方紅衛(wèi)，何國(guó)建，黃 磊，劉 延，韓 旭，趙陳煒

（清華大學(xué) 水利水電工程系，水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

1 什么是生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)

生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)是研究河流中水沙輸移及床面形態(tài)與河流生物化學(xué)過(guò)程之間耦合關(guān)系的科學(xué)。泥沙顆粒的表面特性與輸移規(guī)律及其生態(tài)影響機(jī)制研究是生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)的核心內(nèi)容，通過(guò)確定河流系統(tǒng)（包括水庫(kù)、湖泊等）中水沙對(duì)水體生物以及水體生物對(duì)于水沙相互作用的函數(shù)關(guān)系，建立模擬模型，以恢復(fù)和保護(hù)河流水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能維持河流生態(tài)健康為基本目標(biāo)，緩解人類活動(dòng)或極端自然災(zāi)害的影響。

傳統(tǒng)的河流動(dòng)力學(xué)主要研究泥沙顆粒在重力、流水、波浪和風(fēng)力作用下的沖刷、搬運(yùn)和沉積過(guò)程［1-2］?；诤恿鲃?dòng)力學(xué)，從宏觀的角度研究河流的形成與演變，則形成了河床演變學(xué)［3］。從河流動(dòng)力學(xué)到河床演變學(xué)，研究從微觀逐步過(guò)渡到宏觀尺度，又相輔相成。如長(zhǎng)江流域中干流與洞庭湖、鄱陽(yáng)湖的水沙關(guān)系，根據(jù)河床演變學(xué)的原理，狹義的江湖關(guān)系指江湖演變關(guān)系，即洞庭湖、鄱陽(yáng)湖等湖泊和長(zhǎng)江干流的河相關(guān)系受水沙條件變化的影響，發(fā)生的江湖演變。河相關(guān)系中三個(gè)主要的函數(shù)變量分別為水位、河寬和比降，確定三個(gè)函數(shù)變量隨水沙條件變化的影響，就是確定江湖演變關(guān)系。然而隨著長(zhǎng)江上游大規(guī)模水利工程的建設(shè)和運(yùn)行，長(zhǎng)江中下游的水沙過(guò)程發(fā)生了較大變化，河道普遍發(fā)生沖刷，出現(xiàn)了長(zhǎng)江分流洞庭湖的分流分沙比下降，鄱陽(yáng)湖枯水期提前，長(zhǎng)江口咸潮增加等現(xiàn)象，進(jìn)而影響了長(zhǎng)江中下游的水質(zhì)安全和水生態(tài)環(huán)境安全。由水沙關(guān)系變化引起水生態(tài)環(huán)境的變化的研究，就促成了生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)這一學(xué)科的產(chǎn)生。

生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)基于傳統(tǒng)的河流動(dòng)力學(xué)、河流生態(tài)學(xué)等學(xué)科中基本的概念和方法，通過(guò)學(xué)科交叉尋求河流生態(tài)系統(tǒng)中水沙輸移的生態(tài)學(xué)影響機(jī)制。相對(duì)生態(tài)水力學(xué)和河流生態(tài)學(xué)而言，更加注重泥沙輸移及表面特性這一關(guān)鍵物質(zhì)物理化學(xué)特性對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響，在中觀和微觀尺度層面建立水動(dòng)力學(xué)、泥沙輸移、水環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng)之間耦合關(guān)系的理論體系，進(jìn)而通過(guò)模擬模型的方法，揭示上述復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演化，確定演化過(guò)程導(dǎo)致的相容性，并逐步應(yīng)用到大江大河的水生態(tài)環(huán)境評(píng)估和治理中。

2 生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)研究的理論框架

河流兩岸自古以來(lái)即為人類繁衍生息之所，但河流中極端的水沙過(guò)程也給人類帶來(lái)災(zāi)害，在某種程度上改變河流的自然狀態(tài)和過(guò)程，確保人類的防洪和供水安全，就是變水害為水利。水利工程修建后，對(duì)于自然水沙過(guò)程的改變也必將影響河流的生態(tài)與環(huán)境。人們較早就意識(shí)到河流生態(tài)環(huán)境的需水量問(wèn)題［4］，并提出了多種生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算方法。隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高和發(fā)展，人們提出了環(huán)境流的概念，進(jìn)而提出研究水文情勢(shì)變化對(duì)于生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)等［5］。生態(tài)水力學(xué)雖然涉及到棲息地水力條件的研究，與床面的形態(tài)與構(gòu)成相關(guān)，但沒(méi)有涉及泥沙的輸移及其生物化學(xué)過(guò)程影響，在研究?jī)?nèi)容上側(cè)重點(diǎn)有一定區(qū)別。生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)涉及水沙過(guò)程與生態(tài)要素之間的雙向調(diào)節(jié)的機(jī)制，但生態(tài)要素對(duì)于水沙變化的響應(yīng)及評(píng)估是生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)研究的落腳點(diǎn)。

水流強(qiáng)度決定了河道對(duì)泥沙的輸運(yùn)能力、河床地形的起伏變化，泥沙顆粒自身物理化學(xué)特性又決定了其對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽、污染物、細(xì)菌等物質(zhì)的吸附功能，二者結(jié)合，對(duì)水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響，如圖1所示。首先，水流強(qiáng)度、床面泥沙顆粒特性一起決定了河床表面有機(jī)物以及生物膜的生長(zhǎng)情況，進(jìn)而影響底棲動(dòng)物的生長(zhǎng)；其次，水體中泥沙顆粒影響水體濁度，從而影響水體中浮游動(dòng)植物必需的光照強(qiáng)度，同時(shí)水體中泥沙顆粒會(huì)吸附營(yíng)養(yǎng)鹽，隨水流的沉降和再懸浮影響浮游動(dòng)植物的生長(zhǎng)；再次，水流強(qiáng)度決定了床面泥沙的沖淤變形，影響底泥有機(jī)質(zhì)含量，從而影響床面水生植物的生長(zhǎng)。這些模塊形成了生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容，對(duì)河湖生態(tài)的健康評(píng)估有著重要的意義。

