正挑丁壩區(qū)魚類棲息地水力生境指標(biāo)分布特征數(shù)值模擬

姜 利，鄧曉龍，鐘 亮,2，陳鏡元，鐘雪怡，劉相乾，付 強(qiáng)

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074)

丁壩是常見的河道整治建筑物，具有改善航道、維護(hù)河相和保護(hù)水生態(tài)等作用。根據(jù)丁壩軸線與水流交角的不同，可將丁壩分為上挑丁壩、下挑丁壩和正挑丁壩3種，其中正挑丁壩軸線與水流方向呈90°交角，該類丁壩在航道整治工程中應(yīng)用廣泛。丁壩修建后形成的周圍緩流區(qū)是魚類生存棲息的重要場所[1]，在一定程度上對(duì)魚類生境具有改善作用[2-3]，開展丁壩區(qū)魚類棲息地水力生境指標(biāo)的分布特征研究，對(duì)河道魚類資源保護(hù)和生態(tài)航道工程建設(shè)等具有重要意義。

魚類生活棲息地包括“三場一通道”[4]，即產(chǎn)卵場、索餌場、越冬場以及連接不同生活階段水域的洄游通道，其中產(chǎn)卵場是重要且敏感的魚類棲息場所。為評(píng)估魚類與棲息地之間的關(guān)系，陳明千等[5]考慮魚類產(chǎn)卵場不同的水力學(xué)特性，結(jié)合各水力參數(shù)對(duì)魚類產(chǎn)卵的生態(tài)學(xué)意義，提出了以幾何形態(tài)特征、水體運(yùn)動(dòng)學(xué)特征及水體動(dòng)力學(xué)特征為要素層，以水深、流速、流速梯度、動(dòng)能梯度及渦量為指標(biāo)層的魚類產(chǎn)卵場水力生境指標(biāo)體系；馬里等[6]將魚類棲息地水力學(xué)指標(biāo)分為幾何特征、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、動(dòng)力學(xué)特征及無量綱量4類；楊宇等[7]將描述棲息地特征的水力學(xué)變量劃分為水流特征量、河道特征量、無量綱量以及復(fù)雜流態(tài)特征量；柏海霞等[8]將四大家魚產(chǎn)卵場水力學(xué)指標(biāo)分為水流運(yùn)動(dòng)特征指標(biāo)和能量特征指標(biāo)兩大類；易雨君等[9]基于四大家魚的繁殖特性分析，建立了水位變幅、流速及水溫的適宜度曲線，構(gòu)建了家魚的棲息地適宜度方程。目前已有部分學(xué)者將魚類產(chǎn)卵場水力生境指標(biāo)應(yīng)用于整治工程河段的生境評(píng)價(jià)中，比如，趙尚飛等[10]、Kolden等[11]應(yīng)用水生生物棲息地模型，研究了順直河道和丁壩河道不同流量條件下的魚類棲息地適宜性；蔣寧等[12]通過河道魚類棲息地適宜度數(shù)學(xué)模擬，評(píng)估了東流水道丁壩整治工程對(duì)四大家魚產(chǎn)卵繁殖的影響；鐘亮等[13]探討了山區(qū)彎曲河道四大家魚產(chǎn)卵棲息地適宜度的分布特征，闡明了適宜度指標(biāo)在彎道中的分布規(guī)律；譚燕平等[14]以雅礱江錦屏大河灣減水河段中魚類棲息地為例，得出目標(biāo)物種對(duì)水深及流速的適宜性曲線，定性描述了魚類適宜棲息地分布隨流量變化的關(guān)系。

綜上所述，現(xiàn)有研究主要針對(duì)魚類水力生境指標(biāo)參數(shù)表達(dá)，以及適宜度指數(shù)在整治工程區(qū)魚類生境評(píng)估中的應(yīng)用，而關(guān)于其他魚類水力生境指標(biāo)在丁壩區(qū)的分布規(guī)律等問題的研究還鮮有涉及。為此，本文以淡水養(yǎng)殖中重要經(jīng)濟(jì)魚類四大家魚為代表，基于三維水流數(shù)值模擬資料，研究正挑丁壩區(qū)魚類棲息地關(guān)鍵水力生境指標(biāo)(流速、流速梯度、動(dòng)能梯度、流速適宜度等)的分布特征。研究成果將有助于豐富丁壩區(qū)魚類棲息地水力生境指標(biāo)分布問題的認(rèn)識(shí)，并為河流棲息地評(píng)價(jià)及魚類生境保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模擬

