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0 引言
河流是地球水文循环的重要脉络,为物质、能量和信息的输送提供了有效通道[1],并因其所拥有的全球最丰富的生物多样性而在自然生态系统中扮演着重要角色[2]。纵横交错的河网水系是水生态系统中的常见形式[3],多位于平原区,人口密集、城镇化发展迅速。然而受水文情势复杂、地势平坦、闸坝阻隔,以及水污染负荷严重等复杂因素影响,我国平原河网地区往往面临严峻的洪水灾害威胁与水生态环境恶化[4-5]等问题。2023年5月,中共中央、国务院印发《国家水网建设规划纲要》,强调要加快构建“循环通畅”的国家水网,实现国家骨干网与省市县水网互联互通,最大程度提升泄洪、排水、输水和循环利用能力,这使河网密布地区的水安全问题备受关注。
河流交汇区作为河网物质输移的重要控制节点,其水流掺混动力学过程十分复杂,容易造成水、沙、污染物、生物等环境要素的突变[6-7],因而在河网水安全保障过程中具有突出的重要地位。一方面,洪水时期两股不同流动方向的水流相互掺混顶托,交汇区常出现水面壅高、流速减缓的现象,导致洪水灾害风险骤升[8]。另一方面,河流交汇处复杂的水流结构改变水体污染物等溶质原本的输移扩散规律,使得交汇区成为营养盐、重金属与抗生素等药物的富集地,并进一步影响生物群落的组成与结构[9-10]。而且,交汇区洪水下泄与水污染防治之间的矛盾也十分尖锐。淮河流域历史上曾多次发生上游支流开闸泄洪致使污染团下泄,沿途生态与环境遭受严重破坏的现象。其中在2004年7月,支流洪水挟带的污染下泄形成超过了150 km的污染带[11]。
由此可见,研究河流交汇区水动力学特性与污染物输移特征,及其可能引起的河网防洪与水生态环境等方面的水安全问题,不仅可丰富环境水力学与河流动力学理论体系,同时可为河网系统治理提供重要的理论依据,具有广阔的应用前景。
1 河流交汇区水流掺混动力学特征
1.1 河流交汇区时均流场特征
河流系统的地理环境复杂多变,天然河流交汇区的形式也多种多样。Riley等[12]基于前人研究,依据平面形状的不同将河流交汇区主要划分为3种类型,分别是对称型交汇区(又称“Y”型交汇区)、非对称型交汇区(又称“y”型交汇区)与弯曲干流型交汇区,并给出了不同类型交汇区的水流结构示意图,如图1所示。交汇区的水流结构通常可由以下几个分区进行表征[13]:①停滞区;②流速偏转区;③水流分离区;④水流加速区;⑤流速恢复区;⑥剪切层。各分区的水流流速以及紊动特性差异明显。停滞区主要位于上游交汇角附近,在边壁的阻滞作用下导致附近水流流速很小甚至停滞[14]。分离区则是由于支流水流与下游河道边壁发生分离所形成的低流速、逆压梯度区,包含大量的分离涡[15]。在两股水流速度差作用下形成的剪切层处,开尔文-亥姆霍兹(Kelvin-Helmholtz, K-H)不稳定性引发水流紊动,并诱导产生K-H涡或尾涡[15],这些涡体在频谱上呈现某一频段显著的能量聚集[16],是河道交汇处水流动量、水温、泥沙、污染物等掺混的重要媒介[17]。交汇区水流还会呈现出弯道水流特性[18],其在横向环流与纵向水流共同作用下形成的螺旋流,对河流热掺混与河床冲刷产生重要影响[19]。水流结构的变化还直观地反映于水面形态,通常干流上游产生水面壅高,并在汇口以下形成水面跌落,横向上越靠近支流,水面跌落幅度越大[20],见图2。
