水库运行通常会引起河流水位的频繁波动,这种波动会持续到下游很长一段距离,迫使河水进出河岸带,使得河岸带温度场和水分场重新分布。了解水位波动下河岸带水-热动态变化规律对河流水资源管理、地下水抽取及生态系统的可持续性至关重要。本文选取湖南省洞庭湖典型洲滩断面为研究对象,基于理论分析、野外试验以及数值模拟等方法,就水位波动条件下洲滩水-热动态变化特征问题开展研究,并将其应用推广。主要研究成果如下:(1)通过对洞庭湖洲滩实测数据分析可知,在整个监测期间,洲滩温度场及水分场均呈现明显的时空变化。洲滩温度场在水平方向上温度波动幅度较小,而在垂直方向上分层现象明显,温度随深度的增大而升高,呈现出“上冷下暖”的现象,且温度波动的幅度及日变化随深度的增加而衰减。而洲滩水分场随着深度的增加,土壤水分含量的波动幅度逐渐减小,深层(>50 cm)土壤水分含量基本保持稳定。在水平方向上,随着离岸边距离的增加,各监测井距离地表同一深度的土壤水分含量波动幅度也逐渐减小。另外,洞庭湖洲滩的土壤水分含量和湖水位之间的相关性随着深度的增加呈先增强后减弱的趋势。其中,浅层及深层的土壤水分含量和湖水位之间均呈无显著相关性,地表以下50 cm至70 cm深度处土壤水分含量与湖水位相关性较高。(2)基于上述野外实测数据,采用COMSOL Multiphysics有限元软件构建了洞庭湖洲滩流-热耦合数值模型,并采用均方根误差(RMSE)、纳什效率系数(NSE)以及相对误差(Re)对模型的模拟精度进行了评估,拟合效果良好,率定后的洲滩流-热耦合数值模型能够较好地刻画水位波动以及地表辐射等复杂边界条件下洞庭湖洲滩的温度动态变化过程。模拟结果表明,在高水位期,由于湖水入渗,洲滩温度梯度随深度的增加而减小,低水位期环境辐射温度对洲滩内部温度场的影响范围比高水位期更大,使得洲滩温度梯度则相对稳定,且略大于高水位期。(3)全局灵敏度分析结果表明,渗透系数(Ks)对模型的敏感性影响最大,其次为孔隙率(n)和土壤导热系数(λs)。而饱和含水率(θs)、残余含水率(θr)和土体比热容(Cs)对模型的影响不显著。另外,参数对模型的敏感性越高,与其他参数的相互作用也越大。(4)将构建的洲滩流-热耦合模型及方法应用推广至其他同类型的河流、湖泊流域,从验证结果来看,建立的河道二维全横断面流-热耦合数值模型中各观测点温度的模拟值与实验值较为吻合,数值的差异相对较小,模型评价指标均在合理范围内。因此本文所构建的河道二维全横断面流-热耦合数值模型及数值模拟方法基本可靠。(5)利用Hatch振幅法解析模型对由潜流带固有的多尺度特征以及空间变异性的垂向通量估算的不确定性进行了分析,并绘制不同季节河道全断面潜流通量空间分布图,结果表明:长期通量在-111.78至86.07 L/m2/d之间,在季节性变化条件下,夏季平均潜流通量为-44.35 L/m2/d,到冬季时平均潜流通量降为-36.78 L/m2/d。通量大小随深度的增加中呈现出非单调性变化,充分体现了其变化特征的空间异质性。且不论冬、夏,靠近河岸地区的潜流通量比河段中部地区更大,且左岸通量普遍大于右岸。同时,通过观察冬、夏季河道全断面潜流通量空间分布与河道剖面温度场分布的相似性,发现季节性变化条件下河流平均潜流通量的空间分布可以明显地通过相应季节的河道剖面温度场表现出来。综上所述,对水位波动条件下洲滩水-热动态变化特性开展野外试验及数值模拟研究,不仅能揭示水库运行导致水位频繁波动下的河岸带土壤水-热运移规律、刻画水位波动过程中的河岸带水-热状况,而且能为季节性河流、湖泊土壤水-热资源的有效利用,地表水、地下水资源评价,水土保持,环境保护等方面的研究提供理论支撑和科学依据。