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河岸带蜿蜒性与植被密度对潜流驻留时间的复合效应

夏继红 窦传彬 蔡旺炜 曾灼 余根听

夏继红, 窦传彬, 蔡旺炜, 曾灼, 余根听. 河岸带蜿蜒性与植被密度对潜流驻留时间的复合效应[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 433-440. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.013
引用本文: 夏继红, 窦传彬, 蔡旺炜, 曾灼, 余根听. 河岸带蜿蜒性与植被密度对潜流驻留时间的复合效应[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 433-440. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.013
XIA Jihong, DOU Chuanbin, CAI Wangwei, ZENG Zhuo, YU Genting. Compounding effect of meandering degree and vegetation density on hyporheic residence time in riparian zone[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 433-440. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.013
Citation: XIA Jihong, DOU Chuanbin, CAI Wangwei, ZENG Zhuo, YU Genting. Compounding effect of meandering degree and vegetation density on hyporheic residence time in riparian zone[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 433-440. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.013

河岸带蜿蜒性与植被密度对潜流驻留时间的复合效应

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.013
基金项目: 

国家重点研发计划资助项目 2018YFD0900805

国家自然科学基金资助项目 41471069

详细信息
    作者简介:

    夏继红(1969-), 男, 江苏如皋人, 教授, 博士研究生导师, 主要从事河流健康与生态修复研究。E-mail:syjhxia@hhu.edu.cn

  • 中图分类号: TV133

Compounding effect of meandering degree and vegetation density on hyporheic residence time in riparian zone

Funds: 

the National Key R & D Program of China 2018YFD0900805

the National Natural Science Foundation of China 41471069

图(6) / 表 (2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-09
  • 网络出版日期:  2020-04-07
  • 刊出日期:  2020-05-01

河岸带蜿蜒性与植被密度对潜流驻留时间的复合效应

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.013
    基金项目:

    国家重点研发计划资助项目 2018YFD0900805

    国家自然科学基金资助项目 41471069

    作者简介:

    夏继红(1969-), 男, 江苏如皋人, 教授, 博士研究生导师, 主要从事河流健康与生态修复研究。E-mail:syjhxia@hhu.edu.cn

  • 中图分类号: TV133

摘要: 潜流驻留时间是反映潜流交换、溶质迁移转化、生物组成、生态过程的重要特征变量。应用双循环可控式河岸带模型,以NaCl为示踪剂,深入研究了河岸带蜿蜒性与植被密度对潜流驻留时间的复合效应;应用量纲分析和主成分分析法,探析了潜流驻留时间的关键影响因子及其作用程度和敏感性。结果表明:①河岸带植被密度对潜流驻留时间具有促进作用,但存在一定的阈值。②潜流驻留时间分布与河岸蜿蜒形态呈类镜像效应;潜流驻留时间在河岸带蜿蜒波不同位置差异明显,迎水面平均驻留时间约为背水面的1/2。③河岸带蜿蜒性与植被密度是影响潜流驻留时间的关键因子,总作用程度达91.07%。潜流驻留时间对蜿蜒性最敏感,对植被密度敏感性较弱,对复合因子的敏感性介于两者之间;迎水面内组合因子对潜流驻留时间具有共同促进效应,背水面内组合因子对潜流驻留时间具有抑制和促进双重效应。