1.1 控制方程

采用三維水流數(shù)學(xué)模型開展研究，模型的基本控制方程見式(1)—(4)。

a)連續(xù)性方程。

(1)

b)動(dòng)量方程。

(2)

式中t——時(shí)間；Vf——可流動(dòng)的體積分?jǐn)?shù)；ρ——流體密度；p——作用在流體上的壓力；Gx、Gy、Gz——x、y、z向的重力加速度；fx、fy、fz——x、y、z向的黏滯力加速度。

c)RNGk-ε模型。

紊動(dòng)能k方程：

(3)

紊動(dòng)能耗散率ε方程：

(4)

(5)

式中μ——分子黏性系數(shù)；μt——紊流黏性系數(shù)；αk、αε——湍動(dòng)能和耗散率對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Gk——紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；β、η0、C1ε、C2ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.2 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證采用周鑫靖[15]的水槽試驗(yàn)資料，矩形試驗(yàn)水槽的尺寸為48 m × 2 m × 1 m(長×寬×高)，底坡為5‰，其中側(cè)面與底面均采用混凝土抹面。丁壩設(shè)于水槽左岸，距水槽進(jìn)口28 m；丁壩長0.8 m，厚0.1 m，高0.5 m。試驗(yàn)段共布置了7個(gè)觀測斷面(CS1—CS7)，其中斷面CS3位于丁壩軸線處，上游斷面CS1—CS2距壩軸分別為75、25 cm，下游斷面CS4—CS7距壩軸分別為25、50、100、150 cm，觀測斷面布置見圖1a。各斷面沿水槽寬度方向均布置了11條測流垂線，垂線間距為20 cm(其中近岸垂線距同側(cè)邊壁約5 cm)，各垂線上均布置了7個(gè)流速測點(diǎn)，測點(diǎn)間距為4.5 cm，流速測點(diǎn)布置見圖1b。

a)水位驗(yàn)證。選用水槽左岸(L)、中軸(M)和右岸(R)3條縱向水位線進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見圖2。由圖可見，數(shù)模計(jì)算與實(shí)測值的符合程度較好，水面線走勢總體吻合，水位偏差很小，基本在0.05 cm以內(nèi)。

a)觀測斷面

b)流速測點(diǎn)

a)左岸

b)中軸

c)右岸

b)垂線流速分布驗(yàn)證。相較縱向流速，橫向和垂向流速較小，這里主要驗(yàn)證縱向流速的垂線分布。局限于篇幅，圖3只給出了丁壩斷面(CS3)上3條代表垂線(7、8、9號(hào))的縱向流速分布驗(yàn)證情況，由圖可知，計(jì)算與實(shí)測流速大小偏差一般小于0.005 m/s，垂線分布較為吻合。

a)7號(hào)

b)8號(hào)

c)9號(hào)

c)平面流場驗(yàn)證?；谒墼囼?yàn)情況，圖4給出了距槽底為0.33H和0.67H的水平層流場，其中H為丁壩斷面平均水深，驗(yàn)證顯示，計(jì)算與實(shí)測流場的流速分布形態(tài)接近，流向基本一致，較好揭示了丁壩束流作用下的壩頭流線彎曲和壩后回流。

綜上，驗(yàn)證結(jié)果顯示數(shù)模計(jì)算的水位和流速與實(shí)測值較為吻合，說明本文采用的數(shù)學(xué)模型是合理的，結(jié)果準(zhǔn)確性較好，可用至下一步研究。

a)0.33H

b)0.67H

1.3 計(jì)算條件

本研究采用的水槽尺度與前文驗(yàn)證時(shí)保持一致，丁壩長50 cm、厚10 cm、高50 cm，模型邊壁和底部糙率均為0.014；在笛卡爾坐標(biāo)系下采用均勻網(wǎng)格對(duì)水槽及丁壩模型進(jìn)行剖分(圖5)，網(wǎng)格尺寸為0.025 m3，單元數(shù)約450萬個(gè)，丁壩處采用局部嵌套處理，加密網(wǎng)格尺寸為0.012 5 m3，網(wǎng)格數(shù)約1.5萬個(gè)。初始時(shí)間步長為0.001 s，最小時(shí)間步長為1 × 10-9s。參考現(xiàn)有研究，選取弗勞德數(shù)Fr范圍( 0