圖1 生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)涉及的主要內(nèi)容

3 研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)

3.1 水沙輸移中的紊流及微床面影響我國(guó)河流水少沙多，占世界5%的水量輸送了30%的泥沙，泥沙輸移過(guò)程一直是泥沙工作者的關(guān)注重點(diǎn)。傳統(tǒng)的泥沙研究，包括泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)、河床演變、模擬模型三大理論體系。河流動(dòng)力學(xué)作為其重要的學(xué)科基礎(chǔ)，主要考慮泥沙的淤積與沖刷，解決河流水庫(kù)安全運(yùn)行等方面的問(wèn)題。

河流動(dòng)力學(xué)中主要的物理變量包括流量、流速、水深、懸移質(zhì)含沙量、推移質(zhì)輸沙率、河床變形、泥沙級(jí)配等，也包括泥沙運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因子，例如沉速、起動(dòng)流速、挾沙力、濃度分布曲線等［1，6］。水沙數(shù)學(xué)模型是近三十年來(lái)泥沙學(xué)科中最活躍的部分［7-8］，通過(guò)一、二、三維數(shù)值方法解決泥沙的沖淤預(yù)測(cè)，為工程泥沙研究提供了科學(xué)的研究方案。

近年來(lái)隨著環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題需求的提出，環(huán)境和生態(tài)變量對(duì)于新的物理變量，包括微地形的演變與發(fā)展，渦體結(jié)構(gòu)的解析，RANS與LES和DNS的結(jié)合，床面垂向物質(zhì)傳輸過(guò)程等越來(lái)越受到人們的關(guān)注。由水沙輸移過(guò)程帶來(lái)的環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題，往往發(fā)生在厘米到米的小尺度范圍之內(nèi)（如受污染泥沙的局部再懸浮、局部泥沙輸移率對(duì)鮭魚(yú)幼卵存活率的影響等），因此精確描述小尺度范圍內(nèi)的水沙輸移物理過(guò)程，成為了進(jìn)一步解決環(huán)境生態(tài)問(wèn)題的重要基礎(chǔ)。

采用大渦模擬計(jì)算方法，對(duì)平整河床、卵石夾砂、沙紋沙波和淺灘深槽等多種床面微地形上的水沙輸移過(guò)程進(jìn)行了研究［9-12］。對(duì)床面微地形上的水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精細(xì)描述，研究發(fā)現(xiàn)床面微結(jié)構(gòu)能夠極大地影響局部平均和瞬時(shí)流場(chǎng)，產(chǎn)生局部回流，斷面二次流等非均勻流場(chǎng)。非均勻流場(chǎng)的出現(xiàn)，一方面增強(qiáng)了水流剪切速率，近床切應(yīng)力顯著增加；另一方面也大量產(chǎn)生渦結(jié)構(gòu)，并向下游輸移和發(fā)展。水流的非均勻性和瞬時(shí)性使得泥沙的輸移也具有了非均勻性和瞬時(shí)性。研究發(fā)現(xiàn)在水流切應(yīng)力較強(qiáng)的地方，如卵石上游床面處，泥沙沖刷、再懸浮等現(xiàn)象容易發(fā)生；而在近床水流瞬時(shí)流速較小處，如卵石下游回流區(qū)，會(huì)出現(xiàn)局部的泥沙淤積現(xiàn)象。

其次，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)泥沙學(xué)科定義的平均流速、平均床面切應(yīng)力等物理量既無(wú)法準(zhǔn)確描述泥沙輸移過(guò)程，也無(wú)法體現(xiàn)水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、水生生物的分布特性。近床渦結(jié)構(gòu)、瞬時(shí)流速等更加精細(xì)的物理量為精確描述近床泥沙輸移物理過(guò)程提供了新的支點(diǎn)。

基于大渦模擬計(jì)算方法，構(gòu)建了泥沙輸移和床面變形模型，該模型能重演平整河床到三維沙波的發(fā)展過(guò)程，揭示了三維沙波的形成與近床瞬時(shí)流速、近床渦結(jié)構(gòu)的密切關(guān)系。并根據(jù)瞬時(shí)流速與床面變化的相關(guān)關(guān)系，將三維沙波的形成分為三個(gè)主要階段：（1）微凸起的形成；（2）微凸起的融合；（3）回流區(qū)的形成。該研究結(jié)果對(duì)揭示天然河流沙波形成原因有重要意義。

床面附近的物質(zhì)垂向傳輸過(guò)程對(duì)河床底部溶解氧濃度、生物多樣性、污染物質(zhì)擴(kuò)散速度等環(huán)境生態(tài)問(wèn)題有著重要的影響，對(duì)于該問(wèn)題的研究，同樣需要考慮近床水流結(jié)構(gòu)和床面微形貌的相互作用關(guān)系。