English Abstract

夏继红, 窦传彬, 蔡旺炜, 曾灼, 余根听. 河岸带蜿蜒性与植被密度对潜流驻留时间的复合效应[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 433-440. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.013
引用本文: 夏继红, 窦传彬, 蔡旺炜, 曾灼, 余根听. 河岸带蜿蜒性与植被密度对潜流驻留时间的复合效应[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 433-440. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.013
XIA Jihong, DOU Chuanbin, CAI Wangwei, ZENG Zhuo, YU Genting. Compounding effect of meandering degree and vegetation density on hyporheic residence time in riparian zone[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 433-440. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.013
Citation: XIA Jihong, DOU Chuanbin, CAI Wangwei, ZENG Zhuo, YU Genting. Compounding effect of meandering degree and vegetation density on hyporheic residence time in riparian zone[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 433-440. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.013
  • “潜流”是指地表水与地下水相互作用形成的水流[1-5]。河岸带潜流层是河岸带区域地表水与地下水相互交换的过渡层[6-7], 存在着复杂的水动力、生态、物质迁移、化学反应等动态过程[7], 是河岸带边缘效应的重要体现区[7-8], 对维护地表水、地下水健康具有重要意义[1-2, 7]。由于河岸带潜流层的独特边缘效应和丰富功能, 正成为多个学科研究的热点[1, 9]。Butturini等[6]探究了河岸带对潜流区水文变化的影响;夏继红等[7]借鉴河床潜流理论, 定性界定了河岸带潜流层的概念, 提出了河岸带潜流层的主要动态过程。林俊强等[10-11]、Xia等[12]应用小扰动理论推导建立了河岸弯曲形态引起的扰动压力分布方程和解析解, 并探究了均质微弯河岸带侧向潜流交换机理。研究表明潜流驻留时间是反映潜流交换、溶质迁移转化、生物组成、生态过程等的重要特征变量[13-15]。因此, 准确掌握潜流驻留时间对深入探究河岸带消减污染效率、河岸带生态修复具有重要意义。目前, 潜流驻留时间研究大多针对河床区域, 常以温度、氡同位素以及窦性示踪剂浓度变化来表征[16-18], 而对河岸带潜流驻留时间的研究却鲜见。与河床相比, 河岸带的自然形态、覆盖条件等均有其独特性, 尤其是河岸带坡面通常生长有丰富的植被, 植被分布对潜流交换、潜流驻留时间会产生强烈影响[19-21]。可见, 河床区域潜流交换机理与潜流驻留时间规律并不完全适用于河岸带潜流层。因此, 需针对河岸带的特殊性, 综合考虑河岸带蜿蜒性、植被、土壤等多因子, 开展河岸带潜流交换机理、潜流驻留时间研究。

    本文通过模型试验和量纲分析, 深入探讨河岸带蜿蜒性与植被密度对潜流驻留时间的复合作用机理及敏感性, 为掌握河岸带潜流交换机理、丰富河岸带潜流理论提供基础。

    • 试验在河海大学工程水力学实验室双循环可控式河岸带模型中完成, 该模型主要由过渡段(进水过渡段、出水过渡段)、河道沙槽、地表水-地下水循环系统、变坡传动系统等组成(图 1)。模型总长15.4 m, 其中沙槽长10.0 m、宽2.0 m、深0.8 m。沙槽填料为均质石英砂, 中值粒径d50为0.78 mm, 渗透系数0.584 cm/s, 孔隙度0.45。河岸边坡系数3, 高13 cm, 平均宽度128 cm。河岸蜿蜒形态设置为正弦形态, y=asin(2πx/λ)(其中a为振幅, λ为波长, x为距测量起始点的距离)。河床平均宽度35 cm, 深50 cm, 床面平整、无沙波, 坡降2.0‰。试验植被选用仿真菖蒲(图 2), 平均株高1.5 m, 平均茎高13 cm, 叶片平均长0.7 m, 平均宽2 cm。监测段布置于沙槽中段的一个波长段, 分别在0、0.25λ、0.5λ、0.75λ、1λ处布置5个监测断面, 每个断面自临水边向岸外每隔20 cm布置1个测点, 如图 2所示。每个测点处布置直径1 cm、高22 cm的钢丝弹簧管(用尼龙网布包裹), 埋入深度为20 cm。

      图  1  双循环可控式河岸带模型装置(单位: cm)

      Figure 1.  Experimental installments of a dual-cycle riparian zone model

      图  2  植被与监测点布置示意图(单位: cm)

