浊度河流河床渗透-堵塞机制：基于实验室模拟的粒径与悬浮物浓度耦合效应研究

为解决浊度河流中悬浮沉积物导致的河床渗透能力下降问题，北京师范大学研究人员通过柱实验结合CT扫描技术，系统研究了不同粒径河床（41-629?μm）与悬浮物浓度（0.1-10?g/L）对渗透-堵塞过程的影响。研究发现3?g/L悬浮物可使渗透率降低22.6%-98.8%，粗粒径河床或高浓度悬浮物会加速堵塞进程。该研究建立了基于达西定律的水力传导率模型，为间歇性河流生态修复提供理论支撑。

　　

在全球气候变化背景下，间歇性河流（Intermittent Rivers）占河流总长度的比例已超过50%，其数量仍在持续增加。这类河流上游常因侵蚀作用携带大量悬浮沉积物，下游沉积导致河床孔隙堵塞（Clogging），形成低渗透带，严重影响地下水补给和河流生态系统。尽管前人已认识到河床渗透-堵塞现象对水文循环的关键影响，但由于难以定量监测细颗粒物在河床中的迁移过程，其作用机制尚不明确。现有研究多聚焦饱和河床条件，对干旱区河床-地下水断联状态下的堵塞过程缺乏认知，且悬浮物浓度与河床粒径的耦合效应存在争议。

针对这一科学难题，北京师范大学的研究团队在《Journal of Hydrology》发表了一项突破性研究。通过设计系列柱实验模拟不同河床基质（中值粒径D₅₀
为41-629?μm）与悬浮物浓度（0.1-10?g/L）组合下的渗透过程，结合CT扫描技术定量解析堵塞后的孔隙结构变化，首次从水力梯度视角揭示了渗透-堵塞的动态机制。

关键技术方法
研究采用高100 cm、内径10 cm的有机玻璃柱装置，底部铺设10 cm石英砂消除边缘效应，中部填充60 cm梯度粒径河床材料（R1-R5）。通过压力传感器监测水力梯度（Hydraulic Gradient），采用CT扫描获取堵塞后孔隙结构。实验涵盖5种悬浮物浓度（0.1-10?g/L），重点分析3?g/L悬浮物（中值粒径15?μm）对不同河床的渗透率（Infiltration Rate）影响。

研究结果

1. 河床材料对渗透的影响
粗粒径河床（如R5，D₅₀
=629?μm）初始渗透率更高，但堵塞后降幅达98.8%，显著高于细粒径河床（R1降幅22.6%）。CT扫描显示粗河床更易发生深部堵塞（Deep Bed Clogging），因其较大孔隙允许悬浮物长距离迁移。

2. 悬浮物浓度效应
在D₅₀
=452?μm河床中，浓度从0.1增至10?g/L时渗透率降低66.8%-97%。高浓度悬浮物虽加速堵塞进程，但完全堵塞后不同浓度组的最终渗透率趋于一致，验证了Dubuis等学者的假说。

3. 渗透-堵塞过程动力学
水力梯度（Δh/ΔL）随堵塞发展呈指数增长，而水力传导率（Hydraulic Conductivity）呈幂函数下降。建立的定量关系模型显示，粗河床或高浓度条件下模型精度略有下降（误差<15%）。

4. 基于达西定律的传导率模型
推导出考虑河床粒径（D₅₀
）和悬浮物浓度（C）的水力传导率修正公式：
K_clog
= K₀
?exp(-α?C/D₅₀
^β
)
其中α、β为经验系数，该模型对细粒径河床（D₅₀
<200?μm）预测精度达90%以上。

结论与意义
该研究首次定量揭示了河床粒径与悬浮物浓度对渗透-堵塞的协同控制机制，提出的水力梯度动态模型为预测浊度河流渗透能力提供了新工具。成果对永定河等间歇性河流的生态修复具有直接指导价值：粗砂质河床虽初始渗透性强，但更需防范高浓度悬浮物引发的快速堵塞风险。未来研究可结合野外原位监测验证模型在复杂水文地质条件下的适用性。

（注：全文数据均来自原文实验，模型参数详见原文Table 3，作者Liu和Pan的贡献声明及基金编号已按要求保留）