圖5 水槽及丁壩網(wǎng)格剖分

表1 數(shù)模計(jì)算工況

1.4 分析方法

本文以魚類產(chǎn)卵場水力生境指標(biāo)為分析重點(diǎn)。研究表明，在魚類產(chǎn)卵場水力生境指標(biāo)中，流速作為關(guān)鍵指標(biāo)，適宜的流速可刺激魚類產(chǎn)卵，并防止漂流性魚卵下沉[5,9]；流速梯度對(duì)魚類體外受精有直接影響，魚類產(chǎn)卵常常選擇流速梯度大、水流混亂度高的水域，同時(shí)流速梯度影響著水域中營養(yǎng)物質(zhì)的混摻，能反映魚類覓食位置的特征[5,16]；動(dòng)能梯度可反映魚類空間位置變化所需的能量消耗[5,8]；流速適宜度是描述魚類對(duì)產(chǎn)卵場適應(yīng)性的重要指標(biāo)，對(duì)選擇魚類產(chǎn)卵棲息地有著重要參考意義[10]。因此，本文將重點(diǎn)探討流速、流速梯度、動(dòng)能梯度和流速適宜度的分布特征，各參數(shù)的表達(dá)式、生境學(xué)意義和適宜閾值見表2。

表2 水力生境指標(biāo)

2 結(jié)果與討論

2.1 流速

為分析魚類水力生境指標(biāo)沿水流方向的變化情況，研究中設(shè)置了6個(gè)剖面(CS1—CS6)，其中丁壩位于剖面CS3，剖面CS1、CS2分別位于丁壩上游1.0、0.5 m處，剖面CS4、CS5、CS6分別位于丁壩下游0.5、1.0、1.5 m處。圖6給出了不同水深層的流速分布圖，其中X為距丁壩的距離，從左至右為水流正方向，結(jié)果顯示：①受丁壩的阻水和挑流作用，丁壩水流可分為壅水區(qū)、回流區(qū)、主流區(qū)和恢復(fù)區(qū)[15]，其中AB曲線的縱向流速為0，CD曲線內(nèi)側(cè)為回流區(qū)，外側(cè)為主流區(qū)；②當(dāng)來流量一定時(shí)，隨弗勞德數(shù)Fr的增大，水流流速增大，丁壩對(duì)水流的束窄能力減弱，主流高速區(qū)逐漸向丁壩岸側(cè)移動(dòng)，受其影響，壩后回流區(qū)逐漸被壓縮，回流寬度逐漸減?。虎跢r<2時(shí)，因水流流速較小，在丁壩上游側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的角渦，且隨著水深的增加，角渦結(jié)構(gòu)逐漸變?nèi)酰虎芩骺拷螘r(shí)產(chǎn)生繞流，丁壩附近流線發(fā)生彎曲，隨著流線曲率半徑的變化，主流區(qū)水流沿程從急變流變?yōu)闈u變流，并在丁壩下游較遠(yuǎn)處逐漸恢復(fù)為均勻流。⑤各水深層丁壩壩頭附近均有滿足四大家魚適宜產(chǎn)卵的流速(v>0.25 m/s)，與已有研究[2]發(fā)現(xiàn)壩后河道表層和中下層均能為魚類提供產(chǎn)卵棲息環(huán)境結(jié)論較為一致。

a)Fr=0.129(表層)

b)Fr=0.281(表層)

c)Fr=0.129(中層)

d)Fr=0.605(表層)

e)Fr=0.129(底層)

f)Fr=0.129(表層)

2.2 流速梯度

圖7以工況3為例，給出了沿程各剖面合流速沿水槽寬度方向梯度G(簡稱“流速梯度”)的分布云圖，圖中相對(duì)槽寬B+=y/B，y為距水槽左岸的距離，B為水槽寬度(B=2 m)，結(jié)果顯示：①丁壩上游剖面(CS1、CS2)流速梯度G沿槽寬呈“兩岸大、中間小”分布，水槽左岸和右岸G的最大值約4.5，而在水槽中部，G值約為0.5，這主要是由于水槽邊壁摩擦阻力較大，邊壁附近的流速沿槽寬分布不均勻，而水槽中部邊壁摩阻作用明顯減小，流速分布相對(duì)均勻；②丁壩剖面CS3的流速梯度G沿槽寬分布與丁壩上游剖面基本一致，壩頭附近B+=0.25～0.30區(qū)段存在流速梯度G的高值區(qū)，約為4.5；③丁壩下游剖面(CS4、CS5、CS6)，壩后回流區(qū)左岸流速梯度G沿程逐漸增大，G最大值分別為1.7、2.5和2.9；丁壩壩頭附近B+= 0.25～0.40區(qū)段存在近似橢圓狀的流速梯度高值區(qū)，G≈4.5，這與丁壩束窄過水?dāng)嗝?、改變了流速分布的均勻性有關(guān)；水槽右岸流速梯度高值區(qū)的數(shù)值及范圍與上游剖面總體一致，沿程基本保持不變。

