沙丘迁移与微生物生长动力学对潜流带溶质运移与反应的耦合效应研究

本文通过耦合地表水动力学（OpenFOAM）、地下水水力（MODFLOW）及反应运移与微生物生长模型（SEAM3D），首次系统揭示了移动沙丘与微生物生长/衰亡过程对潜流带（HZ）溶解有机碳（DOC）和溶解氧（DO）消耗的协同强化机制。研究表明，沙丘迁移速率（celerity）增加会显著促进周转交换（turnover exchange）和微生物代谢活性，忽略微生物生长动态会导致DOC消耗量低估约50%。该研究为河流污染物自然衰减机制提供了新视角，对河流生态修复与管理具有重要指导意义。

　　

2 方法

研究通过多模型耦合框架模拟理想化河流环境中三个连续沙丘的潜流带过程：采用OpenFOAM求解雷诺平均Navier-Stokes方程获取河床压力分布；通过MODFLOW模拟地下水流动；利用改进的SEAM3D模型引入移动参考系（MFOR）表征沙丘迁移，并模拟微生物生长/衰亡动力学与DOC/DO的反应过程。沙丘几何参数设定为高度Δ=0.1 m、长度L=2 m、背水坡角30°，符合典型沙质河床特征。敏感性分析涵盖地表水流速（u_x1=0.5-1 m/s）、水深（d=0.5-1.5 m）、沙丘迁移速率（c_b=7.8-68.7 m/d）、GW上涌速率（W=0.00088-0.03 m3/d）及SW中DOC/DO浓度（5-10 mg/L）等关键参数。

3 结果

3.1 地表水动力学

OpenFOAM模拟显示沙丘表面压力分布呈中部高压、两侧低压的特征。压力峰值与流速正相关，与水深负相关——较浅河流因床面坡度更陡而产生更高剪切应力，进而驱动更高沙丘迁移速率。

3.2 地下水运移、反应与微生物过程

3.2.1 沙丘迁移速率的影响

沙丘迁移显著改变潜流带溶质运移模式：低速时（c_b=7.8 m/d）存在由形态阻力产生的倒拱形水动力羽流；随c_b增加，水动力羽流减弱而周转羽流（源自背水坡）增强。c_b=17 m/d时羽流面积最小，对应DOC消耗量暂时下降；更高c_b（28-69 m/d）下周转羽流扩展使消耗量显著上升。微生物生长模型预测的DOC消耗量是无生长模型的2倍（尽管生物量低6倍），因其能自适应调整空间分布至底物富集区。

3.2.2 SW浓度与GW上涌效应

SW的DOC浓度从5 mg/L增至10 mg/L使DOC/DO消耗量和生物量均翻倍；DO浓度同等增幅仅轻微促进消耗。GW上涌速率（W）增加会压缩潜流带体积，W=0.03 m3/d时的消耗量较基准条件（W=0.0088 m3/d）下降50%。

4 讨论

4.1 迁移速率与微生物生长的协同效应

微生物空间分布与DOC羽流高度吻合，验证了生长模型对底物分布的自适应能力。无生长模型中微生物不合理地分布于羽流外深部区域，导致代谢效率低下。c_b增加通过提升SW溶质输入和羽流面积双重机制增强消耗，且系统始终处于传输限制状态（非反应限制）。

4.2 迁移速率与孔隙流速的量化关系

无量纲比率u_r=c_b/u_p（孔隙流速u_p由达西定律推导）在所有场景中均>3，表明周转交换始终主导水动力交换。该发现与假定静态沙丘的传统模型存在本质差异。

4.3 模型优势与局限

研究首次量化了沙丘迁移与微生物动态的交互效应，但未考虑生物堵塞（bio-clogging）、温度效应、孔隙度耦合变化及颗粒有机碳（POC）输入等复杂过程。未来需拓展至富营养条件、反硝化反应及气候变化情景下的瞬态模拟。

5 结论

沙丘迁移与微生物生长动力学的耦合显著提升潜流带反应效率，忽略任一过程均会导致模拟偏差。河流流速的适度增加（如0.75→1 m/s）可提升50%-100%的DOC消耗量，启示可通过流量调控、河岸修复等管理措施增强污染物自然衰减能力。本研究为动态河流环境中生物地球化学过程的精准模拟提供了新范式。