魏文杰，張小霞，張新華

(1.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽 550002；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065)

由于河道整治工程的興建，特別是河道渠化和硬化之后，河流已失去了天然的河流形態(tài)，適宜的水生生物棲息地環(huán)境與多樣性遭到嚴(yán)重破壞，生態(tài)功能也大幅度衰退[1]。為改善城市河流水生態(tài)和棲息地現(xiàn)狀，為水生生物提供必要的生存場所，國內(nèi)外研究人員做了大量工作。Ch.Papadaki[2]等人采用基于一維模型的HEC-RAC模型研究了希臘山區(qū)河流生態(tài)基流對棲息地的影響。吳瑞賢等人[3]應(yīng)用基于一維模型 (HEC-RAS)和河川棲地二維模型(River 2D)研究了丁壩對魚類棲地的影響范圍以及丁壩建置要素的影響。N. Poulet等人[4-7]研究了低水頭壩如何改變局域棲息地特征并對魚類群落結(jié)構(gòu)及其多樣性施加影響。Ali M S[8]等人為研究降低水流流速的建筑物對河道棲息地的修復(fù)作用進行了大量實驗，成果表明這些建筑物能為幼魚創(chuàng)造有利的生存環(huán)境。DongkyunIM[9]的研究表明巨石、丁壩和淺灘存在時的棲息地面積與沒有時相比能分別提高2%、7%和131%。

這些研究成果揭示了丁壩對河道棲息地的改善作用，為進一步的研究提供了指導(dǎo)。同時也存在一些問題：從模型計算的角度來說，如果使用的模型精度較低，比如一維河流模型，由于對河流進行了很大的概化，在河道結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者存在水工構(gòu)筑物的河道，模擬成果難以達到需要的精度；River2D雖然精度更高，但是由于沒有考慮泥沙沖淤，對有丁壩作用下的河道形態(tài)變化及水流結(jié)構(gòu)特征無法進行預(yù)測。此外，已有研究對具體構(gòu)筑物改善棲息地的機理還揭示得不夠，任需進一步深入。從丁壩的布置上來說，研究不同布置形式的丁壩對河流水生生物棲息地影響的相關(guān)研究較少。由于丁壩修建后河流的流動形態(tài)將產(chǎn)生明顯改變，水流呈現(xiàn)出強紊動特性，引起丁壩周圍河道的水沙結(jié)構(gòu)和河床形態(tài)發(fā)生顯著變化，從而也將引起水生生物棲息地及其適宜性改變。

為了探討不同丁壩布置形式對河流棲息地的影響，本研究以水深平均二維k-ε紊流水沙耦合模型(以下簡稱為二維k-ε淺水模型)和IFIM魚類棲息地模擬方法相結(jié)合，選用典型的中小河流常見魚類(理科魚類)作為指示物種，建立了針對中小河流典型魚類棲息地適宜性指數(shù)和棲息地加權(quán)可用面積(以下簡稱為WUA)計算的水深平均二維水沙棲息地模型，進而分析6種不同的丁壩布置形式(單側(cè)單丁壩、對口丁壩、錯口丁壩、單側(cè)雙丁壩、對口雙丁壩、錯口雙丁壩)，運用模型分析計算不同工況下水流流態(tài)和棲息地面積變化情況，探討WUA最大的丁壩布置形式。

1 控制方程及模型建立

1.1 二維k-ε淺水模型

二維k-ε淺水模型包括水動力模塊、泥沙輸移和河床演變模塊，具體推導(dǎo)及參數(shù)的選用可參考相關(guān)文獻[10]。模型采用有限差分法對控制方程組進行離散，并利用蛙跳交錯網(wǎng)格系統(tǒng)描述相關(guān)參數(shù)和變量[11]，以下對模型進行簡要闡述。

(2)泥沙輸移和河床形態(tài)模塊。天然河道中的泥沙運動呈現(xiàn)出三維特性，但在合理假設(shè)下，一些泥沙運動特性可用二維模型描述。目前，二維泥沙數(shù)學(xué)模型有垂向和平面2種模型，本研究為平面二維模型。泥沙輸移模型可進一步分成泥沙輸移方程和河床演變方程。