圖8以丁壩上游剖面CS1、丁壩剖面CS3和丁壩下游剖面CS5為例，給出了各工況的流速梯度垂線平均值沿槽寬的變化，可見：①各剖面的流速梯度垂線平均值G隨弗勞德數(shù)Fr的減小而增大；②從上游至下游，各剖面水槽右岸沿槽寬的G值變化率幾乎一致，至右邊壁達(dá)到最大；③各剖面水槽左岸的G值變化率不盡相同，丁壩上游剖面CS1的G值沿槽寬呈兩段式線性遞減，在B+=0.1處，G值遞減速率變緩；丁壩剖面CS3的G值沿槽寬線性遞減，在B+=0.35處，因主流高速區(qū)流速變化較小，G值趨于0；受壩后回流區(qū)的影響，丁壩下游剖面CS5的G值沿槽寬線性遞減，在B+=0.15～0.35區(qū)段線性遞增，隨后又線性遞減，且兩次遞減速率幾乎相等；④綜合工況1～3，G>2的區(qū)域主要集中在水槽左右兩岸和丁壩壩頭附近，由前文可知，適合四大家魚產(chǎn)卵棲息的區(qū)域在丁壩壩頭附近，而該處又為G的高值區(qū)，這與文獻(xiàn)[8]的結(jié)論一致。

a)CS1

b)CS2

c)CS3

d)CS4

e)CS5

f)CS6

a)CS1

b)CS3

c)CS5

2.3 動(dòng)能梯度

動(dòng)能梯度M是流速梯度的能量表現(xiàn)形式，不僅可用來描述魚類在水中移動(dòng)至某個(gè)位置所需能耗，而且能衡量魚類對(duì)產(chǎn)卵場的適應(yīng)程度。圖9給出了工況3下沿程各剖面動(dòng)能梯度M沿槽寬的分布云圖，圖10以剖面CS1、CS3、CS5為代表，給出了各工況的動(dòng)能梯度垂線平均值沿槽寬的變化，結(jié)果顯示：①丁壩上游剖面(CS1、CS2)的動(dòng)能梯度M沿槽寬分布與流速梯度G類似，但M在左岸的變化幅度較右岸小，左岸M的最大值分別為1.7、1.3，右岸值約為4.5，這是由于丁壩的阻水作用使上游形成壅水區(qū)，丁壩迎流側(cè)水流流速減小，動(dòng)能梯度也隨之減小；②丁壩剖面CS3、丁壩下游剖面(CS4、CS5、CS6)的動(dòng)能梯度M分布特征與流速梯度G幾乎一致，其中下游剖面左岸的M變化與G不同，M在左岸很小且沿程幾乎不變；③各剖面的動(dòng)能梯度垂線平均值M隨弗勞德數(shù)Fr減小而增大，除上下游剖面的水槽左岸側(cè)不同，剖面CS1、CS3和CS5的動(dòng)能梯度垂線平均值M沿槽寬的變化與G也一樣。

d)CS4

e)CS5

f)CS6

a)CS1

b)CS3

c)CS5

2.4 流速適宜度

為研究魚類的棲息地適宜性，本文以流速適宜度Su代表四大家魚棲息地的適應(yīng)性特征，由四大家魚流速適宜性曲線可知[4]，Su>0.8的區(qū)域適合魚類產(chǎn)卵棲息。圖11以工況3為代表，給出了沿程各剖面流速適宜度Su沿槽寬的分布云圖，結(jié)果表示：①丁壩上游剖面(CS1、CS2)流速適宜度Su呈“中間大、兩岸小”分布，主流區(qū)Su>0.8的范圍較大，水槽邊壁處Su值較??；受丁壩的阻水作用，丁壩迎流側(cè)水流逐漸變緩，水深方向的角渦逐漸弱化，左岸較小的Su值區(qū)也逐漸向右岸偏移；②丁壩剖面CS3、下游剖面(CS4、CS5、CS6)主流區(qū)Su>0.8的范圍呈“凹”型分布，下游剖面因回流區(qū)流速較小，丁壩橫截面積范圍內(nèi)的Su值也很小，最大約為0.3；③受丁壩附近下潛流的影響，從水槽表層至底層，壩后主流高速區(qū)沿水流方向逐漸被壓縮，受其影響，Su>0.8的范圍逐漸向水槽底部、右岸收縮。