采用均勻排列的圓球，對(duì)水沙交界面溶解氧等物質(zhì)的交換過(guò)程進(jìn)行了研究［13］，發(fā)現(xiàn)近床的猝發(fā)掃掠結(jié)構(gòu)，是影響近床物質(zhì)分布的重要因素。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在高雷諾數(shù)的水流中，水沙界面溶解氧的傳質(zhì)速率將不隨施密特?cái)?shù)Sc的改變而改變，而完全取決于床面粗糙高度（圖3）。該發(fā)現(xiàn)將使研究河床垂向物質(zhì)傳輸過(guò)程，從單一平均地計(jì)算施密特?cái)?shù)，向復(fù)雜瞬時(shí)地精確模擬三維傳輸過(guò)程轉(zhuǎn)變。近年來(lái)日益嚴(yán)峻的環(huán)境、生態(tài)問(wèn)題要求科學(xué)工作者在研究床面泥沙輸移過(guò)程時(shí)，必須局部、精確地描述在水沙界面發(fā)生的泥沙及物質(zhì)輸移過(guò)程?，F(xiàn)階段對(duì)影響泥沙運(yùn)動(dòng)的物理量已有較為基本的認(rèn)識(shí)：近床渦結(jié)構(gòu)和近床瞬時(shí)流速，但近床渦結(jié)構(gòu)對(duì)于生物膜、底棲動(dòng)物、水生植被的影響還處于起步階段，該方面還需要科學(xué)工作者進(jìn)一步的探索［14-15］。

圖2 卵石夾沙床面渦結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生與輸移［11］

圖3 水沙界面?zhèn)髻|(zhì)速率與施密特?cái)?shù)關(guān)系圖［13］

3.2 環(huán)境泥沙與營(yíng)養(yǎng)鹽及污染物輸移的關(guān)系對(duì)水環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注，使得泥沙學(xué)科不斷面臨新的挑戰(zhàn)。泥沙顆?！绕涫丘ば约?xì)顆粒泥沙——因其比表面積大、表面活性官能團(tuán)多，對(duì)水體中污染物有較強(qiáng)的結(jié)合能力［16-17］。泥沙與污染物（重金屬、有機(jī)污染物等）和營(yíng)養(yǎng)鹽（C、N、P、Si等）相互作用以及由此導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題，成為水質(zhì)安全的關(guān)鍵。這就要求我們泥沙學(xué)科從研究物理過(guò)程發(fā)展到同時(shí)考慮化學(xué)過(guò)程、生物學(xué)過(guò)程等，從單一的水沙通量發(fā)展到包括水沙、環(huán)境物質(zhì)等在內(nèi)的復(fù)雜通量。環(huán)境泥沙學(xué)科是近年來(lái)發(fā)展的一個(gè)新的學(xué)科方向［18］，主要解決由于河流輸沙及演變導(dǎo)致的污染物和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化，是確保水環(huán)境安全、河流生態(tài)系統(tǒng)健康等重要問(wèn)題的基礎(chǔ)。

圖4 泥沙顆粒表面形貌及污染物分布［18］

泥沙與污染物的相互作用屬于界面過(guò)程，受泥沙顆粒表面復(fù)雜的形貌、電化學(xué)特征影響，涉及泥沙表面曲率、孔隙特征、電荷分布等變量。高分辨率顯微觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，泥沙顆粒表面起伏不平，且存在各種尺度的孔隙［19-20］，對(duì)泥沙與污染物之間的相互作用產(chǎn)生重要影響［21］，見(jiàn)圖4?；趯?duì)大量泥沙顆粒表面形貌的統(tǒng)計(jì)分析，提出包含泥沙顆粒表面形貌信息的“數(shù)學(xué)泥沙”概念，用數(shù)學(xué)方程表征泥沙形狀和表面形貌，再現(xiàn)了由表面起伏與孔隙共同決定的泥沙顆粒復(fù)雜形貌，是研究泥沙輸移過(guò)程中泥沙與污染物質(zhì)相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)［22-23］。

表面電荷特性（尤其是表面電荷分布）是影響泥沙與污染物相互作用的重要因素［24］。借助靜電力顯微鏡，表征泥沙顆粒表面的非均勻電荷分布特性，并分析其與表面形貌之間的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)關(guān)系［25-26］；利用能譜儀統(tǒng)計(jì)分析污染物在顆粒表面不同微形貌處的分布概率［17，27-29］；結(jié)合泥沙顆粒表面官能團(tuán)表征，構(gòu)建非均勻電荷分布下泥沙顆粒與污染物相互作用的表面絡(luò)合模式，以刻畫(huà)污染物在泥沙顆粒表面的非均勻分布［30］。

基于上述微觀特性表征，綜合考慮顆粒自身因素（粒徑D、表面異質(zhì)性F2a、表面位密度Ns）和外界環(huán)境條件（pH、離子強(qiáng)度IS、水相濃度Ce、含沙量S），進(jìn)一步提出了顆粒吸附分配系數(shù)Kd的簡(jiǎn)化表達(dá)式，以得到污染物在水體與懸沙間的分配關(guān)系：

式中Qm=4.158I-0.027，

準(zhǔn)確模擬污染物在天然水體中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，對(duì)于水環(huán)境安全評(píng)估及修復(fù)措施制定至關(guān)重要。圖5為泥沙輸移和床面變形過(guò)程中污染物遷移轉(zhuǎn)化的概念模型［31-32］。該模型涉及對(duì)流擴(kuò)散、吸附解吸、沉降和再懸浮，以及水體層和底泥層間的層間交換，綜合考慮了污染物遷移所涉及的各種物理化學(xué)過(guò)程（R1—R13），重點(diǎn)關(guān)注泥沙輸移和沖淤變形對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響。采用分相模型，包括水體中溶解相（Cw）、懸沙上吸附相（Cs）和底泥相（CT b）污染物，可合理地反映天然水體中污染物隨泥沙顆粒的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，降低了泥沙輸移過(guò)程中污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬的不確定性。該模型已被應(yīng)用于三峽水庫(kù)、太湖和杭州灣的污染物遷移轉(zhuǎn)化研究等［32-35］。