推移質(zhì)輸沙率：采用Meyer-Peter與Muller提出的方法和Van Rijn提出的方法，具體方程式參考文獻[13,14] 。懸移質(zhì)輸移過程：可用三維對流擴散方程式來描述，具體方程式見文獻[10]。河床演變方程：其實質(zhì)是單位時間河床變化量等于推移質(zhì)和懸移質(zhì)所引起的變化量之和，具體方程式見文獻[10,15]。

出入流邊界條件：入流處為第一類邊界條件，給定流量；出流處也為第一類邊界條件，固定水深；泥沙輸移在入流處給定泥沙濃度邊界條件。

1.2 棲息地模擬

IFIM (Instream Flow Incremental Methodology)即河道內(nèi)流量增加方法，是目前常用的棲息地研究方法，該方法最先應(yīng)用來模擬流量和水生生物棲息地可利用性之間的定量關(guān)系，現(xiàn)常用于評價河道生態(tài)修復(fù)的效果。本研究采用自編的二維k-ε淺水模型程序計算河道流場、地形等參數(shù)變化，再利用微棲息地標(biāo)準(zhǔn)計算可用微棲息地適宜性及面積，最后將可用微棲息地面積加權(quán)求和得到WUA，參考針對特定物種及生命期的棲息地評價方法(HEP)[15]，WUA計算公式對于淺水模型可按下式計算：

(1)

式中：WUA為評價某物種、某些物種或某一生命期的生物棲息地加權(quán)可用面積；Ai,j為網(wǎng)格i,j處的單元表面面積；n、m分別為x、y方向的單元總數(shù)量；CSFij為網(wǎng)格i,j處的棲息地綜合適宜性指數(shù)(以下簡稱為CSF)，其值為網(wǎng)格處的流速適宜性指數(shù)[以下簡稱為HSI(U)]、水深適宜性指數(shù)[以下簡稱為HSI(H)]和基質(zhì)適宜性指數(shù)[以下簡稱為HSI(C)]3者的乘積。

1.3 指示物種及其適宜性曲線

為探討不同丁壩布置形式對城市中小河流水生生物棲息地的影響，并且定量描述其改變值大小，選擇河流生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈頂層的魚類作為指示物種，本研究選擇4大家魚中常見的鯉魚作為棲息地適宜性的指示物種。采用單變量適宜性曲線分別考慮水深、流速及基質(zhì)不同時的魚類適宜性。單變量適宜性曲線定義魚類棲息地的適宜性值在0～1，本研究也參考了孫嘉寧[16]的魚類適宜性曲線，給出本研究采用的流速和水深適宜性曲線，見圖1。

圖1 流速、水深適宜性曲線

2 模型驗證

2.1 模型水動力驗證

采用經(jīng)典的Rajaratnam與Nwachukwu丁壩繞流實驗數(shù)據(jù)[17]驗證水動力模塊。上述實驗條件及工況為：計算區(qū)域長6 m，寬0.9 m，丁壩距離入口斷面2 m，見圖2。計算采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為準(zhǔn)確模擬丁壩周圍的情況，對丁壩周圍網(wǎng)格進行了加密處理，網(wǎng)格數(shù)為220×50，最小網(wǎng)格Δxmin=0.001 5 m，Δymin=0.001 5 m；曼寧系數(shù)采用光滑水槽底床值0.01 s/m1/3；采用冷態(tài)啟動，計算時間步長取Δt=0.000 3 s，計算時間取為15 min；上游單寬流量取為0.047 8 m2/s，下游水深取為0.189 m。模擬結(jié)果中的流線圖見圖3，丁壩回流區(qū)長度為1.433 m，實驗所測回流區(qū)長度為1.9 m。

圖2 丁壩繞流計算網(wǎng)格劃分

Rajaratnam與Nwachukwu測量了y/b=1.0、1.5、2.0、3.0、4.0(b表示丁壩的長度，y表示斷面在y方向的坐標(biāo)值)5個縱斷面的合速度值，采用U0=0.253 m/s進行無量綱化處理以便于比較。5個斷面合速度的實驗值和模擬值見圖4。從圖4可知，合速度的模擬值和實驗值較為吻合，模型很好地模擬出了丁壩壩頭處流速增加的現(xiàn)象。在y/b=2.0斷面的后半部分，模擬值和實驗值有一定的出入，這可能是因為后半部分恰好處于主流區(qū)和回流區(qū)的分界部分，容易引起測量誤差所致。