圖12給出了各工況下代表剖面CS1、CS3、CS5的流速適宜度垂線平均值沿槽寬的變化，可見：①丁壩上游剖面CS1的流速適宜度垂線平均值Su隨弗勞德數(shù)Fr增大而減小，丁壩CS3、丁壩下游剖面CS5的Su隨Fr增大而增大；②受水槽邊壁摩阻應(yīng)力影響，Su較小值處于水槽左右岸邊壁附近，且丁壩下游剖面CS5回流區(qū)的Su變化也極?。虎跾u>0.8的區(qū)域隨主流高速區(qū)的范圍變化而變化，一般在B+=0.20～0.95，其中CS5的Su最大值出現(xiàn)在B+=0.35處。

a)CS1

b)CS2

c)CS3

d)CS4

e)CS5

f)CS6

a)CS1

b)CS3

c)CS5

本文初步探討以上魚類水力生境指標(biāo)在丁壩區(qū)的分布特征，結(jié)合已有研究成果發(fā)現(xiàn)，丁壩壩頭附近區(qū)域可作為實(shí)際工程應(yīng)用的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，該區(qū)域的水流結(jié)構(gòu)能為產(chǎn)漂流性卵魚類營造合適的產(chǎn)卵環(huán)境。需要注意的是，采用丁壩進(jìn)行生境修復(fù)時(shí)，需考慮水溫、水文過程、丁壩間距等因素的共同影響，并結(jié)合魚類全生命周期的棲息地調(diào)查資料，經(jīng)深入分析后才能使航道整治工程對(duì)魚類棲息環(huán)境的影響達(dá)到最小，甚至增加魚類的可棲息范圍。

3 結(jié)論

a)隨弗勞德數(shù)Fr的增大，水流流速增大，主流區(qū)逐漸向丁壩岸側(cè)移動(dòng)，壩后回流區(qū)的寬度逐漸減小；當(dāng)Fr<2時(shí)，丁壩上游側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的角渦，且隨水深增大，角渦結(jié)構(gòu)逐漸變?nèi)?；因丁壩繞流，隨流線曲率半徑的變化，壩后主流區(qū)水流沿程從急變流變?yōu)闈u變流，并逐漸恢復(fù)為均勻流。

b)丁壩上游剖面的流速梯度G沿槽寬呈“兩岸大、中間小”分布；下游剖面水槽左岸的G沿程逐漸增大，水槽右岸的G較大且沿程變化較小，壩頭附近B+=0.25～0.40區(qū)段存在近似橢圓狀的G高值區(qū)；丁壩剖面的G高值區(qū)出現(xiàn)水槽右岸及壩頭附近B+=0.25～0.30區(qū)段；隨弗勞德數(shù)Fr的增大，各剖面的流速梯度垂線平均值G逐漸減小，其中G>2的區(qū)域主要集中在水槽左右兩岸和丁壩壩頭附近。

c)丁壩上游至下游剖面水槽左岸的動(dòng)能梯度M均較小，壩頭及水槽右岸的M分布與G相似；隨Fr的增大，各剖面的動(dòng)能梯度垂線平均值M逐漸減小，其中M較大的區(qū)域也主要集中在水槽右岸及丁壩壩頭附近。

d)丁壩上游剖面的流速適宜度Su沿槽寬呈“中間大、兩岸小”分布，其中主流區(qū)Su> 0.8的范圍較大；受丁壩附近下潛流的影響，丁壩至下游剖面Su>0.8的分布呈“凹”字型；隨Fr的增大，丁壩上游的流速適宜度垂線平均值Su逐漸減小，丁壩至下游剖面的Su逐漸增大，其中Su> 0.8的區(qū)域一般在主流區(qū)，而回流區(qū)的Su一般小于0.3。