能量损耗是交汇区另一关注重点。Lin等[21]研究发现交汇口水体的能量损失主要由两部分构成,即边界摩擦损失与湍流混合损失,可通过单位时间内进入能量(E1、E2)与输出能量(E3)进行表示:
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式中:E代表能量;Q为流量;H为水头;y为水深;z为河床高程; 为动能修正系数;V为断面平均流速;g为重力加速度;下标1、2、3分别代表上游干流、上游支流与交汇口下游。能量损失的一个重要衡量标准,称为能量损失系数Ke,可表达为[22]
式中: 为干支流动量比; 为干、支流宽度相对于汇口下游的河宽比; 为干、支流上游水深相对于汇口下游的水深比(j=1, 2);F3为交汇口下游水流的弗劳德数。由式(3)可见,交汇口的能量损失主要取决于交汇口形态特征以及干支流动量比参数。
1.2 河流交汇区水流掺混模式
在早期研究中,学者们大多认为交汇水流掺混界面处的剪切层类似于两股平行流之间的混合层,而且对于浅水河流(即河流水深/湍流结构尺寸<<1),涡体结构具有显著的平面二维特征[23]。但Rhoads等[24]指出,将交汇流混合界面直接类比成浅水混合层存在局限性,因为浅水混合层为平行流,其产生的横向动量通量很小,而交汇流通常会产生大量的横向动量交换,对混合界面的空间演变产生重要影响。Cheng等[25]研究发现,对于两汊交汇角度较小的浅水流动,汇合点下游会形成包含准二维K-H涡流的混合层,而对于交汇角度较大的浅水流动,混合层附近会形成顺水流方向的强相干涡旋(Streamwise-Oriented-Vortical,SOV),以及由曲率效应产生的二次流结构。Herrero等[26]的研究表明,浅层明渠流中充分发展的停滞区对于水流的作用可能类似于圆柱绕流,观察到其下游涡旋以卡门涡街的形式发生脱落。
1.3 水流结构与交汇条件之间的响应
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式中: 为干流上游壅水水深;Hc为交汇口下游临界面水深;汇流比Rq=Q2/Q3,其中Q2、Q3分别为支流流量和交汇后的总流量;w为河宽,设定干支流河宽与交汇口下游河宽均等。
2 河流交汇区水生态环境特征
2.1 河流交汇区污染物输移特性
入汇支流的污染物浓度通常高于主流,河道中会出现污染物的横向混合,直至达到完全混合的状态[47]。一般而言,污染物的横向掺混被认为是一个十分缓慢的过程,通常在100~300个河宽内完成[48-49]。但近年针对河流交汇处水动力学的研究表明,随着河床形态和水流条件的变化,污染物完成横向掺混所需距离可能会大大缩短,尤其水流紊动条件的改变对于污染物掺混速率的影响十分明显[50]。例如,Gaudet等[51]通过野外观测发现,在非平齐性河床交汇口,污染物完成横向上的完全掺混仅需25倍河宽的距离。这是由于当支流河槽比主河槽浅时,二次流强度增大,水流会从较深的河道被夹带进入较浅的河道,因此导致汇合处下游的污染物横向掺混作用明显加强[52]。而且流量越小的情景下,河床高差变化所产生掺混加强越明显[53]。Lewis等[31]发现,对于小尺度河流交汇区,动量比增加与河道断面面积减小均可加速水流的掺混。