圖3 丁壩繞流流線圖

圖4 典型斷面合流速的計算值與實測值

2.2 模型泥沙運動驗證

由于實驗資料的限制，本研究通過地形變化來檢驗?zāi)嗌尺\動模型的適用性。實驗采用Michiue和Hinokidani的動床試驗[19]資料。Michiue和Hinokidani的動床試驗數(shù)值設(shè)置為：計算區(qū)域取 7.0 m，原點定義在丁壩迎流面上游3 m處，丁壩為長0.1 m，寬0.01 m的薄直板，泥沙粒徑0.6 mm，其他參數(shù)均按照原物理實驗設(shè)置。采用非均勻網(wǎng)格劃分計算區(qū)域，見圖5，最小網(wǎng)格尺寸為0.01 m，網(wǎng)格數(shù)為282×27，時間步長取0.001 s。

圖6中從左至右依次為Michiue和Hinokidani測量的沖刷平衡時的地形圖、崔占峰[18]采用三維紊流模型模擬得到的地形圖以及采用本研究的二維k-ε淺水模型計算平衡后得到的丁壩周圍地形圖。計算得到的最大沖深為8 cm，與原物理實驗結(jié)果比較接近且稍微偏小，最大沖坑位于壩頭靠上游側(cè)，沖刷范圍相比要小一些，在壩后未發(fā)生沖刷，其原因可能在于模擬試驗的水流較模型試驗來說紊動強度低一些。丁壩與河槽相連位置上游附近有微量淤積，壩后最大淤積厚度更小，位置往丁壩下游方向偏移更遠一些，總體而言還算比較合理。

圖5 泥沙模塊驗證 數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分

圖6 物理實驗結(jié)果、崔占峰模擬結(jié)果及淺水模型模擬結(jié)果 (單位：cm)

3 不同布置形式的丁壩對棲息地的改善作用

3.1 實驗設(shè)置

作為前期機理研究的需要，為了避免天然河道中因地形、環(huán)流等干擾影響，采用順直河槽與城市中小河流建立一定比尺關(guān)系，通過數(shù)值模擬分析順直河槽中布置不同形式丁壩情況進行研究。岷江流經(jīng)成都市華陽鎮(zhèn)螺絲灘河段屬于典型城市中小河流，且該河段原有3個丁壩群。如圖7所示，河段多年平均水深約1.3 m，河段河床比降平均值約為萬分之一，基質(zhì)以淤泥質(zhì)為主并混合有砂卵石。為有針對性的分析中小河流棲息地受丁壩布置形式的影響特性及程度，體現(xiàn)城市中小河流尺度，本研究暫不考慮河道斷面及河道彎曲變化，簡單地采用順直水槽進行數(shù)值模擬，實驗水槽與華陽丁壩河段水平長度比尺35，水深比尺26，流速比尺12.25。

圖7 岷江流經(jīng)成都市華陽鎮(zhèn)螺絲灘河段原丁壩群分布

以岷江流經(jīng)成都市華陽鎮(zhèn)螺絲灘河段為背景設(shè)置模擬試驗水槽，見圖8，模擬試驗水槽長12 m、寬2 m、高2 m，水流從水槽左端流入，流量0.012 m3/s，泥沙粒徑0.8 mm。為了比較不同布置形式的丁壩對WUA的影響，先進行無丁壩清水沖刷模擬試驗，河道糙率n取0.014，粗糙系數(shù)ks取0.013，計算區(qū)域采用均勻網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為0.05 m×0.05 m，網(wǎng)格數(shù)為242×42，時間步長為0.001 s，模擬時長為1h(水沙運動均達到平衡穩(wěn)定)。

有丁壩實驗共分為6種布置形式，見圖8,左半邊依次為單側(cè)單丁壩、對口單丁壩、錯口單丁壩，右半邊依次為單側(cè)雙丁壩、對口雙丁壩、錯口雙丁壩，當(dāng)兩側(cè)都有丁壩時，壩長為0.25 m，僅單側(cè)有丁壩時，壩長為0.5 m，使得丁壩縮窄度保持不變，而僅改變丁壩的布置形式。

