不同河流地貌单元中潜流带温度时空变异性

《Sustainability》：Spatiotemporal Variability of Temperature in the Hyporheic Zone Across Different Channel Geomorphic Units

　　

潜流带交换过程受河道形态强烈影响，产生具有显著垂直分异特征的热传输模式。为评估不同河流地貌单元对潜流带温度动态的影响，研究人员在夏家寺河（湖北省）一段包含四种典型河道类型的河段建立了监测站点，包括弯曲段、深潭-浅滩段、堰坝段和直线段。于夏季和冬季两个时期，在多个深度（0、0.1、0.2和0.3 m）记录了潜流带温度。结果表明，河道形态 strongly controls 潜流带温度的时空分布。在所有河道类型中，沉积物温度均表现出随深度增加的振幅衰减和相位滞后现象，夏季平均温度随深度增加而降低，冬季则随深度增加而升高。弯曲段表现出最高的夏季温度（28.3–30.6 °C），而深潭-浅滩段则显示出最陡的温度梯度（深层沉积物温度低至25.6 °C）。相比之下，直线段的热缓冲能力最弱。堰坝的存在显著改变了下游热状况，夏季使沉积物温度降低约1.6–3.2 °C，而冬季整体观测则表现出明显的热力逆增现象，深层沉积物温度升高1.2–2.9 °C。这些发现表明，不同的地貌单元创造了多样的热生态位；河流管理者可将多样化的地貌特征纳入河流恢复设计中，以创造局域化的热避难所，从而保护对温度敏感的水生物种。

潜流带（hyporheic zone）是地表水-地下水相互作用的重要生态交错带（ecotone），对维持河流生态健康具有关键作用。温度作为驱动生物代谢速率和生物地球化学过程的核心因素，其时空分布特征直接影响着底栖无脊椎动物和微生物的生存环境。在全球气候变化日益加剧的背景下，河流热状况正面临极端气象事件的严重威胁，潜流带在调节河流水温、提供热避难所方面的功能愈发重要。然而，已有研究多集中于单一地貌单元的热机制分析，缺乏对多种典型地貌单元潜流带温度场时空分布的整合比较，这制约了对河流廊道恢复中热环境调控的系统性认知。基于此，研究人员在《Sustainability》发表了这项研究，旨在揭示不同河道地貌对潜流带温度动态的调控机制，为优化河流生态恢复策略提供科学依据。

研究人员在湖北省武汉市黄陂区夏家寺河流域开展了野外连续监测。该流域位于长江中下游，属典型亚热带季风气候，年平均气温16.3°C，能在一定程度上代表中纬度河流系统特征。实验河段全长约26 m，包含弯曲段（7 m）、深潭-浅滩段（8 m）、堰坝段（6 m）和直线段（5 m）四种典型河道地貌，整体河曲率约为1.08。研究人员在每个地貌单元部署了垂直温度监测阵列，使用DS1922L iButton温度记录仪（分辨率0.0625 °C，精度±0.2 °C）在沉积物-水界面（0 cm）及10、20、30 cm深度进行连续监测，记录间隔为10分钟。夏季监测期为2023年8月13日至21日，冬季监测期为2023年12月31日至2024年1月7日。数据处理采用MATLAB（R2023a）进行时间序列分析，利用meshgrid函数和contourf算法生成二维时空温度梯度连续填充等值线图，并通过单因素方差分析（one-way ANOVA）及Tukey's HSD事后检验比较不同地貌单元的垂直温度梯度差异。

**弯曲段潜流带温度时空变化**

弯曲段监测结果显示，各站点温度振幅随沉积物深度增加而减小，峰值逐渐降低且相位滞后愈发明显。夏季沉积物-水界面温度波动剧烈，范围为26.3 °C至35.6 °C，W1站点记录最高温度，W4站点最低，体现了太阳辐射对表层的强烈影响；而在0.3 m深度，温度波动较为缓和，范围为27.5 °C至29.6 °C，W2温度最高、W4最低，展示了深层沉积物的热缓冲效应。上下层垂直温差为1.4–2.0 °C，W1差异最大，W3最小。冬季观测呈现相反趋势：随深度增加，温度振幅逐渐减小，绝对温度趋于升高，且峰值相位滞后愈发显著。沉积物-水界面冬季温度范围为4.4 °C至11.1 °C，最高温和最低温均出现在W5站点。夏季所有监测点平均温度随深度增加而降低，如W1从30.5 °C降至28.9 °C，W3在界面处记录最高平均温度（30.5 °C）；冬季则相反，W1平均温度从7.9 °C升至9.0 °C，W2从8.0 °C升至8.8 °C。

