复杂河床形态多尺度调整过程中潜流交换机理研究

The uneven riverbed form of natural rivers disturbs the flow process. That produces the uneven hydraulic gradient on the interface of water and sediment. Hyporheic exchange of the riverbed is also changing. The accurate judgment of hyporheic exchange directly affects and determines the key to river ecosystem restoration. To solving the basis problem of hyporheic exchange of the riverbed, measured data analysis and generalized model of riverbed form are used to study the general laws of during complex multi-scale riverbed form the adjustment process. At the same time, the response mechanisms of multi-scale geometric changes include the riverbed form, the hydraulic condition and the seepage properties. Considering riverbed fractal dimension measure and riverbed multi-scale form changes, the relationship between riverbed fractal dimension and riverbed multi-scale form changes and hyporheic flux, the heat exchange and solute transport mechanisms are established. On that basis, the surface-groundwater coupling model derived by riverbed form is built to reveal the mechanism of hyporheic exchange in the process of riverbed form multi-scale adjustment. The results will further the research of riverbed form and hyporheic exchange, promoting subject crossing, and benefit to solve the river ecosystem restoration problem. This have a great promoting and guiding significance on the subject development and practical engineering.

天然河流的不平整床面形态对水流过程的干扰，使得水沙界面上存在不均衡的水压梯度，河床潜流交换也发生着相应的变化，此时对河床潜流交换的准确判断将直接影响、甚至决定着河流生态系统修复的关键。针对河床潜流交换这一基础问题，采用实测资料分析和河床形态概化模型试验的方法，研究河床形态调整过程中潜流交换的一般规律，探索潜流交换对河床表面形态、水力条件及床沙渗透特性等多尺度几何变化的响应机理；考虑河床表面分形维数度量河床形态的多尺度变化，建立河床表面分形维数与河床形态多尺度变化对应潜流带水动力交换量、热量传输机制和溶质交换机制之间的关系；在此基础上，构建河床表面形态驱动条件下的地表-地下水耦合模型，最终揭示河床形态多尺度调整过程中的潜流交换响应机制。研究成果将进一步深化床面形态和河床潜流交换的研究，促进学科交叉，并有利于河流生态修复问题的解决，对学科发展和实际工程分别具有推动作用和指导意义。

河流地表水-地下水的相互作用是地球水文循环的重要过程。潜流交换直接影响河流系统中碳、氮、氧气和营养物质运输等生物化学反应的进程，对保障流域生态健康起着重要的调节作用，对维持和修复流域生态健康和流域水资源开发利用具有重要意义。本项目基于雷诺平均N-S方程（RANS）、k-ω湍流方程和Darcy方程，利用COMSOL结合CFD-Fluent数值模拟方法，构建了三角形河床形态影响下的地表水-地下水耦合模型，提出了三角形河床水沙交界面处上升流和下降流的判定方法，量化了三角形河床上升流和下降流潜流交换通量，研究了地表水湍流特性、水沙交界面流动特性和地下水潜流交换区特性；研究了水流流速v、水深H、沙丘波高h及河床底质渗透率k等单一影响因素影响下的潜流交换规律；提出一个新的导热系数经验模型，并利用实测数据集对新模型和已有的9种模型进行了评估和对比；建立了河床、河岸带饱和-非饱和流热耦合有限元模型，分析了河床、河岸带温度场对于日变化和季节性变化的响应；基于4种典型解析模型，通过运用温度-时间序列资料对河岸带地下水垂向流速进行了求解分析，对试验区河岸带的流场特性进行了确定与验证。结合本项目研究，以第一或通讯作者身份在国内外核心期刊发表相关学术论文21篇，发表论文已被SCI收录14篇；授权国家发明专利6项（均为第一发明人），出版专著1部（第一作者），获陕西省第十四届自然科学优秀学术论文奖1项（第一获奖人）；培养硕士研究生7人，其中1人获得全国高等学校水利类专业优秀研究生硕士学位论文，1人获得全国水利工程专业学位研究生实践优秀成果获得者，3人获得西安理工大学优秀硕士学位论文。