3.2 模擬結(jié)果分析

無丁壩時，水流十分平順，流速約為0.22 m/s，可視為均勻流，水深為0.052～0.053 m，水槽中部發(fā)生極為微小的沖刷，沖刷深小于1×10-7m，在水槽邊壁附近出現(xiàn)不連續(xù)的微小淤積，且淤積厚度小于1×10-7m。另外發(fā)現(xiàn)在水槽邊壁進水口處有沖刷深小于1×10-5m的邊壁進口沖刷，在水槽邊壁出水口處有厚度小于1×10-5m的邊壁出口淤積，這可能是邊界條件及邊壁假設(shè)造成的。由于泥沙視為均勻沙，流速分布和水深分布都較均勻，故可知微棲息地適宜性指數(shù)分布均勻。根據(jù)本研究采用的比尺，按照棲息地適宜性曲線及基質(zhì)對應(yīng)的棲息地適宜性指數(shù)計算得到HSI(C)為0.9、HSI(U)為0.46、HSI(H)為1，相應(yīng)比尺下的河道棲息地WUA值為9 233.62。

丁壩存在時，河道水流結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，計算結(jié)果見圖8～圖12。

水深及HSI(H)值分析：由圖8可知，對于單丁壩而言，單側(cè)、對口布置時，在丁壩壩頭、下游及下游一定距離處將依次出現(xiàn)水深增加區(qū)、第1個水深降低區(qū)和第2個水深降低區(qū)，并且對口布置時水深分布有很強的對稱性，錯口布置時僅有水深增加區(qū)和第1個水深降低區(qū)。由圖9可知，HSI(H)值受丁壩影響較小，僅在各丁壩壩頭小范圍內(nèi)降低，其他區(qū)域HSI(H)均為1。對于雙丁壩而言，單側(cè)布置時水深變幅略大(尤其是壩頭處)；而對口、錯口布置時水深變幅較小；同時，在每側(cè)的第1個丁壩壩頭處的HSI(H)值較低，其他區(qū)域HSI(H)值均為1。

流速及HSI(U)值分析：由圖10和圖11可知，對于單丁壩而言，單側(cè)、對口、錯口布置時，水流紊動強度依次降低，流速分布不均勻性依次降低；HSI(U)值在丁壩附近上下游一定區(qū)域內(nèi)較高，遠離丁壩區(qū)域和主流區(qū)的HSI(U)值較低；同時，單側(cè)、對口、錯口布置時，HSI(U)較高值區(qū)域和較低值區(qū)域的面積依次減小。對于雙丁壩而言，對口和錯口布置時，水流紊動強度比單側(cè)布置小很多，且對口布置時流速對稱性很強；HSI(U)值在丁壩附近上下游一定區(qū)域內(nèi)較高，遠離丁壩區(qū)域和主流區(qū)的HSI(U)值較低。

圖8 不同丁壩數(shù)量及布置形式的具體水深分布

圖9 不同丁壩數(shù)量及布置形式的HSI(H)值分布

圖10 不同丁壩數(shù)量及布置形式的流速分布

圖11 不同丁壩數(shù)量及布置形式的HSI(U)值分布

圖12 不同丁壩數(shù)量及布置形式的CSF值分布

CSF值分析：由圖12可知，對單丁壩而言，單側(cè)、對口、錯口布置時，CSF較高值區(qū)域和較低值區(qū)域的面積依次減小。對雙丁壩而言，CSF較低值的區(qū)域面積明顯大于單丁壩，而CSF較高值的區(qū)域面積在丁壩之間有所增加。

4 結(jié) 語

經(jīng)模型模擬計算獲得了不同丁壩布置形式的WUA值成果，見表1。對于本研究中設(shè)置的6種工況，總體來說在河流中布設(shè)丁壩對水生生物棲息地的改善效果均比較明顯，WUA的增加值為26.1%～30.4%。具體情況為：河道兩側(cè)布設(shè)的丁壩數(shù)量相同時，對口布置優(yōu)于錯口布置，錯口布置優(yōu)于單側(cè)布置。 綜合來看，對口丁壩布置形式具有最優(yōu)的WUA值，相比無丁壩時增加了30.4%，該種布置形式對河流棲息地有最好的改善作用。從圖8和圖10也可看出，對口丁壩布置時流場的對稱性好，紊動強度較單側(cè)布置小，整個流場的流態(tài)也較好。

表1 不同丁壩布置形式模擬結(jié)果

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