**深潭-浅滩段潜流带温度时空变化**

深潭-浅滩段河床温度空间分布非均匀，随深度增加出现显著的振幅衰减和相位滞后现象，不同深度和位置的地下水温度呈现 distinct spatiotemporal heterogeneity。受日气温变化影响，浅水层温度呈明显正弦波动，而深层波动大幅衰减，相对于浅水层存在明显相位滞后。夏季沉积物-水界面温度范围为26.1 °C至36.7 °C，T2最高、T1最低；T3记录最高平均界面温度（30.3 °C），T4最低（29.8 °C），垂直方向温度随深度增加而明显降低。冬季界面温度范围为3.1 °C至11.2 °C，最大和最小温度均出现在T1站点；T4平均界面温度最高（9.5 °C），T1最低（6.3 °C），随深度增加平均温度普遍升高，T2、T3和T4变化尤为显著。等深度条件下，温度沿纵向剖面从T1至T4逐渐升高，表明沉积物存在从浅滩向深潭递增的清晰热梯度。

**堰坝段潜流带温度时空变化**

夏季堰坝段D1–D4站点沉积物-水界面温度范围为25.8 °C至35.6 °C，D1最高、D4最低。D1和D2站点界面与0.1 m深度温差极小（均<0.1 °C），而0.2 m和0.3 m深度降幅较大；D3和D4温度随深度逐渐增加而降低，D4降幅最显著，从界面29.4 °C降至0.3 m处26.6 °C。总体而言，堰坝结构下游平均沉积物温度低于上游，反映了高夏季流量条件下较冷的上升地下水与地表水混合的影响。冬季热模式反转：D3界面温度最高（9.0 °C），D2最低（8.1 °C）；随深度增加，各站点温度上升，D3和D4尤为明显，0.3 m深度分别达到11.5 °C和11.6 °C。冬季地表径流减少，地下水占主导，相对较暖的地下水入渗提升了沉积物温度，尤其在堰坝结构下游，增强的水交换放大了增温效应。

**直线段潜流带温度时空变化**

夏季Z1站点温度波动范围为24.0–33.2 °C，Z2为24.6–33.9 °C；沉积物-水界面温度范围为26.0–33.9 °C，Z2最高、Z1最低；0.3 m深度范围为24.0–29.7 °C，同样Z2最高、Z1最低。冬季Z1波动范围为8.6–11.4 °C，Z2为7.1–10.7 °C。夏季Z2平均界面温度（30.4 °C）高于Z1（29.0 °C），随深度增加两站点平均温度均降低，Z1从29.0 °C降至26.1 °C，Z2从30.4 °C降至27.1 °C。冬季平均温度随深度增加而升高，0.1 m深度Z1为9.2 °C、Z2为9.3 °C，0.2 m分别升至10.3 °C和10.4 °C；温度波动振幅随深度增加而减小，同时平均温度升高，且存在明显的相位滞后效应。

**不同地貌单元垂直温度梯度比较**

单因素方差分析证实，所有季节和深度下，沉积物剖面温度分布对河道形态高度敏感（p < 0.001）。夏季，形态均一的直线段在整个垂直剖面（0–0.3 m）的温度显著低于形态复杂河段，而弯曲段和堰坝段保持较高温度。冬季，直线段在沉积物-水界面（0 m）记录最低温度，但在最深层（0.3 m）却表现出最高温度，这一鲜明对比产生了所有评估地貌单元中最极端的垂直温度梯度（约3.18 °C）。