圖5 河流泥沙磷遷移概念模型示意圖［31］

綜上所述，環(huán)境泥沙研究涉及微觀特性表征、機(jī)理過(guò)程研究、模擬模型構(gòu)建、以及宏觀規(guī)律討論等，從微觀層面出發(fā)，結(jié)合水利、環(huán)境和化學(xué)等多學(xué)科知識(shí)來(lái)解決復(fù)雜宏觀問(wèn)題。不過(guò)目前大部分對(duì)泥沙與物質(zhì)相互作用的研究還集中于營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬，對(duì)其他物質(zhì)還較少，同時(shí)天然泥沙是多種礦物成分的復(fù)合體，包括石英、長(zhǎng)石、方解石、高嶺土、蒙脫石和赤鐵礦等；需要研究不同礦物與污染物的相互作用，并將其擴(kuò)展至天然泥沙。

3.3 浮游植物與水沙輸移的相互影響浮游植物在水生生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞中起著至關(guān)重要的作用，其過(guò)度繁殖會(huì)破壞水體的生態(tài)健康。近年來(lái)，我國(guó)許多江河、湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化和水華問(wèn)題日益突出，出現(xiàn)了不少相關(guān)的報(bào)道和研究。三峽水庫(kù)自2003年開(kāi)始蓄水之后，大寧河、香溪河、神農(nóng)溪、梅溪河、小江等多條支流均暴發(fā)了不同程度的水華［36］，庫(kù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻，這一問(wèn)題也引起了廣泛的關(guān)注。生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)，主要研究水流和泥沙對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的影響。

首先是水動(dòng)力的作用能夠直接影響浮游植物的生長(zhǎng)速率，也能通過(guò)改變浮游植物的位置而間接影響其動(dòng)態(tài)。不少學(xué)者研究了流速對(duì)于浮游植物生長(zhǎng)和分布的影響，認(rèn)為低流速對(duì)于浮游植物的繁殖有一定的促進(jìn)作用，而過(guò)高的流速則會(huì)抑制浮游植物生長(zhǎng)。也有研究分析了流量［37］、水體擾動(dòng)［38］、紊動(dòng)［39-40］、剪切流［41］等因素與浮游植物的生長(zhǎng)或生物量之間的關(guān)系。此外，水流能夠通過(guò)改變浮游植物周?chē)墓庹諒?qiáng)度、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、水溫分布等環(huán)境條件從而影響浮游植物的生長(zhǎng)與代謝。然而，實(shí)際情況下各種水動(dòng)力因素通過(guò)直接作用和間接作用對(duì)浮游植物產(chǎn)生綜合影響，這些復(fù)雜影響的作用機(jī)理有待于深入探究。

懸沙的存在還會(huì)降低水體的透明度，增大光衰減系數(shù)，減少水體中的光照強(qiáng)度，從而降低浮游植物的光合速率，抑制其生長(zhǎng)。公式P=PM·f1（N）·f2（I）·f3（T）通常被用于表示環(huán)境因子對(duì)于浮游植物生長(zhǎng)速率的影響，其中P、PM為浮游植物的實(shí)際和最大生長(zhǎng)速率，f1（N）、f2（I）、f3（T）分別代表營(yíng)養(yǎng)鹽、光照強(qiáng)度和溫度對(duì)于生長(zhǎng)速率的限制系數(shù)，這三個(gè)系數(shù)的取值均介于0和1之間。水下光照強(qiáng)度的分布滿足指數(shù)衰減規(guī)律，因此當(dāng)懸沙使得光衰減系數(shù)增大時(shí)，水下光強(qiáng)會(huì)顯著減小，進(jìn)而導(dǎo)致光照限制系數(shù)f2（I）和浮游植物生長(zhǎng)速率P減小。

泥沙表面對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的吸附和解吸作用也會(huì)間接影響浮游植物的生長(zhǎng)。泥沙顆粒（尤其是黏性細(xì)顆粒泥沙）具有復(fù)雜的表面形貌和較大的比表面積，能夠吸附營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬、有機(jī)污染物等，特別是對(duì)于磷酸鹽具有很強(qiáng)的吸附作用［32，42］。目前在大部分湖泊和部分江河中磷是浮游植物生長(zhǎng)的主要限制元素，泥沙對(duì)于磷酸鹽的吸附減少了水體中溶解態(tài)的無(wú)機(jī)磷，導(dǎo)致水體中能被浮游植物吸收利用的磷元素減少，營(yíng)養(yǎng)鹽限制系數(shù)f1（N）減小，即對(duì)浮游植物的生長(zhǎng)起限制作用。

圖6 靜態(tài)條件下不同粒徑長(zhǎng)膜泥沙的測(cè)量值和模擬值的對(duì)比和各自擬合的增長(zhǎng)和自動(dòng)脫落項(xiàng)的對(duì)比［47］

當(dāng)泥沙發(fā)生沉積或再懸浮時(shí)，同時(shí)會(huì)引起水體和底泥之間的營(yíng)養(yǎng)鹽發(fā)生交換，從而影響浮游植物的生長(zhǎng)。例如，泥沙的再懸浮通常會(huì)增加水體中可供利用的營(yíng)養(yǎng)鹽，使得浮游植物生物量增加，同時(shí)可能改變浮游植物的群落結(jié)構(gòu)。然而，有時(shí)候雖然泥沙的再懸浮促進(jìn)了底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放，但同時(shí)也增加了水體濁度限制了光照條件，導(dǎo)致浮游植物生物量沒(méi)有明顯變化甚至反而減少［43］。

