【摘 要】
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河岸带作为河流与陆地间的缓冲地带,其温度场、渗流场分布易受河流水位与环境温度等因素的影响发生改变。了解河岸潜流带温度场分布与潜流交换通量变化规律,对河流水资源保护、地下水利用及河流生态环境修复与可持续发展具有重要意义。本文通过室内物理模型试验、野外原位监测试验及数值模拟等手段,针对季节变化下河岸潜流带温度与渗流变化规律开展研究。主要研究内容及成果如下:（1）通过COMSOL Multiphysic
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河岸带作为河流与陆地间的缓冲地带,其温度场、渗流场分布易受河流水位与环境温度等因素的影响发生改变。了解河岸潜流带温度场分布与潜流交换通量变化规律,对河流水资源保护、地下水利用及河流生态环境修复与可持续发展具有重要意义。本文通过室内物理模型试验、野外原位监测试验及数值模拟等手段,针对季节变化下河岸潜流带温度与渗流变化规律开展研究。主要研究内容及成果如下:（1）通过COMSOL Multiphysics软件构建了 10种基于导热系数模型的河岸带流热耦合数值模型,并利用室内物理模型试验数据进行了验证,结果表明:基于Johansen导热系数模型的河岸带流热耦合模型温度场模拟值与实测值更吻合,模拟精度最高,能够较为准确的刻画河岸潜流带内部温度场变化过程。（2）基于正交试验法对上述所构建的较为准确的数值模型进行了参数敏感性分析,选取6个模型参数,分析其对河岸带流热耦合数值模型温度场模拟值的影响大小。模型参数敏感性分析结果表明:渗流系数Ks对模型模拟温度场结果输出影响最大,极差分析结果为0.503,偏差平方和分析结果为0.804;其次是孔隙率n,极差分析结果为0.499,偏差平方和分析结果为0.729;残余含水率θr、饱和含水率θs、van Genuchten参数α和van Genuchten参数nv对模型影响不显著,极差分析结果均小于0.12,偏差平方和分析结果均小于0.06,但由于参数之间的相互作用其对模型的影响仍不可忽视;各参数对模型温度场模拟结果既有正相关又有负相关,这种相关性可为模型参数调整提供参考。此外针对渗透性较低的护岸结构模拟结果显示,其阻碍了河岸潜流带内部温度与渗流运移过程,尤其在水平方向上更为明显。（3）开展了洞庭湖典型河岸潜流带断面原位监测试验,分析了地下水水位与温度垂向分布规律,结合断面温度云图,探讨温度场年内、季节内及日变化规律,并揭示了浅层温度与河水水位、环境温度变化的相关性。结果表明:河岸潜流带地下水位与温度变化相较于河水水位与环境温度变化存在明显的滞后与衰减现象,并且随深度与离岸距离增加这种现象更加明显;河岸潜流带温度场日变化不明显,年内变化明显;夏季与冬季垂向温度梯度较大,分层现象明显,温度场波动较小,比较稳定;春季与秋季垂向温度梯度较小,分层现象不明显,温度场波动较大,不稳定;相关性分析结果表明,河岸潜流带浅层温度与环境温度具有较强的正相关性,且夏季与秋季高于冬季与春季。（4）基于VFLUX2程序中不同解析模型,计算了洞庭湖典型河岸潜流带断面垂向渗流速度,探讨研究区域潜流交换相互补给模式,量化与对比分析了不同季节垂向与侧向潜流交换总量。结果表明:各模型计算结果变化趋势基本一致,数值大小存在差异:Hatch相位法与Keery相位法计算垂向流速比Hatch振幅法、Keery振幅法、振幅-相位组合法McCallum解和Luce解大一个数量级;垂向渗流速度随深度增加逐渐增加,侧向潜流交换量随离河道距离增加逐渐减小,充分体现了河岸潜流带潜流交换的空间异质性;整个监测期间,垂向潜流交换模式主要表现为地表水补给地下水,夏季与秋季潜流交换总量大于春季与冬季;侧向潜流交换总量则表现为冬季最多,秋季次之,夏季最少。（5）基于上述野外试验数据,进一步验证了基于导热系数模型的河岸带流热耦合模型的准确性与适用性,并利用所建模型模拟洪水过程对河岸潜流带温度场与渗流速度的影响。结果表明:基于Johansen模型的河岸带流热耦合模型温度场模拟值各评价指标均低于其他模型,模拟效果最佳;潜流交换通量模拟结果与Hatch振幅法计算结果数量级大小一致,变化规律基本吻合;综合来看,基于Johansen模型的河岸带流热耦合模型在研究河岸潜流带潜流交换过程时效果最好;洪水过程对河岸潜流带温度场与渗流速度的影响存在明显的滞后性;退洪过程对浅层温度变化的影响大于涨洪过程,深层温度变化对涨洪、退洪过程的响应则相反;洪水对地下水流速变化的影响则是涨洪过程大于退洪过程。
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