带中的温度波动，地下水上涌减缓了潜流带中的温度波动[43]。试验中通过布置一系列热敏电阻测量温度，为使测量结果精确，在仪器布置时，温度传感器与数据记录仪之间的连接线需固定于水槽壁以减小因水体流动产生的干扰，在水槽壁的外表面增加保温材料可减少沉积物与外界环境之间的热传导[42]。温度作为示踪剂有助于在更广阔的空间尺度上实现对河床潜流交换过程的定量研究，为探究潜流交换的时空动态特征提供了一种新的思路[44]。

随着现代流动测量技术的发展，对潜流带的研究中逐渐出现了一些新颖的课题，Kaufman[45]在水槽试验中通过平面光电二极管成像技术，研究地表水流速对潜流带中溶解氧分布的影响，发现潜流带中溶解氧的分布对地表水流速变化的响应存在时间尺度上的滞后性，且对水流加速的响应快于受到水流减速的响应；Wolke等[46]也通过平面光电二极管成像技术研究了床形的移动对潜流带中氧气动力学的影响，发现随着床形变化速度的加快，潜流带中氧气的传输过程逐渐由对流交换变为冲淤交换。笔者认为氧气在潜流带的生物地球化学反应中有着十分重要的作用，如氮素在潜流带中的转化、有机碳的转化等过程，以上对氧气在潜流带的分布和动态变化研究或许是对潜流带跨学科研究迈出的又一小步。

2.3 模型试验评估指标

从多个角度对潜流交换程度进行评估，以便更加全面地量化整个交换过程，具体的评估指标主要包括：交换通量、交换深度和滞留时间，如表3所示。

表3 潜流交换程度的评估指标Table 3 Evaluation indexes of the degree of hyporheic exchange

潜流交换通量表征其间进行物质交换的效率，是评估潜流交换程度的重要参量，其主要从垂向、侧向和平均三个角度进行量化。部分学者在计算垂向交换通量时，充分考虑了交换过程的复杂性，引入有效扩散系数[47-49]，对径流条件、沉积物性质、河床深度等因素进行综合概述。自然河流中由于存在原木、石块等障碍物，对垂向与侧向的交换通量进行区分较为复杂，Sawyer等[37]结合模型试验与数值模拟推导出以傅汝德数和河道堵塞率表示的原木结构驱动下的平均潜流交换通量公式。潜流交换深度作为又一评估指标，其体现了潜流带中生物活性反应区在垂向上的延伸范围，交换深度受到水动力过程与河床形态的影响，可以用以评价潜流带对河流生态健康的贡献量[47]。水流进入潜流带后会在其中滞留一段时间，在这期间进行着一系列生物、化学反应和物质、能量的输移，滞留时间的长短决定了该处是否进行某些反应[50]，滞留时间受到河床形态、沉积物性质等因素影响。

3 潜流交换影响因素

自然河流中影响潜流交换的因素众多，笔者将各种因素归类为河床形态、河岸形态、河流修复结构、沉积物性质、径流条件五个部分，如图2所示，下文将分别对五个部分中进行概述，总结在不同影响因素驱动下潜流交换程度的变化规律。

图2 潜流交换的影响因素Fig.2 Influencing factors of hyporheic exchange

3.1 河床形态的影响

自然河流中最为常见的河床形态是波纹、沙坡状河床，在相同的流动条件下，波纹、沙坡状床形在河床迎水面与背水面产生的压差促进潜流交换，因而相比于平坡下的潜流交换通量更大[35,47]。为了探究更多形态河床对潜流交换的影响，Marion等[21]在模型试验中人工塑造了正弦波、三角形、波纹状等河床，陈孝兵等[47]塑造了不同形态参数的三角形河床，通过试验研究发现，在水循环初始阶段，潜流交换主要以对流交换的形式进行，这段时间内床形因素对交换程度影响较大，三角形河床的潜流交换速率在初期大于正弦波河床，主要是由于三角形河床顶部发生的水体流动分离现象，产生了更高的压差进而使得初期潜流交换速率较快，在试验中期两种形态下的交换速率相似。对于同一种人造床形，潜流交换程度会随河床波高与波长比值的增大而增强[47]。床形波长与潜流交换深度存在关联，Norman[55]通过温度示踪法在水槽试验中发现潜流交换深度约等于0.5倍的床形波长。自然河流中，栖息在河床表面的许多生物，如：小龙虾、大马哈鱼等会因捕食、产卵等活动产生土堆状、坑状床形，增加流动环境中的异质性改变局部流场，产生较高的压力差促进潜流交换过程[56]。

