【摘 要】
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潜流带作为地表水与地下水交互的区域,其中的水热交换对于河流廊道的水文和生物地球化学过程具有重要意义。本研究选取典型草原河流,采用水动力学法、温度示踪法结合数值模拟法,基于高分辨率的水位和水温监测结果,定量探究了2020年和2021年夏汛期锡林河顺直和曲流河段的潜流交换作用;基于FEFLOW构建了潜流带的三维水热耦合模型,分析了潜流带水热交换对不同水文事件和河道形态的响应及其生物地球化学意义。研究结
【基金项目】
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内蒙古自治区河流与湖泊生态重点实验室,在国家自然科学基金（52069017,51609118）; 内蒙古自治区自然科学基金（2020MS05019）
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潜流带作为地表水与地下水交互的区域,其中的水热交换对于河流廊道的水文和生物地球化学过程具有重要意义。本研究选取典型草原河流,采用水动力学法、温度示踪法结合数值模拟法,基于高分辨率的水位和水温监测结果,定量探究了2020年和2021年夏汛期锡林河顺直和曲流河段的潜流交换作用;基于FEFLOW构建了潜流带的三维水热耦合模型,分析了潜流带水热交换对不同水文事件和河道形态的响应及其生物地球化学意义。研究结果如下:（1）夏汛期内,锡林河上游河水波动频繁,河水与地下水的水力梯度变化明显,两水体交换活跃。水动力学法计算的曲流河段垂向潜流交换速率（-0.3~0.5 m/d）略大于顺直河段（-0.3~0.35 m/d）;对于顺直河段,受地形和渗透系数影响,右岸侧向潜流交换速率（-0.2~0.6 m/d）大于左岸（-0.06~0.13 m/d）;曲流河段受河流形态影响,右岸侧向潜流交换作用更加强烈,潜流交换速率介于-0.5~0.5m/d。温度示踪法利用VFLUX2软件计算的顺直和曲流河段的垂向潜流交换速率（-0.2~0.7 m/d、-0.6~2 m/d）与水动力学计算的结果处于同一量级,且两种方法均能较为准确地计算出洪水与降雨事件影响下的潜流交换速率。基于温度梯度的温度示踪法适用于温度振幅、相位差变化明显的0~50 cm河床深度的潜流交换量计算。（2）基于FEFLOW构建的潜流带水热耦合模型能够较为合理、准确地刻画草原河流潜流带内的水流与热量运移过程。水位和水温的模拟值均能较好得拟合实测值,其均方根误差（RMSE）分别为0.038和0.4,拟合优度（R2）分别为68.8%和54%。（3）试验和模拟均表明上游洪水来临时,顺直河段向两岸地下水补给,受渗透性和河岸地形情况影响,右岸由河岸地下水补给地表水转逆转为地表水补给河岸地下水,而左岸潜流交换速率无明显变化;曲流河段上游河水直接穿过右岸补给下游河水,形成跨界流量。降雨过程导致两岸地下水补给地表水的趋势加强或河水补给两岸的趋势减弱,两河段均出现河水与两岸地下水交换方向逆转的现象。（4）洪水过程驱动地表水向河床和两岸地下水补给,导致孔隙水温度升高,同时曲流河段内侧的跨界流量延长了河岸带的水力停留时间,利于生物地球化学反应的发生,因此洪水过程可能是潜流带的热点反应时段。本研究为准确了解草原内陆河流潜流带的水热运移特征以及生物地球化学过程提供了科学依据。
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