原木跌水結構對河流潛流帶溫度場的影響

劉佶鑫, 王可健, 劉 瑛, 劉德富, 馮晶紅, 李 毅

(湖北工業大學河湖生態修復與藻類利用湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430068)

河流中的生物體對熱變化比較敏感，只能適應一定范圍內的溫度，因此溫度是影響有機體和生態系統功能的最重要因素之一[1]。河流潛流帶中，溫度可以影響微生物活性、無脊椎動物的發育、部分魚卵的存活，具有重要的生態意義[2]。而潛流交換控制著多種棲息地因子(如溫度、砂礫等)，這些因子直接控制著生物對產卵棲息地的選擇。如，一些蛙和魚將卵產在下降潛流和上升潛流的交界位置，向上的水流會帶來恒定的溫度和豐富的營養，向下的水流則會帶來充足的溶解氧[3]。上覆水和地下水之間的壓力梯度和沉積物的滲透性能是影響潛流交換的兩個主要因素，水壓是局部潛流交換的驅動力[4]。Menichino等[5]研究發現跌水結構可以使潛流帶形成局部水力梯度，在上游產生下行流，在下游產生上行流，進而產生潛流交換，對河流溫度具有一定的調節作用。Sawyer等[6-7]采用實驗室水槽試驗和數值模擬方法對潛流和熱交換進行量化，認為河道中大型枯木結構周圍的河水流動會沿河床產生壓力梯度，從而推動河水與地下水的混合以及潛流帶內的熱傳輸。Malard等[8]研究發現，在較大型河流系統中，由于局部地表-地下水的相互作用，河段內部存在明顯的熱非均質性現象。陳孝兵等[9-10]通過構建循環式水槽裝置和數值模型，研究了不同河床地形、河床滲透特性的潛流交換與地表水動力、河床沉積物非均質性之間的關系。Moore等[11]研究表明，河道中原木引起的河床復雜地形會對地表水溫度的晝夜變化產生顯著影響。

為恢復河道的生態功能，近年來人們仿造河流自然形態提出并實施了生態跌水恢復工程，旨在營造河流的深潭-淺灘結構，增加河道空間異質性和形態的多樣性，以此達到提高生物多樣性的目的。原木跌水結構是生態跌水結構的一種，國外應用和研究的較多[12-13]，國內的研究主要集中在生境恢復效果方面[14]。

目前，模擬或者試驗研究更多地集中于床面形態等因素對潛流交換的影響以及潛流交換過程對地表水溫的調節作用[15-17]，很少有學者研究如何設置工程結構來增強潛流交換、增強潛流帶的熱緩沖能力。基于以上考慮，本研究應用有限元軟件COMSOL Multiphysics構建地表水-地下水二維耦合模型，研究河道內原木跌水結構對河床潛流帶溫度場的影響，以原木高度、間距和數量為基礎變量，探究其變化對地表水與潛流帶溫度傳遞過程的影響，以期能為河流生態修復提供參考。

1 地表-地下水耦合數值模型

1.1 模型建立

COMSOL Multiphysics可實現任意多物理場直接耦合分析，與其他有限元數值分析軟件相比，具有十分強大的多物理場求解功能。該軟件在化學反應、彌散、流體動力學、地球科學等領域得到了廣泛應用。前人應用該軟件對潛流交換和熱交換等開展了較多的研究[18-19]，具有較強的實用性。因此，本文利用該軟件建立地表水-地下水耦合模型(圖1)。模型河床長×高為3 m×0.5 m，河床表面有效水位為0.4 m，原木高度為0.2 m，放置于河床1.5 m處。模型分為地表水部分和地下水部分，地表水部分共劃分7 221個網格單元，地下水部分共劃分12 426個網格單元。地表水部分利用基于雷諾平均方程(N-S方程)和k-ω湍流模型計算河床表面的壁邊界壓力分布，并將此壓力作為地下水模型的上壓力邊界；地下水部分是通過Darcy方程及熱傳導方程建立溫度和流動耦合。為探究原木跌水結構對潛流帶溫度場的影響，通過改變原木的高度、間距和數量來建立多種工況進行對比分析。