魏娟等[54]通过建立交汇区三维水气两相流模型,研究发现交汇角和支流流量比越小,交汇段的污染带越狭长,污染带内污染物质量横向浓度梯度越大。顾莉等[55]研究了不同汇流比对弯曲干流型河道交汇区污染物离散特性的影响,结果表明纵向和横向离散系数的峰值均出现在交汇断面附近,且该峰值随汇流比的增大而增大;其中,横向离散系数沿程呈单峰结构分布,而纵向离散系数沿程呈双峰结构分布,与环流结构的分布特征密切相关。此外,对称“Y”型和非对称“y”型河流交汇处的螺旋流及其对污染物迁移和混合的影响也明显不同[56]。上述研究成果与Tang等[57]的研究结论十分一致,即交汇区污染物浓度的分布主要由剪切层和两个反向螺旋流单元控制,而剪切层与螺旋流又主要受汇流比与河床形态的显著影响。
2.2 河流交汇区生态群落特征
河流交汇处复杂的水动力学过程影响了水温[60]、沉积物[61]与污染物[57]的掺混和分布,构成独特的水环境背景[62],并最终对交汇区的生物地球化学过程产生重要影响[33]。许多学者认为,受支流提供的营养补给、复杂的水力学特性、地貌调整形成的多样性栖息地[63-64]等因素的影响,河网中的生境异质性、生物多样性和生产力往往会在河流交汇处达到顶峰[65]。例如,浮游细菌群落作为天然淡水系统中的重要组成,在交汇区局部低流速与环流结构的作用下,参与硝酸盐和亚硝酸盐还原类的微生物量会大幅提升,从而使得交汇区成为脱氮作用的热点区域[66]。而且强化的脱氮作用往下游延伸,其延伸范围与入汇角、干支流流量比等汇流特征呈显著正相关[62]。而且交汇区浮游植物的生物量与丰度均会高于河流中段[67]。对于交汇区内部而言,受局部水流结构与地形特征的影响,生物的空间分布也会呈现明显的差异。Gualtieri等[63,68]研究发现,亚马逊江豚会避开剪切力较大的区域,更喜欢聚集在流速较低和水流复杂程度适中的区域,如停滞区和近岸区,而交汇区的混合界面则是幼鱼最为集中的区域。
然而,并非所有河流交汇区的生物多样性相比较非交汇河段都更为丰富。例如,Blettler等[69]研究发现对于没有因水文和沉积条件变化形成特殊“水文地貌斑块”的交汇区,其底栖生物组成与普通河段基本一致,表明交汇区的存在并不是生境异质性或生物多样性得以增强的充分条件。此外,河流交汇处细颗粒泥沙含量的显著增加可能会对底栖无脊椎动物产生明显负面影响[70],考虑主要由泥沙沉积对底栖生物形成的物理屏障、高浓度悬浮泥沙对藻类生长的抑制或对底栖生物栖息空间的堵塞与磨蚀作用而引起。因此,研究交汇区生态群落分布特征,不仅要关注水动力条件改变的直接作用,也需重点辨识泥沙、水温、溶解氧与营养盐等生态因子变化带来的影响。
3 河流交汇区水安全问题研究
3.1 河流交汇区洪水灾害防治研究
现有研究多基于历史实测洪水资料分析与水动力数值模型,研究揭示天然河流不同量级来水、汇流比、河道坡降等不同条件变化对洪水顶托范围、顶托程度的影响,以期为洪水防御提供理论支撑。例如,曾明等[71]研究发现长江高水位对汉江仙桃站与汉川站的水位顶托量最高可分别达到4、8 m以上,并综合多场景数值模拟成果,研究提出了上述水文站点在不同长江水位与丹江口水库下泻流量组合下的顶托量查算公式,可为汉江洪水预报调度提供重要参考。孙东坡等[73]研究了错峰型洪水在伊洛河交汇区的演进特性,发现相较于单峰或同峰洪水,错峰洪水使得交汇区高水位的保持时间增长了5~7倍,为河道治理工程的规划提供了理论依据。刘玉等[74]研究发现通过三峡水库的调洪调度改变了长江与洞庭湖交汇区的来水组成,可在一定程度上削弱洪水的相互顶托强度,为其他河流通过优化调度降低水位提供了重要参考。
3.2 河流交汇区水生态环境保护研究