除此之外，泥沙也會(huì)吸附重金屬、有毒化合物，影響浮游植物的豐度［44］，或者夾帶浮游植物（或它的休眠體）進(jìn)入上層水體。

目前存在不少基于營(yíng)養(yǎng)鹽-浮游植物-浮游動(dòng)物（NPZ）框架的動(dòng)力學(xué)模型，像CE-QUAL-ICM、CAEDYM、Delft 3D-ECO、EFDC等，能夠預(yù)測(cè)浮游植物的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)多種浮游植物、營(yíng)養(yǎng)鹽、溶解氧等變量的時(shí)空變化進(jìn)行模擬。這些模型普遍具有結(jié)構(gòu)合理、功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的優(yōu)點(diǎn)。例如，環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型（EFDC）的水質(zhì)模塊中共包含22個(gè)狀態(tài)變量，以浮游植物的初級(jí)生產(chǎn)力和溶解氧濃度為核心，已被廣泛應(yīng)用于江河、湖泊、水庫(kù)、河口和海灣等區(qū)域的研究中［45-46］。不過(guò)這類模型幾乎沒(méi)有考慮水沙輸移對(duì)于浮游植物動(dòng)態(tài)的影響。今后還需進(jìn)一步結(jié)合環(huán)境泥沙研究成果，分析環(huán)境泥沙吸附解吸特性和床面變形對(duì)于浮游植物動(dòng)態(tài)的影響，并將其耦合到模型中。

3.4 生物膜生長(zhǎng)與水沙輸移的相互影響水體富營(yíng)養(yǎng)化為水生微生物大量繁殖提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，河流底質(zhì)床沙又為微生物的附著提供了良好的載體。微生物在底泥上附著并發(fā)展，生成生物膜結(jié)構(gòu)，形成“河流的微生物皮膚”。近年來(lái)隨著環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題的提出，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注河流湖泊底泥生物膜對(duì)整個(gè)水環(huán)境、水生態(tài)的影響。生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)中，重點(diǎn)關(guān)注生物膜生長(zhǎng)與水沙輸移的相互影響。

明確泥沙上生物膜的生長(zhǎng)規(guī)律是探究生物膜作用的基本前提，F(xiàn)ang等［47］分別研究了不同粒徑泥沙，在靜水和動(dòng)水條件下的生物膜生長(zhǎng)規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。根據(jù)圖6可知，泥沙上生物膜的生長(zhǎng)一般都是在40天左右達(dá)到峰值，然后開(kāi)始下降，最后趨于穩(wěn)定，其生長(zhǎng)規(guī)律符合Monod生長(zhǎng)模式，F(xiàn)ang等［47］根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果建立了綜合考慮溫度T、泥沙顆粒粒徑D、摩阻流速U*等影響的泥沙生物膜的生長(zhǎng)模型（其中，B為生物量，μmax為參考溫度T0B條件下的最大生長(zhǎng)速率，kinv，B和kD分別為生物量、泥沙粒徑的逆半飽和系數(shù)，βB表示溫度影響因子，cdet和cauto分別為水流引起的脫落系數(shù)和活性細(xì)菌引起的自脫落系數(shù)，B0為最小生物量，Bb為活性細(xì)菌濃度，μBb為參考溫度T0Bb條件下的最大生長(zhǎng)速率，βBb為溫度影響因子，kinv，Bb為活性細(xì)菌濃度的逆半飽和系數(shù)，kB為生物量B對(duì)活性細(xì)菌影響的半飽和系數(shù)，c′det為活性細(xì)菌脫落系數(shù)）：

為進(jìn)一步研究生物膜的生化過(guò)程及其對(duì)水沙過(guò)程、水環(huán)境和水生態(tài)的影響，需對(duì)生物膜中細(xì)菌進(jìn)行細(xì)致的分類，F(xiàn)ang等［48］采用RDP classifier貝葉斯算法對(duì)97%相似水平的OTU（Operational Taxonomic Units）代表序列進(jìn)行分類學(xué)分析，并在各個(gè)水平統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣品的群落組成，結(jié)果顯示了不同樣品中細(xì)菌的豐度圖，各樣品細(xì)菌類群各異等?？梢灶A(yù)見(jiàn)，細(xì)菌種類的差異將提供不同的固床作用和生態(tài)功能，對(duì)細(xì)菌的細(xì)化分類有助于進(jìn)一步闡明生物膜對(duì)水沙運(yùn)動(dòng)和河流生態(tài)的影響。