讨论部分首先分析了典型夏冬季温度差异的驱动机制。夏季高流量地表水是潜流带的主要补给来源，增强了沉积物剖面内的垂直热交换；冬季地表水径流减少，深层相对稳定的潜流带孔隙水对沉积物温度影响增强，从而产生随深度增加的逆向增温梯度。研究人员利用达西定律（Darcy's Law）估算各地貌单元垂直交换通量，结果表明局地垂直平流强度足以解释观测到的垂直温度剖面。气象条件的季节差异进一步调节这一热状况：夏季强烈太阳辐射和日气温波动通过水热交换传递至潜流带，加剧沉积物-水界面热波动；冬季较低且稳定的气温则减小了地表水与深层孔隙水的热梯度，使潜流带温度更为均一。

不同深度温度分布模式存在显著季节差异。夏季所有地貌段均随深度增加而降温，如深潭-浅滩段T4从29.8 °C降至25.6 °C，降幅达4.2 °C，这归因于太阳辐射加热地表水，热量通过热传导向下传递但随深度增加而耗散。冬季则相反，温度随深度增加而升高，如深潭-浅滩段T4从9.5 °C升至11.9 °C，增幅2.4 °C，这与冬季河流补给机制的季节性转变密切相关——减少的地表水径流使深层潜流带孔隙水成为主要补给源，其相对稳定的热条件对浅层沉积物产生增温影响。

不同河道地形的温度响应特征分析表明，地貌复杂性对两季潜流带温度均有高度显著影响（p < 0.001）。弯曲段中，离心驱动力导致水流和沉积动力学空间变化，凹岸流速高、侵蚀强，凸岸流速慢、淤积明显，造成显著的空间热异质性。深潭-浅滩段中，深潭区局部流速降低促进细颗粒沉积物沉积，渗透性相对较低，结合更大水深，增强了深层热稳定性并减少热损失。堰坝段表现出最显著的温度调节效应：夏季下游温度低于上游，如水跃（hydraulic jump）可能促进了与较冷深层孔隙水的局地热混合；冬季下游增温更为显著，D4在0.3 m深度比界面高2.9 °C，表明堰坝结构增强了深层潜流带孔隙水与表层之间的垂直热传输。直线段地形相对平缓，沉积物温度空间变异性最小，但水深差异仍造成轻微温度变化。地形主要通过三种途径调节沉积物温度分布：直接通过改变流速和湍流等水动力条件影响地表水-深层孔隙水交换强度；通过侵蚀-沉积作用改变沉积物粒径组成和渗透性从而改变热传输速率；以及通过改变河床水文连通性。

研究结论表明，研究人员在开展野外监测以研究不同地貌河段潜流带温度时空动态的过程中，揭示了河床沉积物中一致的垂直热模式特征：随深度增加呈现逐渐的振幅衰减和明显的相位滞后。典型夏冬季之间存在显著分异：夏季温度沿垂直剖面降低，而冬季出现逆向增温趋势。单因素方差分析证实，河道地貌对两季垂直温度分布具有高度显著影响（p < 0.001），凸显了沉积物热状况对河段尺度地形变化的深刻敏感性。不同地貌单元间亦存在显著热异质性：弯曲段、深潭-浅滩段和堰坝段等复杂河道形态作为有效的热缓冲体，对局地热传输产生更强的调节效应，这与形态均一的直线段形成鲜明对比，后者始终表现出最弱的热缓冲能力。尤其值得指出的是，堰坝段在典型夏冬监测期对垂直温度梯度的调节效果最为显著。这些地形特征通过调节热量的空间分布，为河流生态恢复中热避难所的建立与维持提供了宝贵见解。这些野外观测结果验证了研究人员关于地形驱动热调节的初始假设，凸显了将地貌复杂性纳入河流管理的必要性。研究同时承认存在一定局限性：所选监测期虽能代表各季节典型水文气象条件，但未考虑更广泛的年际气候变异性；此外，26 m实验河段内精细空间尺度的潜流带交换流径很可能存在重叠，将特定热信号明确归因于个别地貌单元仍具挑战性。未来研究应整合连续温度监测与直接物理水力测量，并采用VFLUX 2程序等分析工具量化垂直交换通量，结合三维多物理场模拟（如COMSOL Multiphysics），以全面揭示潜流带内复杂的水热相互作用。