      Figure 2.  Layout of vegetation and monitoring positions

    • 河岸带蜿蜒波长为1 m, 振幅设置0 cm、4 cm、8 cm 3组工况, 植被间距设置None(无植被)、5 cm、10 cm 3组工况, 流量设置40.0 m3/h、50.0 m3/h和63.4 m3/h 3组工况, 本试验共设置13组工况, 各工况主要试验参数如表 1所示。

      表 1  主要试验参数

      Table 1.  Main experimental parameters and their values

      工况 植被间距dx/cm 河岸振幅a/cm 流量Q/(m3·h-1) 水深h/cm 流速u/(m·s-1)
      R1 None 0 40.0 11.0 0.20
      R2 None 4 40.0 11.0 0.20
      R3 None 8 40.0 11.0 0.20
      R4 10 0 40.0 11.0 0.20
      R5 10 4 40.0 11.0 0.20
      R6 10 8 40.0 11.0 0.20
      R7 5 0 40.0 11.0 0.20
      R8 5 4 40.0 11.0 0.20
      R9 5 8 40.0 11.0 0.20
      R10 5 0 50.0 11.0 0.26
      R11 5 8 50.0 11.0 0.26
      R12 5 0 63.4 12.5 0.27
      R13 5 8 63.4 12.5 0.27

      每组试验启动时, 缓慢调节尾门与地表水管道阀门, 控制地表水流量与水深, 以形成近似均匀流, 使床面与坡面均无泥沙启动, 保证床面与河岸形态完好。调节地下水管道阀门, 使地下水与地表水水位齐平。待地表水与地下水均稳定后, 在水箱中投放500 g NaCl, 并搅拌, 开启地表水循环系统, 待地表水中NaCl电导率均一后(约5 min), 应用电导率仪定时测量地表水及测井中地下水电导率。初期2 h内, 间隔5 min测量1次;2~4 h内, 间隔10 min测量1次;4~7 h内, 间隔20 min测量1次, 7~10 h内, 间隔30 min测量1次;10~14 h内, 间隔60 min测量1次。每组试验结束后, 需换水与洗沙, 清洗残留盐分, 直至填料孔隙水NaCl浓度降至背景值。

    • 本文应用Gomez等[22]、李现坡等[23]提出的粒子驻留概率密度函数, 通过示踪剂浓度达到稳定状态所需的时间来反演潜流驻留时间, 根据不同时间段内示踪剂置换出清水的比例不同, 确定潜流驻留时间。设稳定状态时示踪剂浓度为c(T), t时刻示踪剂浓度为c(t), 河岸带潜流驻留时间τ

      $$ \tau = {\int_0^\infty {t\left[ {\frac{{c\left( t \right)}}{{c\left( T \right)}}} \right]} ^\prime }{\rm{d}}z $$ (1)