生物膜已廣泛存在于天然水環(huán)境中，河流床面上生物膜的生長(zhǎng)首先會(huì)影響泥沙基本物理性質(zhì)（形貌、結(jié)構(gòu)、密度、粒徑、流變特性等）［49-51］。方紅衛(wèi)等［52］采用環(huán)掃電鏡觀察生物膜泥沙形貌，認(rèn)為長(zhǎng)膜后泥沙表面形貌起伏減少。趙慧明等［53］通過(guò)激光共聚焦顯微鏡分析長(zhǎng)膜沙中膜和沙的占比，提出生物膜泥沙密度在1100～1500 kg/m3范圍內(nèi)。尚倩倩等［54］發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)膜沙粒徑相較干凈沙顯著增大，并提出了生物膜影響下的泥沙粒徑計(jì)算方法［51］，另外，F(xiàn)ang等［50］發(fā)現(xiàn)隨著生物膜的生長(zhǎng)，泥沙凝聚力越強(qiáng)，其流變性質(zhì)變化越顯著。上述基本物理性質(zhì)的改變，直接影響了泥沙動(dòng)力學(xué)過(guò)程（沉降，起動(dòng)，沖淤，推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，床面形態(tài)以及絮凝等）。綜合長(zhǎng)膜沙粒徑、密度、形貌阻力的變化［54-55］，Shang等［51］提出了長(zhǎng)膜沙沉降速度的計(jì)算方法。尚倩倩等［56］和方紅衛(wèi)等［57］通過(guò)水槽試驗(yàn)研究了長(zhǎng)膜沙的起動(dòng)條件，長(zhǎng)膜沙和干凈沙的起動(dòng)希爾茲曲線如圖7所示，可見(jiàn)長(zhǎng)膜沙的起動(dòng)更加困難［58］。此外，F(xiàn)ang等［59］利用PTV觀測(cè)長(zhǎng)膜沙在床面的躍移過(guò)程，并分析推導(dǎo)了長(zhǎng)膜沙的推移質(zhì)輸沙率公式。值得注意的是，床面生長(zhǎng)生物膜后，在相同水流強(qiáng)度下，其床面形態(tài)尺度會(huì)減小，對(duì)應(yīng)的水流阻力也隨之減?。?0］。另外，生物膜的存在又會(huì)影響水流紊動(dòng)特性［15，61］，進(jìn)一步影響床面泥沙運(yùn)動(dòng)。長(zhǎng)膜沙的基本物理性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)特性的探索，為建立長(zhǎng)膜沙輸移模型提供了基礎(chǔ)，趙慧明等［62］提出了長(zhǎng)膜沙一維輸移模型，F(xiàn)ang等［63］開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)膜沙輸移三維模型，這些模型有助于研究生物膜影響下的水沙過(guò)程及其帶來(lái)的河流環(huán)境、生態(tài)的效應(yīng)，為實(shí)際工程提供參考。目前已有學(xué)者研究生物膜對(duì)河流中C/N/P循環(huán)的作用，但仍在初步階段，還缺乏較為全面的認(rèn)識(shí)。

圖7 干凈沙與生物膜泥沙起動(dòng)曲線對(duì)比［63］

另外，我國(guó)河流中細(xì)顆粒泥沙較為普遍，而細(xì)顆粒泥沙輸移過(guò)程中往往伴隨著絮凝過(guò)程，傳統(tǒng)的黏性細(xì)顆粒泥沙的絮凝過(guò)程可分為碰撞和黏結(jié)兩個(gè)階段，一般通過(guò)DLVO理論將顆粒表面之間的相互作用力主要?dú)w結(jié)為范德華吸引力和靜電排斥力，并據(jù)此計(jì)算泥沙絮凝過(guò)程。但在生物膜影響下，生物膜橋架作用［64］、高分子吸附橋架作用和疏水作用力將不可忽略，往往會(huì)顯著增加泥沙的絮凝效應(yīng)，因此泥沙絮凝過(guò)程會(huì)與微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程產(chǎn)生密切關(guān)系［65］。由于大量的生源要素和污染物吸附在泥沙及其生物膜上，除了上述泥沙基本輸移過(guò)程之外，生物膜還會(huì)通過(guò)影響絮凝過(guò)程改變泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并進(jìn)一步影響河流生態(tài)過(guò)程。

3.5 床面植物對(duì)水沙輸移和環(huán)境的影響近年來(lái)隨著環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題的日益突出，河流、濕地等生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)重建成為了生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)研究的一項(xiàng)重要任務(wù)。研究主要分為三個(gè)方面，即植物對(duì)水流結(jié)構(gòu)、泥沙輸移及污染物擴(kuò)散的影響。

水流結(jié)構(gòu)是泥沙和污染物運(yùn)動(dòng)輸移的基礎(chǔ)，也是三者中研究較為成熟的一個(gè)。從1920年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者就開(kāi)始了植物對(duì)水動(dòng)力過(guò)程影響的研究。由于粗糙度或水流阻力直接影響著河道水位、流速等水流關(guān)鍵參數(shù)，常常被用來(lái)評(píng)估植物對(duì)水動(dòng)力過(guò)程的影響程度［66］。實(shí)際上，河道的粗糙度或水流阻力參數(shù)只可以反映整體上植物對(duì)水動(dòng)力過(guò)程的影響，植物對(duì)水動(dòng)力條件的影響受時(shí)空多種變量影響，包括植物種類和物理特性（如柔韌度）、植物密度及排列形式、時(shí)間及季節(jié)變化、水深、河道形態(tài)及河床物質(zhì)組成等。Yen［67］定義了一個(gè)象征流體阻力的參數(shù)公式，這個(gè)公式反映出描述植物與河道水動(dòng)力過(guò)程的相互作用時(shí)，需要考慮到許多因素才可以較為準(zhǔn)確的描述。

針對(duì)淹沒(méi)植被影響下河道的垂向平均流速，存在著兩區(qū)和三區(qū)劃分的觀點(diǎn)［68-69］。有關(guān)主槽及植被化河漫灘之間水流相互作用的研究，主要關(guān)注植物對(duì)水流橫向流速分布的影響。近岸植被的存在，使得近岸植被區(qū)流速遠(yuǎn)小于主槽流速，在主槽和灘地出現(xiàn)二次流，在兩者交接處形成大量的渦團(tuán)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的水流及動(dòng)量交換。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)學(xué)者建立了各種各樣的水深平均流速橫向分布的對(duì)數(shù)方程［70-71］。

在植被影響下，河道水流結(jié)構(gòu)的改變將對(duì)河道中泥沙的輸移沉降過(guò)程產(chǎn)生十分重要的影響，但目前這方面的研究都不夠成熟。研究發(fā)現(xiàn)，近岸植物可以有效捕沙，使得漫灘地成為泥沙容易淤積的地方，反過(guò)來(lái)，淤積的泥沙又可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，這個(gè)過(guò)程伴隨植物的演替不斷循環(huán)。泥沙淤積隨植物生長(zhǎng)的季節(jié)不同，也表現(xiàn)出差異。這個(gè)影響是由于不同季節(jié)下植物物理特性改變所產(chǎn)生的，有關(guān)研究通過(guò)對(duì)河段的實(shí)地測(cè)量也證明了這一點(diǎn)［72-73］。