以上是小尺度下的河床形态，对于更大尺度的研究：Tonina和Buffington[41]针对浅滩-深潭状河床进行模型试验，发现潜流交换主要是由床形诱导的对流交换机制产生，浅滩-深潭类河床具有复杂的地表水力学特性，其对河床表面的压力分布和拟定流量下可进行潜流交换的河床表面积存在影响，进而改变局部的潜流交换；河床坡度对潜流交换的影响与河床形态相关，浅滩-深潭状河床中坡度越陡潜流交换的深度越浅[57]，而阶梯状河床中的交换深度则与坡度呈正相关[58]。

上述均为在相对静止河床下的研究，然而自然界中大部分河床都会随时间而迁移变化，Wolke等[46]、Zheng等[59]和Kessler等[60]对迁移变化型河床的潜流交换进行了研究，由于在模型试验中，静态与动态床形的变化主要受地表水流速影响，因此笔者将动态与静态床形下潜流交换的概述纳入了径流条件部分。

笔者认为河床形态对潜流交换的影响主要归因于对河床表面压力梯度及压力分布的影响，通过改变床面压力梯度影响潜流交换程度，改变压力分布影响潜流交换的发生区域。之前已经有许多学者在模型试验中对小尺度的单一床形进行了研究，未来的研究中：针对自然流域中多类河床形态组合的复合型床形，其驱动的潜流交换演变规律；阶梯结构中水跃的发生，引起下游沉积物中压力的波动，与冲刷造成的沉积物渗透率变化共同影响的潜流交换过程等值得继续探索。

3.2 河岸形态的影响

河岸形态大致分为弯曲与顺直两种，模型试验中使用形态塑造器对不同工况下的河岸形态进行调整[32]。顺直河岸的侧向潜流交换主要由紊动扩散及孔隙尺度下的微对流引起[32]，当地表水流速与水深增加时，其紊动扩散与微对流强度增强，引起潜流交换通量的增加；对于弯曲河岸，地形的不规则为河岸的侧向潜流交换创造了条件[61]，水流速度与河岸弯曲程度增加时局部压力梯度增大，增强对流作用引起交换通量的增加[32]。弯曲河岸中迎水面与背水面受到弯曲程度的影响导致河道断面中水面变窄或变宽，坡面水压力因此产生不同的响应，造成河岸迎水面的滞留时间与蜿蜒程度呈负相关，背水面的滞留时间与蜿蜒程度呈正相关[62]，在受到植被密度与河岸蜿蜒程度双因素驱动时，河岸迎水面与背水面对双因素作用的响应不同，迎水面受双因素的影响均为促进作用，背水面既存在促进也存在抑制作用[62]。

笔者认为，河岸形态对潜流交换的影响可以归因于对交换界面压力的影响，较高的压力差产生较强的潜流交换。在试验条件下的研究是基础，今后的研究中还应更多地涉及到实际情况中非均质河岸、非规则弯曲河岸、连续弯曲河岸等情况下的潜流交换，结合实际环境深入研究多因素复合驱动下潜流交换的变化规律。

3.3 河流修复结构的影响

河流修复结构，如：原木、巨石堰、丁坝等，除了可以调节地表水动力减小河道冲刷[63]、改善流域景观外，对河流的潜流交换也存在调节作用[64]。

布置于河道中的原木，对地表水流形成了阻碍，改变局部河床的水头梯度和沉积物渗透率，使潜流交换的路径长度和滞留时间均增加[65]，在原木附近的潜流交换通量最大，且随着与原木距离的增加交换通量呈指数减小[37,42]。堆积的原木增加了潜流带的连通性，局部的潜流交换通量与该处原木的堆积量呈正相关[66]；巨石堰的设置改变了局部河床的压力差，产生较大的垂直交换通量，由于巨石堰下游较低的河床压力与上游回水效应产生的下沉压力所抵消，导致潜流交换的深度较低[51]。修复结构的宏观尺寸对潜流交换存在影响，堰流结构和台阶结构驱动下的交换通量与堰高度和台阶高度呈正相关；跨越整个横向河道的堰流结构相比于跨越部分横向河道的修复结构对潜流交换的驱动更有效[16]。