      试验中各测点测量的数据存在一定的时间差, 试验数据在时间上是离散型的, 因此, 上述潜流驻留时间计算式需经离散后方可应用。经离散, 潜流驻留时间计算式可改写为

      $$ \tau = \sum\limits_{i = 1}^\infty {{t_i}} \frac{{c\left( {{t_{i + 1}}} \right) - c\left( {{t_i}} \right)}}{{c\left( T \right)}} $$ (2)
    • 选取无植被覆盖的R1(a=0)、R2(a=4)、R3(a=8) 3组工况分析河岸带蜿蜒性对潜流驻留时间的影响, 如图 3所示。由图 3可以看出, 当河岸形态顺直时(即振幅a=0), 河岸带沿线潜流驻留时间基本保持在360~390 s, 无明显变化, 主要是由于河岸坡面水流近似为均匀流, 坡面同一水层上各向压力基本相同, 进入河岸的地表水与地下水的交换量、交换速率基本相同, 从而使潜流驻留时间基本不变。当河岸为蜿蜒形态时(即振幅a>0), 河岸带沿线潜流驻留时间波动较大, 其波动方向与河岸蜿蜒波动方向基本相反, 表现为类镜像特征。潜流驻留时间与河岸带蜿蜒性程度和相角密切相关:蜿蜒波迎水面内, 潜流驻留时间随着蜿蜒性程度增大而减小;在背水面内, 驻留时间随蜿蜒性程度增大而增大。当河岸带蜿蜒性程度增大时, 蜿蜒波迎水面河道断面水面变窄, 流速梯度增加, 坡面水压力增加, 促使潜流交换速率增加, 从而使潜流驻留时间变短。蜿蜒波背水面河道断面水面变宽, 坡面水压力减小, 潜流交换速率降低, 从而使潜流驻留时间变长。可见, 河岸带蜿蜒性程度对潜流时间具有抑制与促进双重效应, 且蜿蜒波迎水面平均驻留时间约为背水面的1/2。

      图  3  河岸带蜿蜒性对潜流驻留时间的影响

      Figure 3.  Influence of sinuosity of riparian zone on residence time

    • 选取河岸带蜿蜒振幅a=4的R2(None)、R5(dx=10)、R8(dx=5)3组工况分析植被密度对潜流驻留时间的影响, 如图 4所示。由图 4可以看出, 有植被河岸带内潜流驻留时间明显比无植被河岸带小。主要是由于植被对水流产生了切向应力和压力差, 使得植被杆茎迎流面水位壅高, 水流动量向无桩区间隙转移, 并在植被杆茎背水面形成涡流, 增加了杆茎附近水流的压力梯度与扰动度, 促进潜流交换, 使得交换速率增加, 从而缩短潜流驻留时间。而且随着植被密度增加, 潜流驻留时间随之减小, 但降幅存在差异。R8较R2潜流驻留时间下降22.22%, R5较R2潜流驻留时间下降13.65%;R8较R5潜流驻留时间下降9.93%。总体而言, 潜流驻留时间降幅与植被密度呈幂率分布关系。本试验中Re在104~105之间, 植被群内摩擦阻力变化较小, 其作用程度较小, 因此, 压强阻力起主导作用[19, 24]。当植被密度增加到一定程度后, 压强阻力基本保持不变, 使得驻留时间基本不变。可见, 植被密度存在一定的阈值, 当植被密度超过这一阈值时, 潜流驻留时间无明显变化。

      图  4  植被密度对潜流驻留时间的影响

      Figure 4.  Influence of vegetation density on residence time

    • 各工况下潜流驻留时间变化如图 5所示。以工况R1(a=0, None)为基准, 单因子和双因子作用下河岸带蜿蜒波迎水面波峰与背水面波谷潜流驻留时间变化率如表 2所示。由图 5表 2可知, 在蜿蜒波迎水面, 双因子共同作用促进潜流交换, 对潜流驻留时间起着抑制效应, 使得潜流驻留时间呈下降趋势, 且降幅比单因子作用下更为明显;在蜿蜒波背水面, 双因子共同作用对潜流驻留时间既存在促进效应, 也存在抑制效应, 如R5和R8工况下蜿蜒波背水面驻留时间变化率为负值, 但R6和R9工况下背水面驻留时间变化率为正值。这取决于主导作用因子。当蜿蜒性较小时, 植被密度起主导作用, 一定程度上能促进潜流交换, 缩短潜流驻留时间。当蜿蜒性较大时, 蜿蜒性起主导作用, 对潜流交换起着抑制作用, 从而延长蜿蜒波背水面潜流驻留时间。可见, 植被密度、蜿蜒性对蜿蜒波迎水面潜流驻留时间具有抑制效应, 且随着植被密度的减小、蜿蜒振幅的增大, 驻留时间降幅增大;对蜿蜒波背水面潜流驻留时间具有抑制和促进双重效应。