圖1 地表-地下水耦合模型示意圖

1.2 初始和邊界條件

1.2.1初始條件

根據河流現場實測數據得到模型初始條件：河流初始流速為0.18 m/s，水深0.4 m，地表水溫度為23 ℃，河床的初始溫度為21 ℃(實測平均值)，河床底質的滲透率為3.4×10-9m2。

1.2.2邊界條件

如圖1所示地表水部分的水力邊界為：AD為進口速度邊界，BC為出口邊界，CD為對稱邊界，AB為不透水邊界，E為原木結構。地下水模型水力邊界為：ab為壓力邊界，bc、cd、ad都為不透水邊界。地下水熱力學邊界為：ab為溫度邊界，溫度為河床表面溫度，其他邊均為絕熱邊界。

1.3 模型驗證

本文采用河流現場監測點實測數據進行模型率定。河道位于武漢市黃陂區夏家寺河(E114°28′，N31°02′)，平均河寬約2 m，水深0.2～0.5 m。選取長約50 m的順直河段，每隔15 m放置一根橫跨河道的原木并固定，共設置三級原木跌水結構(圖2)。參考前人試驗[20]，試驗中記錄溫度的傳感器型號為DS1922L，采樣頻率為10 min/次。監測河床0 m、0.1 m、0.2 m、0.3 m深度的溫度數據，監測周期為6 d。溫度傳感器的放置位置與上文模型的1、2、3點設置位置相同(圖1)。

圖2 在現場設置的單級原木結構

實測河床溫度與模型模擬溫度的對比結果如圖3所示。通過均方根誤差(RMSE)和決定系數(R2)對模型模擬結果進行驗證，以此判斷模型的精度，R2>0.6可認為模型模擬結果較好。監測點1的RMSE值為0.139，R2值為0.930；監測點2的RMSE值為0.142，R2值為0.810；監測點3的RMSE值為0.146，R2值為0.693。各監測點均方根誤差均不大于0.146，其決定系數R2均大于0.6，說明模型可靠、模擬效果較好，用來研究潛流帶溫度變化規律是可行的。

圖3 河床溫度實測值與模擬值對比

1.4 工況設置

本文以原木數量、高度和間距為變量來探討不同結構影響下潛流帶溫度場的變化，模擬時間為24 h，具體工況參數見表1。

表1 不同工況參數

2 結果與分析

2.1 原木跌水結構高度對潛流帶溫度場的影響

2.1.1壓力和流場分析

在無原木結構及工況1、2、3情況下，得到的不同原木高度影響下潛流帶壓力和達西流線分布(圖4)。原木跌水結構設置對潛流帶壓力場和流場有明顯影響，在原木下方潛流帶局部區域，壓力沿x軸方向呈現分層分布，原木上游壓力表現為正值，下游壓力表現為負值。由于原木附近上下游的壓力差，原木上游部分水流表現為下降流，下游部分為上升流。隨著原木高度的增加，河床表面壓力分布也發生變化，原木上游和下游間的壓力差逐漸增大，壓力差極大值從31.8 Pa增加至76.3 Pa。

圖4 不同原木高度影響下的潛流帶壓力和流場分布

2.1.2溫度場分析

模擬24 h后，不同原木高度影響下的潛流帶溫度等值線變化如圖5所示。受原木的影響，等值線在其下方形成了一個半橢圓的較高溫區域，該區域溫度更接近地表水溫度。并隨著原木高度的增加，該區域的面積在逐漸增大，潛流帶內部的溫度范圍也發生變化。結合潛流帶壓力和流場變化分析，設置原木跌水結構會增大局部地下壓力差，使得該區域達西流速增加，因此原木下方更易受地表水溫的影響。此外在原木下游的上升流部分存在一梯形區域，該區域溫差范圍小，溫度相對比較穩定，在縱向上無明顯溫度分層，因此在極端溫度下可以為一些無脊椎生物提供暫時的熱避難所[21]。

