半干旱地区河流潜流带中淤塞-去淤塞的机理研究

河流潜流带（hyporheic zone）是一个特殊的水文地质体，它有独特的水动力学过程、地球化学作用、生物活动，是近十多年来水文地质领域的热点研究方向之一。潜流带的水文地质特点直接影响河流-地下水的水动力学关系。目前，国内外对潜流带的淤塞（clogging）机理已有一些初步的认识，但对于潜流带中"去淤塞"的机理研究较少，特别是对潜流带中的淤塞程度与渗透系数的动态关系缺乏研究。本项目以半干旱地区河流的潜水带为主线，选取渭河为典型污染河流，利用野外调查，现场测试采样，实验室测试分析，数值模拟等方法，揭示渭河潜水带中淤塞和去淤塞的机理、以及两者之间的季节性变化规律，探索河床淤积程度与渗透系数的时空关系，分析两者受河流水文条件、水质因素、生物扰动等控制的程度，综合河床水文地质条件，采用河流-地下水数值模型，模拟渭河潜流带的三维分布趋势，为河流修复、恢复河流健康的生态功能提供科学理论依据。

本项目（国家自然科学基金项目编号41072183）对渭河主河道沉积物、低漫滩沉积物、高漫滩沉积物，展开了土柱采样和室内颗粒筛分，渗透系数原位试验，河床沉积物地貌变异和沉积结构的研究，共取得161个土柱样品，现场测得1149河床沉积物渗透系数值。根据野外获得的资料，分析了河床淤塞的空间差异性，河道潜流带中去淤塞的机理。同时根据项目的设计，与美国内布拉斯加州普拉特河（ The Platte River）的河床渗透性与淤塞情况进行了对比研究。发现渭河与普拉特河的主河道中，潜流作用较普遍，产生了河道沉积物渗透性浅层普遍地大于下层。潜流在河道中的频繁活动，是河道去淤塞的是主要水文因素。但在渭河人类活动影响的程度高，污染质较多，淤塞多发生在漫滩地带。在理论分析方面，我们利用地质统计学原理，建立了渗透系数的空间变异函数，确立了渭河主河道、低漫滩、高漫滩沉积物中渗透系数的空间相关关系，建立了渗透系数的统计分布模式（例如正态分布和对数正态分布）与河流沉积环境、沉积层分布、河床淤塞程度之间的联系。我们进一步开发了有限元的地下水数值模型，用于模拟河流潜流带的水动力过程，利用流线与地下水流速分布图，形象地展示了河水-地下水交换所产生的潜流带空间展布情况，很好地揭示了潜流带上下层渗透系数分布的规律。.在野外现场试验过程中，我们对测定渗透系数的竖管法进行了拓展，把原来只能应用到河道水下沉积物的试验方法，延展到对低漫滩的饱气带与饱和带、高漫滩的河床沉积。同时，使得该方法的土柱取样能结合沉积物的层理结构。在水平、垂直、斜角等任意方向，在水下，在饱气带，都可以进行沉积物渗透系数的试验，从大大拓宽了适合本方法的沉积物类型。对河流沉积物渗透系数的空间变异、各向异性研究提供轻便、易于操作的试验装置，具有很广泛的应用前景。.我们以本项目为基础，结合国家留学基金委对高校访问学者、研究生出国学习的资助，利用美国内布拉斯加大学的有关试验条件，提供3名青年骨干教师和2名研究生赴美国开展河流潜流带水文地质合作研究，形成了合作研究的团队。学成回国的成员已发表有关潜流带研究的SCI检索论文，以及国家自然科学基金青年项目。