      图  5  植被密度与河岸蜿蜒性对潜流驻留时间的影响

      Figure 5.  Influence of vegetation density and sinuosity of riparian zone on residence time

      表 2  潜流驻留时间变化率

      Table 2.  Variation ratio of residence time

      因子 潜流驻留时间变化率/%
      迎水面波峰 背水面波谷
      单因子 dx=10 -9.00 -20.04
      dx=5 -18.49 -32.38
      a=4 -35.22 23.63
      a=8 -48.11 75.29
      双因子 dx=10, a=4 -38.75 -7.08
      dx=10, a=8 -52.09 41.63
      dx=5, a=4 -40.77 -10.29
      dx=5, a=8 -54.96 10.93
      注:变化率是指各工况下驻留时间与R1工况驻留时间相比较的变化率
    • 根据Fathi-Maghadam[24]对非淹没植被水流的量纲分析以及林俊强[25]对无覆盖蜿蜒性河岸带水流量纲分析结果, 非淹没蜿蜒性有植被河岸带水流特性、示踪剂浓度变化可用式(3)表示。

      $$ {f_2}\left( {u, h, \rho , p, \frac{a}{\lambda }, m, B, g, \mu , {d_{\rm{v}}}, {d_x}, {d_y}, {h_{\rm{m}}}, J, {C_{\rm{d}}}{\rm{, }}C, K} \right) = 0 $$ (3)

      式中: u为流速, cm/s;h为水深, cm;ρ为水的密度, kg/m3p为河岸坡面压强, Pa;a/λ为河岸振幅波长比;m为河岸边坡系数;B为水面宽度, cm;g为重力加速度, m/s2μ为动力黏度, (N·s)/m2dv为植被杆径, cm;dxdy为植被横向间距和纵向间距, cm;hm为淹没水深, cm;J为植被刚度, (kg·m3)/s2Cd为植被拖拽系数;C为某时刻示踪剂浓度, mg/L3; K为土壤渗透系数, cm/s。

      ρuhC为基本物理量, 由π定理, 式(3)可改写为

      $$ {f_2}\left( {\frac{p}{{\rho {u^2}}}, \frac{a}{\lambda }, m, \frac{B}{h}, \frac{{gh}}{{{u^2}}}, \frac{{\rho uh}}{\mu }, \frac{{{d_{\rm{v}}}}}{h}, \frac{{{d_x}{d_y}}}{{{h^2}}}, \frac{{g{h^5}C}}{J}, {C_{\rm{d}}}{\rm{, }}\frac{K}{u}} \right) = 0 $$ (4)

      式中: gh/u2ρuh/ μ分别为关于弗劳德数Fr和雷诺数Re的因子项; K/u为关于土壤渗透系数K的因子项。本试验研究表明, 非淹没条件下, Re的影响较小, 因此, 式(4)中Re因子项可忽略。另设ΔC=gh5C/J, hp=p/ρu2, 引入植被动量吸收面积Ap=dvh, 则示踪剂浓度变化ΔC可用式(5)表示。

      $$ \Delta C = {f_3}\left( {{h_p}, \frac{a}{\lambda }, m, \frac{B}{h}, Fr, \frac{{{A_{\rm{p}}}}}{{{d_x}{d_y}}}, {C_{\rm{d}}}{\rm{, K}}} \right) $$ (5)

      由式(5)可以看出, 示踪剂浓度变化与水流特征(扰动压力hp水流宽深比B/h、弗劳德数Fr)、河岸带形态(振幅波长比a/λ、边坡度系数m)、植被特征(高度、叶片长度、刚度)、植被布置方式(间距、密度)、拖拽阻力和土壤渗透系数等相关。可见, 河岸带蜿蜒性、植被布置方式、水流参数、土壤参数是影响河岸带潜流交换、潜流驻留时间的主要因子。