河流中的修复结构还存在许多形式，如丁坝、跌坎、碎石坝、河狸坝等，笔者认为这些河流修复结构对潜流交换造成的影响都可以归因于对结构附近床面压力与局部沉积物渗透率的影响。虽然本节主要讨论修复结构对潜流交换的影响，但潜流交换过程与流域生态环境密切相关，因此也简要总结了河流修复结构中的原木对流域生态的影响：原木的存在促进了河流生态系统的多样性[67-68]，其附近水流受到原木阻碍作用流速逐渐减缓，为底栖生物的栖息与产卵提供了适宜的环境，同时也为部分躲避猎食者的生物提供了避难场所[69]；原木诱导产生显著的热非均质性，影响局部的地表水温度[42]，温度的调节对部分水生动植物的存活至关重要[70]；原木作为河道里的碳源[71]，为微生物的生存与潜流带中发生的部分生物化学反应提供了必要环境。综上所述可以看到河道中原木带来的生态价值是无可替代且难以量化的。未来针对修复结构驱动下的潜流交换，可以进一步研究多类型与多数量河流修复结构联合驱动下的潜流交换变化规律。

3.4 沉积物性质的影响

自然河床由不同粒径的沉积物组成，一些较细的颗粒会渗透到深层砾石中，模型试验表明潜流交换速率与沉积物粒径的平方成正比[34]。对于地表水流速较低的河段，由于水流不足以冲刷掉河床中的细颗粒物质，会形成床面堵塞，沉积物颗粒浓度、颗粒直径和河床压差等都会影响河床堵塞，在界面附近形成一层薄的低渗透层，降低潜流交换通量[72]。然而，底栖生物的扰动对沉积物的堵塞具有破坏作用，此作用与底栖生物的密度相关，在一定的底栖生物密度范围内可使沉积物的渗透性达到最大值[73-74]，进而对潜流交换产生促进作用。造成河床堵塞的物质还包括胶体，河流中胶体的存在能够吸附一部分污染物从而改变污染物的迁移路径[75]，但究其本身也是一种污染物，与河床长期作用下极易堵塞床面[76]。河床内嵌入的黏土透镜体因其渗透性较低，延长了部分潜流在沉积物中的流动路径，导致水力梯度减小进而引起潜流流速减小[77]，透镜体大小与分布位置的变化引起潜流交换程度的变化，长度的延伸增强了对潜流交换的阻碍作用[36]，与透镜体垂直方向上的移动相比，水平位置的变化对潜流交换范围的影响更大[78]。

非均质性作为潜流带的基本属性之一，其直接影响了潜流交换的空间变化[79]，相比于大部分模型试验中的均质河床，非均质河床增强了潜流交换通量、减少了滞留时间、降低了交换深度[53]。侵蚀与沉积过程使河床形成具有不同成分的分层床[80]，分层结构减小了潜流交换的深度和发生潜流交换的区域面积[81]。

河床上部的水流温度受环境影响会产生日波动与年波动，水流的黏度会随之改变进而引起沉积物渗透率的变化，造成潜流交换通量的波动，水温相对较高时，潜流交换通量较大[82]。沉积物的气体累积量也会改变其渗透率，在枯水期，河床气体累积量对地下水与潜流带的交换有着显著影响[83]。

笔者认为上述沉积物粒径、河床堵塞现象、非均质性、水流黏度、孔隙率、河床气体累积量、胶体和透镜体的沉积、底栖生物的扰动等因素对潜流交换的影响都可以归因于对沉积物渗透能力的影响。表征渗透能力强弱的名词有渗透系数(水力传导率)和渗透率，两者之间可以进行单位换算。河床沉积物的渗透率随着空间位置的不同存在较大差异[84]，一般情况下，河床中部渗透率大于两岸，浅层渗透率大于深层[85]。潜流交换速率正比于沉积物渗透率[49]，当沉积物的渗透率低于一定阈值时将没有潜流交换发生[25]。综上所述可见河床渗透能力的强弱对河流中的潜流交换具有重要影响，在今后的生态环境保护过程中需要对此足够重视。