圖5 不同原木高度下影響下的潛流帶溫度等值線 (單位：℃)

2.2 原木跌水結構間距對潛流帶溫度的影響

2.2.1壓力和流場分析

在無原木跌水結構及工況4、5、6情況下，不同原木間距影響下的壓力分布和地下達西流線情況如圖6所示。兩組原木下方的地下部分的壓力沿x軸方向均有分層現象，隨著原木間距的增大，第二組原木下方的壓力分層現象越明顯。第一組原木上游壓力表現為正值，第二組原木下游壓力表現為負值。隨著原木間距的增大，兩組原木之間地下部分的壓力值在增大，且上下游的壓力差最大值也在增大，其最大壓力差由53.47 Pa增大至68.2 Pa。且隨著原木間距的增大，兩組原木之間的潛流帶壓力分層現象越明顯，出現了多次上升流和下降流。

圖6 不同間距的原木影響下的潛流帶壓力和流場分布

2.2.2溫度場分析

在經過24 h模擬后，不同原木間距影響下的潛流帶溫度等值線變化如圖7所示。受原木影響，原木下方會形成一個半橢圓形的高溫區域，在每組原木的下游部分存在一定大小且溫度相對穩定的梯形區域。隨著間距的增大，兩組原木之間出現了多次上升流和下降流，且對應的潛流帶區域溫度分層現象越明顯，并引起了局部的熱異質性[7]。隨著原木間距的增大，第一級原木下游的緩沖區域在慢慢變大，溫度緩沖效果更好。研究結果表明增加兩級原木間距，可以降低地表水水溫對潛流帶局部的影響程度，增強了該區域在溫度傳遞過程中的熱緩沖效果。

圖7 不同間距的原木影響下的潛流帶溫度等值線 (單位：℃)

2.3 原木跌水結構數量對潛流帶溫度的影響

2.3.1壓力和流場分析

在無原木結構及工況7、8、9情況下，得到的不同數量的原木影響下的壓力分布和地下達西流線情況如圖8所示。只有最上游一組原木下方的地下部分的壓力沿x方向均有明顯分層現象，第一組原木上游地下部分呈現正值，最后一組原木下游壓力呈現負值。當原木數量增多時，地下部分壓力差極大值也在增大，其最大壓力差由53.47 Pa增大至68.2 Pa。其地下流場也隨著潛流帶壓力的分層而變化，主要的壓力差分布都集中于第一組原木下方處，在其上游地下部分表現為下降流，在其下游地下部分基本表現為上升流。

圖8 不同數量原木影響下的潛流帶壓力和流場分布

2.3.2溫度場分析

在經過24 h模擬后，不同數量原木影響下的潛流帶溫度等值線變化如圖9所示。每組原木下方均形成一個接近地表水溫的半橢圓形的較高溫區域。在每組原木的下游部分仍然存在一定大小的溫度穩定區域。由于第一組原木下方局部壓力差最大，其下方較高溫區域面積最大。隨著河道內原木數量的增加，該區域溫度極小值減小，最后一組原木下游潛流帶局部區域受地表水水溫的影響程度在降低，熱緩沖作用在增強。

圖9 不同數量原木影響下的潛流帶溫度等值線 (單位：℃)