近年來(lái)，植被存在對(duì)河流泥沙輸移沉積過(guò)程的影響研究越來(lái)越往定量化、精細(xì)化方向發(fā)展。López等［74］研究了植被影響下懸移質(zhì)泥沙的輸運(yùn)過(guò)程，利用k-ε及k-ω模型得到了植被影響下水流的結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)了懸移質(zhì)輸運(yùn)率的指數(shù)分布規(guī)律。Wu等［75］提出了彎曲植被河道水流、泥沙輸運(yùn)、河床形態(tài)分析的二維模型；Zong等［76］和Chen等［77］研究了植被斑影響下的水流結(jié)構(gòu)及泥沙沉降；Yager等［78］則重點(diǎn)研究了非淹沒(méi)植被對(duì)水流的紊動(dòng)結(jié)構(gòu)及推移質(zhì)輸移的影響，Liu等［79］通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，將有利于泥沙沉積的區(qū)域長(zhǎng)度與測(cè)量的植被斑直徑和高度的關(guān)系建立聯(lián)系，使得泥沙淤積的范圍得以預(yù)測(cè)。

床面植物也影響著河道中營(yíng)養(yǎng)物與污染物的擴(kuò)散與輸移過(guò)程進(jìn)而影響河道的水質(zhì)。根系與土壤水和地下水相互作用（對(duì)氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及重金屬等非營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收）；同時(shí)植物碎片也通過(guò)對(duì)河道內(nèi)沉積物、有機(jī)質(zhì)和相關(guān)化學(xué)物質(zhì)的侵蝕和沉積影響河流的水質(zhì)。此外，Noe等［80］證明了河岸營(yíng)養(yǎng)物的沉積和儲(chǔ)存與泥沙淤積同時(shí)發(fā)生，因而植物可以通過(guò)影響泥沙輸移的情況，間接影響載有污染物或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的泥沙。

近年來(lái)隨著人們對(duì)環(huán)境、生態(tài)問(wèn)題的日益關(guān)注，床面植物作為河流生態(tài)系統(tǒng)的重要一環(huán)，其影響不容忽視。不過(guò)現(xiàn)階段模型對(duì)植被和非植被交界處的水流模擬仍存在很大的誤差，這一點(diǎn)需要在未來(lái)工作中完善，同時(shí)床面植物對(duì)河道水流泥沙等物質(zhì)的影響程度隨植物種類、密度和年齡的變化而改變。在如此復(fù)雜的情況，如何定量地分析植被對(duì)水流結(jié)構(gòu)、污染物混合、泥沙沉降等作用的影響，依然需要科學(xué)工作者更加深入的理論探索研究。

3.6 底棲動(dòng)物與水沙輸移的相互影響底棲動(dòng)物主要棲息在河流、湖泊、水庫(kù)、河口海岸等水體的底部，是水生生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)中重要的中間環(huán)節(jié)，主要以浮游植物、細(xì)菌和有機(jī)碎屑為食物，被魚(yú)類和水鳥(niǎo)等高級(jí)動(dòng)物捕食，部分底棲動(dòng)物的幼蟲(chóng)會(huì)以魚(yú)類作為宿主。底棲動(dòng)物的濾食作用能夠降低水體的富營(yíng)養(yǎng)水平，并對(duì)重金屬有一定的生物利用度，起到改善水質(zhì)的作用。

傳統(tǒng)研究主要基于自然狀態(tài)下河流和湖泊中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析底棲動(dòng)物物種密度與水環(huán)境變量的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，將影響底棲動(dòng)物生長(zhǎng)和分布的因素分為水深、流速、底質(zhì)等水動(dòng)力因素，水溫、溶氧、重金屬等水質(zhì)因素，以及食物網(wǎng)中的生物因素，并由此構(gòu)建起底棲動(dòng)物的棲息地適宜性指數(shù)，用于評(píng)價(jià)和分析底棲動(dòng)物生長(zhǎng)和繁殖的可能性［81-82］。

河床底質(zhì)作為底棲動(dòng)物生長(zhǎng)和繁殖的棲息場(chǎng)所，也是底棲動(dòng)物獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和溶解氧的來(lái)源，是影響底棲動(dòng)物空間分布的關(guān)鍵因素［83-84］。而水利工程建設(shè)造成棲息地的來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生變化，使得底棲動(dòng)物的生物量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)［85］。

底棲動(dòng)物對(duì)泥沙的影響可分為兩類：生物擾動(dòng)與生物固結(jié)或沉降。

生物擾動(dòng)包括：（1）蓬松層相關(guān)的侵蝕。蓬松層是由大量底棲動(dòng)物挖掘與攝食過(guò)程產(chǎn)生的，糞球和類糞球材料占據(jù)了這層的80%。比如，一種普通的泥螺通過(guò)產(chǎn)生軌跡與糞球堆改變床面的粗糙度，Andersen等［86］發(fā)現(xiàn)當(dāng)種群密度達(dá)到每平方米10 000到50 000個(gè)的時(shí)候，會(huì)降低泥沙起動(dòng)流速，黏性泥沙的侵蝕率也會(huì)增大2～4倍。（2）生物地形造成的侵蝕。固著類生物的殼是推移質(zhì)的一部分，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)磨損泥沙表面，對(duì)于泥沙侵蝕有一定促進(jìn)作用。單個(gè)固著生物周?chē)哪嗌掣菀妆磺治g，比如，F(xiàn)riedrichs等［87］發(fā)現(xiàn)單個(gè)貝殼的出現(xiàn)，使得非固結(jié)泥沙起動(dòng)流速降低了40%。生物造成的地形可能會(huì)降低床面的穩(wěn)定性。

