冲积河道河床变形驱动下地表水-地下水相互作用的耦合模型研究

针对自然河流中堰坝驱动河床变形对潜流交换过程（hyporheic exchange）影响机制不明的问题，研究人员通过构建地表水-地下水耦合模型，首次量化了局部冲刷坑（scour pit）动态形成对潜流通量（hyporheic exchange flux）和达西流速（Darcy velocity）的短期影响。结果表明，堰高从15 cm增至25 cm时，冲刷坑体积扩大3.3倍，潜流通量峰值达0.011 m2/s，下渗流速提升2.5倍，为河流生态修复中低水头堰（low-head weir）设计提供了理论依据。

　　

在河流生态系统中，潜流交换（hyporheic exchange）是连接地表水与地下水的关键过程，通过输送溶解氧、营养盐和微生物，维持着河床沉积物中的生物地球化学循环。然而，自然河流中由堰坝引发的河床动态变形如何影响这一过程，长期以来缺乏定量研究。传统模型多假设河床静态，忽略了冲刷坑（scour pit）快速形成对水动力场和溶质运移的即时影响，这限制了堰坝在生态修复中的精准应用。针对这一空白，来自湖北省自然基金等项目支持的研究团队，在《CATENA》发表论文，通过创新性耦合地表水三维模型与地下水二维模型，首次揭示了河床短期变形对潜流交换的强化机制。

研究采用现场观测与数值模拟结合的方法，以长江中游支流滠水河为研究对象，构建了考虑泥沙输运的动态地表水模型与稳态地下水模型。通过对比不同堰高（15-25 cm）和流量（0.0621-0.1200 m³/s）下的冲刷坑形态、压力场分布及温度响应，量化了河床变形对潜流交换通量的影响。

冲刷坑动态演变与潜流交换增强
模拟显示，堰高增加显著改变局部地形：当堰高从15 cm升至25 cm时，冲刷坑深度由9 cm增至25 cm，体积扩大3.3倍。这种形态变化导致压力场重新分布，使潜流通量峰值达到0.011 m²/s，较静态河床条件提升1.5倍。

流量对下渗流速的调控作用
增大流量（0.0621→0.1200 m³/s）使潜流带峰值下渗达西流速（Darcy velocity）从0.0039 m/s增至0.0067 m/s，表明高流量条件下地表水更易穿透河床。

地形-水力耦合效应
冲刷坑形成改变了传统潜流路径，其边缘产生的湍流结构（turbulence structures）在床面形成压力差，驱动局部交换速率提升2.5倍。温度场监测证实，变形区热信号穿透深度增加，印证了交换强度的空间异质性。

该研究突破了静态河床假设的局限，证实河床短期变形可通过地形-水力耦合效应显著增强潜流交换。结论为低水头堰（low-head weir）的生态工程设计提供了新范式：通过调控堰高（15-25 cm）和流量匹配，可定向塑造冲刷坑形态，从而优化溶质滞留和氧气输运。这一发现对河流修复中兼顾水力安全与生态功能具有重要指导意义。