    • 应用主成分分析法(PCA), 利用Canoco5.0计算出各因子对潜流驻留时间的作用程度, 根据作用程度和敏感性, 定量确定起主导作用的关键因子。本研究中河岸基质为均质砂, 可不考虑土壤因素, 据林俊强等[11]、Xia等[12]研究表明, Fr对扰动压力的影响相对较弱, 故本文仅分析ad的作用程度和敏感性。ad对潜流驻留时间的作用程度如图 6所示。由图 6可知, ad对潜流驻留时间的作用程度分别为58.32%和32.75%, 两因子对驻留时间的累积作用程度达91.07%。表明蜿蜒振幅与植被间距是影响潜流驻留时间的关键因子。

      图  6  关键因子对潜流驻留时间的作用程度

      Figure 6.  Contribution of key factors on residence time of hyporheic flow

      图 6可以看出, 在蜿蜒波背水面的0.5λ、0.75λ处, aτ的作用方向角为锐角, 表明在河岸带蜿蜒波背水面内, aτ呈正相关关系;在蜿蜒波迎水面的0、1λ、0.25λ处, aτ的作用方向角为钝角, 表明在河岸带蜿蜒波迎水面内, aτ呈负相关关系。进一步证明了河岸带蜿蜒性对潜流驻留时间具有抑制与促进双重效应。在整个蜿蜒波内, dτ的作用方向角均为锐角, 表明dτ呈正相关关系, 也进一步证明了植被密度对潜流驻留时间仅具有促进效应。

      采用各工况潜流驻留时间的变异系数差值ΔCV的均值来表征关键因子的敏感系数SC, 即SC=∑ΔCVi/n。计算得, a的敏感系数SCa为0.228 8, d的敏感系数SCd为0.052 6, ad组合的敏感系数SCa+d为0.217 2, 比较可得: SCd < SCa+d < SCa, 表明潜流驻留时间对蜿蜒性变化最敏感, 对植被密度变化的敏感性较弱, 而且, 潜流驻留时间对蜿蜒性变化的敏感性比对双因子的敏感性强烈, 说明双因子对河岸潜流驻留时间的作用不是各因子作用的同步叠加, 而存在一定程度的消减效应。

    • (1) 河岸带植被密度对潜流交换具有促进作用, 随着植被密度的增加, 潜流驻留时间随之减小; 植被密度对潜流驻留时间的影响存在一定阈值。

      (2) 河岸带蜿蜒性对潜流驻留时间具有抑制与促进双重效应, 潜流驻留时间分布与河岸蜿蜒形态呈类镜像特征, 蜿蜒波迎水面内潜流驻留时间随蜿蜒性的增大而减小;背水面内潜流驻留时间随蜿蜒性的增大而增大, 且迎水面平均潜流驻留时间约为背水面的1/2。

      (3) 复合因子对河岸潜流驻留时间的作用不是单因子作用的同步叠加, 存在一定程度的相互消减效应。蜿蜒波迎水面内复合因子对潜流驻留时间具有共同促进作用;背水面内, 小蜿蜒性下植被密度起主导作用(缩短潜流驻留时间);大蜿蜒性下蜿蜒性起主导作用(延长潜流驻留时间), 复合因子对潜流驻留时间具有抑制和促进双重效应。

      (4) 河岸带蜿蜒性、植被布置方式、水流参数、土壤参数是影响河岸带潜流交换、驻留时间的主要因子。蜿蜒性与植被密度是影响潜流驻留时间的关键因子, 其总作用程度达91.07%;潜流驻留时间对河岸蜿蜒性最为敏感, 对植被密度的敏感性较弱, 组合因子的敏感性介于两者间。

      (5) 本研究仅探讨了均质规则蜿蜒型河岸带, 植被仅以菖蒲为典型, 而现实河岸带通常是非均质、非规则蜿蜒的, 植被丰富多样, 同时它还受水文季节影响。因此, 后续需深入探究多因子对潜流交换的影响机理, 建立潜流驻留时间的定量计算公式。

参考文献 (25)

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