生物固結(jié)或沉降包括：（1）生物造成的沉降。積聚生長(zhǎng)的動(dòng)物增加了床面粗糙度，降低了水流流速，增加了向下的湍流摻混，因此會(huì)增加水體中細(xì)顆粒的沉降。Commito等［88］通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)亞洲貽貝積聚的床面造成的泥沙沉積是對(duì)照組的3倍以上。（2）生物造成的固結(jié)。許多底棲動(dòng)物會(huì)分泌黏液，將泥沙顆粒黏附或纏繞在一起。比如石蠅幼蟲(chóng)會(huì)產(chǎn)生大量的絲線，制作庇護(hù)所［89］。

底棲動(dòng)物作為河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，研究其分布、生長(zhǎng)規(guī)律具有十分重要的意義。不過(guò)，底棲動(dòng)物對(duì)水質(zhì)、其他水生生物的影響研究還存在較多的不足之處。首先床面泥沙形態(tài)會(huì)增大底棲動(dòng)物棲息地空間，對(duì)底棲動(dòng)物起到遮蔽作用，并能夠提高底棲動(dòng)物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和溶氧的獲取能力，但相關(guān)研究還不夠深入。同時(shí)，現(xiàn)階段關(guān)于生物構(gòu)造地形的研究大多集中在海洋環(huán)境，由于海底泥沙粒徑較小，其與山區(qū)河流普遍存在的礫石床面結(jié)構(gòu)存在較大差異，因此，山區(qū)卵礫石河床的近床水流結(jié)構(gòu)、水沙界面?zhèn)髻|(zhì)機(jī)理及潛流交換都會(huì)產(chǎn)生較大的變化。這方面的研究還需要進(jìn)一步探索。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

除了上述6個(gè)方面，魚(yú)類作為水生生態(tài)系統(tǒng)中食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的頂端生物，也是河流、湖泊等水生生態(tài)系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。魚(yú)類生活具有不同的行為，如索餌、越冬、生殖、集群、洄游等，這些行為除與魚(yú)類本身生物學(xué)狀態(tài)等有關(guān)外，還與外界環(huán)境因子（如：水溫、水深、流速、含沙量、透明度、地形、底質(zhì)及餌料生物等）有密切的關(guān)系，對(duì)應(yīng)不同的棲息環(huán)境［90-92］。與魚(yú)類生活相關(guān)的棲息地包括產(chǎn)卵場(chǎng)、索餌場(chǎng)、越冬場(chǎng)以及連接不同生活階段水域的洄游通道等，目前對(duì)魚(yú)類棲息地的研究還多集中于產(chǎn)卵場(chǎng)。

近年來(lái)，水利工程興建改變了水體的自然面貌，使某些環(huán)境條件發(fā)生急劇變化；水沙變化會(huì)從多方面影響魚(yú)類生活的“三場(chǎng)一通道”，造成歷史生境消失，影響魚(yú)類正常生活。

總體上，從水沙輸移物理過(guò)程，到營(yíng)養(yǎng)鹽和污染物質(zhì)輸移化學(xué)過(guò)程，再到水體及床面中各生物過(guò)程，這些相互作用的生物和非生物組分共同組成了河流生態(tài)系統(tǒng)，為人們提供生產(chǎn)、調(diào)節(jié)和文化等服務(wù)?！按篝~(yú)吃小魚(yú)，小魚(yú)吃蝦米，蝦米吃泥巴”，耳熟能詳?shù)闹V語(yǔ)中蘊(yùn)藏著樸素的食物鏈概念。在河流生態(tài)系統(tǒng)中，將上述各組分串聯(lián)，即“營(yíng)養(yǎng)鹽-生物膜-浮游植物-底棲動(dòng)物-魚(yú)類”，便形成了食物鏈結(jié)構(gòu)。借助食物鏈，生態(tài)系統(tǒng)不斷從環(huán)境中輸入能量/物質(zhì)，并向環(huán)境外輸出能量/物質(zhì)；同時(shí)通過(guò)微生物的礦化作用，系統(tǒng)中物質(zhì)得到循環(huán)，確保了河流生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定。生態(tài)系統(tǒng)是復(fù)雜的，具有很高的多樣性（比如：對(duì)底棲動(dòng)物的攝食研究表明，大部分類群都是雜食性的，這增加了食物鏈的復(fù)雜性，形成更為復(fù)雜的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)），也因此具有自我調(diào)節(jié)和緩沖能力［93］。

河流生態(tài)系統(tǒng)中水沙輸移過(guò)程與上述生物化學(xué)過(guò)程相互耦合，水沙變化通過(guò)作用于食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的各個(gè)組分，對(duì)整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。比如：水庫(kù)運(yùn)行引起清水下泄、下游河道沖刷，破壞床面生物膜和沉水植物等的生長(zhǎng)，使得底棲動(dòng)物的物理?xiàng)h(huán)境和食物來(lái)源等均遭受破壞，進(jìn)而影響魚(yú)類等其他水生生物的生存以及生態(tài)系統(tǒng)健康。因此，生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)需要立足于上述各個(gè)方面，從系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)角度出發(fā)，研究水沙變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響，以期對(duì)受損害河流生態(tài)系統(tǒng)提出潛在的生態(tài)修復(fù)措施。