3 討 論

3.1 原木跌水結構對潛流帶溫度場的影響

原木高度、間距和數量增加時，河床的壓力最大值增大，原木上下游總壓力差增大，且越靠近原木，壓力值越大。河道原木跌水結構添加將改變河床的潛流交換，從而在河床內形成空間上的熱異質性。在自然河流中，地下水的平均溫度通常與地表水不同，地下水溫度相對較為恒定，而地表水溫度受氣溫影響波動較為明顯。在潛流交換過程中，當水流向下流動時，孔隙水溫度會繼承河水的波動特征；而當向上流動時，孔隙水溫度會繼承深層地下水的穩定特征[7]。因此在潛流交換的上升流區域可以為一些對熱變化敏感的生物提供庇護場所[1]。研究結果表明，原木下方都可形成一個接近地表水溫的半橢圓形的較高溫區域，而在原木下游形成類似梯形的熱緩沖區，且不同工況下熱緩沖區有所不同。由于熱緩沖區的溫度相對穩定，這會增加底棲生物和水生生境的多樣性以及熱避難所的可用性[21]。本文模擬了夏季較高溫的地表水與河床的熱交換過程，原木結構會影響河床表面壓力并促進潛流帶局部的下降流和上升流的形成，原木跌水結構參數的變化也會引起潛流帶局部在溫度傳遞過程中的熱異質性。隨著原木高度增加，原木下方區域潛流帶受地表水水溫的影響范圍擴大；隨著原木間距的增加和原木數量的增加，潛流帶熱緩沖作用增強。

3.2 原木跌水結構在河流生態修復中的應用

大型原木是河流生態修復中的常用材料，其目的是增強河流的自然特征，如深潭和淺灘，來增加河流生態系統中生物生存環境的異質性，減少河岸侵蝕并提供魚類棲息地[22]。單一原木結構對河流潛流帶水交換的影響可能十分有限，本研究試圖用多級原木結構，并通過控制其尺寸、間距及數量來研究對它們共同作用下潛流帶溫度場的變化規律。發現原木跌水結構參數的變化確實能引起潛流帶在熱傳遞過程中的熱異質性。因此，為了取得更有效的熱緩沖能力，建議在河流生態恢復中采取增加原木的高度和數量等措施來達到熱緩沖效果。通過研究，可以推斷在河道內設置的原木結構對河流的影響達到一定規模，其在地表水流和潛流帶中引起的熱異質性足夠大，甚至可以對生態環境產生直接的影響。

如何量化結構參數與熱異質性的關系以及產生的熱異質性對河流生態系統具體產生怎樣的影響則需要進一步的研究。此外，原位河流中潛流帶受影響的因素眾多，原木結構在河流生態修復過程中起到的效果在很大程度上取決于周圍的地下水排放或補給率，河床滲透率和原木的阻塞率等[17]。河道中原木結構的添加是恢復河流水文連通性的很有前途的工具，因此在河流生態修復過程中也應更多地考慮在河道中如何設置原木結構來增強地表水與潛流帶的相互作用來增加河流生態系統的多樣性[6]。

4 結 語

河道中原木跌水結構的添加會改變潛流帶局部的壓力分布，增加原木高度、間距和數量時，都會使河床的壓力最大值增大，使得河床上下游總壓力差增大，促進了潛流帶局部的下降流和上升流的形成。

在24 h內的溫度傳遞過程中，原木跌水結構下游的上升流區域會存在一梯形的溫度穩定區域，該區域的溫差范圍較小，不易受地表水溫的影響，可能會為一些底棲生物提供熱避難所。

原木跌水結構加快了地表水與河床的熱交換，使原木下方區域形成接近地表水水溫的半橢圓形高溫區域。原木高度、間距及數量的不同均會影響潛流帶在熱傳遞過程中的溫度場的變化，引起河床局部熱異質性和熱緩沖區的變化。隨著原木高度增加，原木下方區域潛流帶受地表水水溫的影響范圍擴大；隨著原木間距的增加，原木間的熱緩沖作用增強；隨著原木數量的增加，最后一組原木下游區域熱緩沖作用增強。

本文所構建模型為二維概化模型，對河床在空間上的異質性的影響沒有進行分析。構建三維模型，考慮河床空間異質性及原木參數的優化需要進一步研究。