3.5 径流条件的影响

流量随时间的波动会引起交换通量与交换深度的变化，影响潜流带中溶解氧的分布，对其间进行的氧化还原反应造成影响[45]。潜流交换深度随流量的增加呈倒U型趋势变化，当流量较小或者较大时，潜流交换只发生在沉积物的表层区域[58]。在河床形态为阶梯结构的模型试验中，可以通过改变流量以控制水跃的发生，水跃的产生伴随着水流流态的变化，影响局部沉积物表面的压力分布，形成潜流的下渗集中区或上涌集中区[19]。

流速被认为是评估自然河流中潜流交换的关键因素之一[49]。水流的高速运动会冲掉河床中的细小沉积物，减少河床淤塞[86]，促进浅层河床区域的潜流交换，减短潜流的滞留时间。在静态河床的模型试验中，为防止沉积物颗粒间的剪切应力大于摩阻力产生滑移，需控制地表水流速，使河床形态保持相对稳定[35,55]。然而自然界中大部分河床都会随时间迁移变化，Wolke等[46]对迁移变化的河床进行研究发现随着地表水流速的增加，冲淤交换增强，潜流交换通量与地表水流速几乎呈线性关系，然而在静止河床中，潜流交换通量与流速的平方呈正相关[34]，这是由于相比于对流交换，当冲淤交换占主导地位时，潜流交换通量相对较小[87]。Zheng等[59]和Kessler等[60]对迁移变化的床形进行研究，发现由于床形迁移引起的冲淤交换极大程度地改变了潜流带中的流场、潜流交换通量、溶质分布和生物化学反应。

水位对潜流交换程度存在影响，但在模型试验时，不能只考虑绝对水位，还应考虑地表水深度与河床高度相比得到的相对水位[21]，相对水位越大引起的床面压力越大，造成潜流滞留时间越长、交换区域越大，但相对水位对潜流交换速率影响较小[47-48]。

当用雷诺数表征流体性质与河道环境时，潜流交换深度与雷诺数的0.5次幂呈正相关[47]。雷诺数过大时流体为湍流，湍流的产生影响水沙交界面的压力梯度，对潜流交换具有促进作用[19]。当河流表面受到风或气压变化影响时会形成波浪，影响河床表面的压力大小与压力分布，增强潜流交换速率与交换深度，其压力的波动变化使发生潜流交换区域的分散性增强[22]。

笔者认为径流条件对潜流交换的影响主要归因于对交界面压力和交换区域面积的影响，流量、流速、水深、表面波等因素影响了河床表面的压力梯度进而影响潜流交换程度，水深的增加也改变了潜流交换的表面积进而增加了潜流交换通量。各径流条件之间往往存在着联动关系，对模型试验中的不变量难以精确控制，雷诺数作为表征流体流动情况的无量纲数，将其引入至模型试验中将有利于试验的可操作性和精确性。

4 总结与展望

国内外许多的潜流交换模型试验研究了河床形态、河岸形态、河流修复结构、沉积物性质、径流条件因素的影响规律，室内模型试验排除了野外试验中众多复杂环境因素的干扰，将复合因素剖分为单一变量便于分析和归纳各类因素的作用机制，揭示了在单因子或多因子影响下的潜流交换规律，并解决了对规律进行定量分析的困难，对潜流交换的深入研究具有重要的价值。试验中所采用的方案、设备和量化方法等也在不断完善，由于自然河流中潜流交换过程的复杂性，在今后的研究中还存在一些问题有待改进：

(1)当前与潜流交换相关的模型试验中针对多因素作用下的复合效应研究较少，然而实际河流中的潜流交换受到众多因素相互作用的影响，将复杂过程剖分为单一因素进行定量研究后，若能将各类因素的复合作用进行分析，将有助于推进相关研究成果在实际河流工程中的应用。

(2)潜流交换的研究方法主要包括模型试验、野外试验、数值模拟，三种方法均有其各自的优点，野外试验耦合了自然河流中存在的多类因素，研究结果的说服性较强，数值模拟可以解决试验中不方便设置的复杂工况，且对交换过程可以实现有效的预测，运用多种方法同时进行研究将增强试验结果的可靠性。

(3)潜流带中存在丰富的生物、化学反应，涉及到生态学、水文地质学、水文学、微生物学、地貌学、环境学等多个领域，对潜流交换过程的多方位评估，将会为潜流交换的跨学科研究提供支撑。