水文地貌因素对河口沙坝影响下的地下水流交换的调控作用：来自实验和数值模拟的见解

《Advances in Water Resources》：Hydrogeomorphic controls of mouth bar on hyporheic exchange: Insights from experiments and numerical simulations

　　

姜静生|穆珍霞|金光秋|王拓|袁海宇|蒋启昊|陈Hexiang|张思毅

中国南京河海大学水灾害防治国家重点实验室

摘要

河口沙坝作为河口地区普遍存在的地貌单元和沉积体，会改变水流模式，并显著影响河床中的溶质传输路径。本研究结合了实验室水槽实验和数值模拟，探讨了径流条件和沙坝地形对地下水流交换的影响。研究结果表明，沙坝的存在在其迎水坡和背水坡之间产生了压力梯度，导致水从迎水坡流入并在背水坡流出，从而形成了沿水面水流方向的双峰状孔隙水流速度分布。河床中的溶质传输速率和量与上层水流速度及沙坝地形密切相关。较高的上层水流速度、更大的沙坝高度以及较短的迎水坡长度增强了地下水流交换，使得地下水流交换通量增加，地下水平均年龄降低，溶质进一步渗透到更深的河床中。与迎水坡长度相比，沙坝高度是控制溶质交换率更为重要的因素；当迎水坡坡度从0.250增加到0.417时，由沙坝高度引起的地下水流交换量大约是迎水坡长度缩短所引起的交换量的1.5倍。这些发现为理解以河口沙坝为主导的地下水流交换机制提供了基础性的理论依据。

引言

如图1所示，河口沙坝是河口地区普遍存在的地貌单元，它们由河流流入湖泊、海洋或其他大型水体时沉积物快速堆积形成（Xiong等人，2023年）。这种沉积是由于河道变宽导致水流速度减小以及受接纳水体的水动力阻滞作用而发生的（Anthony，2015年；Leonardi等人，2013年；Zhou等人，2020年）。从形态上看，这些沙坝具有明显的纵向凸起，其形成受到河床地形、上游沉积物颗粒特性以及复杂水动力条件的共同影响（Edmonds和Slingerland，2007年；Jiménez Robles等人，2016年）。沙坝的存在会导致河道分叉并改变水流结构（Gao等人，2018年），同时作为水力屏障调节河流与湖泊之间的物质交换——从而影响河口生态系统（Gong等人，2022年）。此外，沙坝周围的独特水环境调控着关键的生物地球化学过程（Constantz等人，2016年；Esposito等人，2013年）。

沙坝地形不仅控制着地表水流模式，还强烈影响地下水流——特别是地下水流交换，这一过程对水生系统中的溶质传输和生物地球化学循环至关重要（Boano等人，2006年；Huang和Chui，2022年；Huang和Yang，2022年）。这一过程发生在地下水流带，这是地表水与地下水混合的关键界面，已成为河流修复研究的重点领域（Herzog等人，2018年；Hester等人，2013年；Jin等人，2020年；Jin等人，2023年；Singh等人，2019年）。尽管通过遥感和数值模拟对沙坝进行了广泛研究（Baldoni等人，2021年；Leonardi等人，2013年；Li等人，2022年；Li等人，2024年），但大多数研究集中在沉积物性质、地貌演变和盐分传输方面（Esposito等人，2013年；Gao等人，2018年；Gong等人，2022年），而对地下水流过程（如地下水流交换）的关注较少。这些地貌结构会导致局部河床形态的突然变化，不仅影响通航和防洪，还会显著改变地下水流交换的规模和方向（Gomez-Velez等人，2015年；Gong等人，2022年；Marzadri等人，2010年）。此外，径流条件对地下水流交换的影响也不容忽视（Hassan等人，2015年；Jiang等人，2021年；Salehin等人，2004年；Westhoff等人，2011年），因为研究表明，在相似地形条件下，上层水流速度对交换速率有主要控制作用（Cardenas和Wilson，2007a年；Packman和Salehin，2003年）。这突显了河床地形和径流对地下水流动力学的共同影响。

鉴于河床地形对地下水流的已知影响（Cardenas，2009年；Lee等人，2020年），为了系统性地研究这些地形效应，以往的研究中广泛采用了三角沙丘作为代表性河床形态。例如，Yan等人（2019年）在研究洪水波与沙坝相互作用时使用三角沙丘进行模拟。多项研究进一步探讨了这种三角河床形态引起的地下水流交换过程（Jaeger等人，2021年；Jin等人，2018年；Jin等人，2019年）。Ren和Zhao（2020年）开发了一个地表水-地下水耦合模型，分析了五种三角河床形态上的上层水流速度和压力分布，并通过梯形积分量化了进出口通量。Jin等人（2010年）结合水槽实验和数值模拟研究了周期性三角河床中的溶质传输，发现早期以平流为主，而在平流后的时间尺度上以侧向扩散为主。然而，以往的大部分研究集中在变化中的三角沙丘上，这些沙丘是周期性的而非孤立的，并且研究范围仅限于河流系统，对河口环境关注较少。这些局限性表明了一个研究空白：目前尚未充分探讨由于水流与沙坝相互作用而导致的河床中溶质传输过程。

因此，有必要进一步了解沙坝如何影响河床中的溶质传输机制。为此，我们选择了河湖交汇处的沙坝作为研究对象。通过循环水槽实验和数值模拟为主要方法，量化了地下水流交换通量、地下水年龄以及上层水和河床中的溶质浓度。具体来说，我们解答了两个关键问题：（1）沙坝的存在如何影响孔隙水流模式和溶质传输特性？（2）沙坝地形和上层水流条件在控制地下水流交换过程中起什么作用？研究结果将为理解沙坝区域的地下水流交换动态提供必要的理论基础，并为河口生态系统的保护和恢复提供科学指导。

章节摘录

水槽实验

本研究中使用的水槽如图S1a所示。水槽长度为3.45米，宽度为0.1米，高度为0.7米（Jin等人，2022年），有效测试段长度为3.2米。水槽的前壁由强化玻璃制成，后壁由便于抽取孔隙水的银钢板制成。实验中河床厚度为0.3米，上层水深0.1米。钢板上有排列的采样孔

模型验证

通过比较实验和模拟结果中的上层水和孔隙水中的溶质浓度以及溶质传输过程来验证模拟模型的准确性。如图3所示，上层水中的实验和模拟溶质浓度均随时间呈下降趋势，下降速率和趋势相似。我们使用R²验证了实验结果与模拟结果的吻合度，相关指数R²为0.98，表明

结论

本研究通过实验室实验和数值模拟探讨了上层水流条件和沙坝地形对地下水流交换的影响。主要结论如下：

• 沙坝的存在在迎水坡和背水坡之间产生了压力梯度，推动了孔隙水的循环，促进了河床中的溶质传输，最终形成了弧形的水流

CRediT作者贡献声明

姜静生：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，软件，方法论，形式分析。穆珍霞：监督，项目管理，方法论，形式分析，概念化。金光秋：监督，资源获取，项目管理，方法论，资金筹措，概念化。王拓：验证，方法论，数据管理。袁海宇：撰写 – 审稿与编辑，监督，调查研究。蒋启昊：监督，项目