如前所述,河流交汇区一般是河网中的生物热点区域[65]。然而由于交汇区水流紊动掺混作用强烈,污染物输移特性复杂多变,也易引起大量水生态环境问题。低流速的水流分离区内,水体长期滞留,自净能力明显减弱,水体中的氮、磷等营养物质与微生物逐渐富集,易形成黑臭、富营养化水体[10,76]。而水体和泥沙中的有机质、氮、磷等营养物质是交汇区的主要环境因子,对于水生生物的群落结构和生长代谢也会产生重要影响[77-78]。于新平等[67]研究发现鄱阳湖与尾闾河流交汇区水流速度小,营养盐浓度高,是水华易爆发区域,且不同于河流中段的优势藻种硅藻门,交汇区优势藻种主要为蓝藻门。Yuan等[79]探究了河流交汇处泥沙的吸附与释放作用在磷污染物输移过程中扮演的角色,发现向下水流和悬沙的絮凝均有利于磷在交汇处底泥中的富集,磷污染程度相比于下游河段更加严重,因而易对底栖生物生长产生不利影响[80]。此外,交汇区往往还是重金属、药品、洗涤剂、杀虫剂等新兴污染物富集较为严重的区域,可能对区域水环境与水生态造成严重危害[9,81]。
针对交汇区的水生态环境问题,研究人员分别从工程与调度角度研究提出相应的改善措施。王冰洁等[75]提出的堤线优化整流措施,在改善水流流态的同时,还可进一步抑制污染带的形成。Ribeiro等[82]的研究表明,通过支流河口局部拓宽可大大增加交汇区内河床地貌、流速和水深等特征的多样性,有利于为更多生物群提供合适的栖息地,增加河流生物多样性。李强[76]提出可通过上游闸站调度创造“人造洪峰”改善交汇区下游水动力条件,提升水环境质量,而且“人造洪峰”瞬时流量越大,对下游水动力改善效果越明显。但在水资源紧缺的情况下,使用过大的流量防止黑臭水体的形成并不现实,而且单一的水力调控模式无法协调水灾害-水资源-水生态环境多目标需求。针对交汇区洪水下泄与水污染防治之间的尖锐矛盾,夏军等[83]提出的水质-水量-水生态联合耦合模拟技术研究了不同防污调度方案对支流污染团下泄的缓解作用,发现通过加强闸坝群联合调度,采用分期蓄水、分时下泄的方式可以逐步有序下泄上游污水,并利用河道水环境容量对污染物进行充分降解。综合来看,多目标复合水力优化调控模式是协同保障交汇区防洪与水生态环境安全的有力手段。
4 研究展望
自20世纪40年代以来,国内外众多学者基于试验研究、数值模拟、野外观测与理论分析针对河流交汇区开展了大量的研究工作,对各种类型的河流交汇区的水动力学特性与污染物输移特征有了较为系统的认识。河流交汇区作为河网关键控制节点,对于整个河网的防洪减灾、水环境与水生态安全等具有举足轻重的影响。出于水生态文明建设需求,今后针对河流交汇区的研究与探索应更加关注交汇区的水安全问题。
(1)目前针对交汇河流的研究主要集中于恒定水流条件,然而,天然河流系统中的水流往往是非恒定的,尤其在河水涨落与闸门启闭期间,河道水流流态的变化十分明显。进一步研究非恒定流条件下的交汇区水流结构与物质输移特征,将有助于推动交汇区紊流与物质输移理论的发展与完善,并为水工程水环境调控提供重要理论支撑。
(2)当前研究多针对污染物掺混现象进行定性描述,从根本上讲,污染物的掺混输移特征主要取决于交汇区的水流时均与紊动结构。因此,如何基于交汇区水动力学特征进一步揭示污染物的输移机理,明确污染物输移扩散关键参数与水动力条件之间的响应关系,是精准实施河网污染控制与水环境管理所面临的重要科学问题。
(3)单一的工程措施或水力调控措施无法满足交汇区防洪安全与水环境安全等多重需求,如何通过合理的水工程布局与水力调控系统解决交汇区汛期行洪不畅、污染物滞留、防洪与防污矛盾凸显等水安全问题,是当前统筹水网水资源、水生态、水环境、水灾害系统治理所面临的一大关键技术难点,还有待深入研究与探索。