(1.中南安全環(huán)境技術(shù)研究院股份有限公司,湖北 武漢 430071; 2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072)

長(zhǎng)江中游荊江河段是連接長(zhǎng)江流域上、中、下游的唯一水運(yùn)通道，目前，其礙航問題十分突出，是長(zhǎng)江干線航道維護(hù)最為困難的河段。隨著三峽水庫的持續(xù)運(yùn)行以及“清水下泄”的影響[1]，沙質(zhì)河床仍將沖刷下切，枯水期同流量下水位也隨之下降，從而削弱三峽工程的枯水補(bǔ)償效應(yīng)，直接影響枯水期沿程的水深條件，局部未守護(hù)區(qū)域?yàn)w沖刷及岸線崩退造成枯水河槽展寬。目前，該水道航槽已大幅淤窄[2-3]。長(zhǎng)江中游荊江航道3.5 m深航道整治包括護(hù)灘(底)帶、護(hù)岸(高灘守護(hù))、潛丁壩、護(hù)岸加固、填槽和亂石堆整平等工程，重點(diǎn)為淺水道整治對(duì)象。通過工程措施，遏制河道的不利變化，并利用清水下泄加大枯水航槽的沖刷，改善航道條件，提高航道尺度，確?？菟诤降罆惩?。

青魚(Mylopharyngodonpiceus)、草魚(Ctenopharyngodonidellus)、鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)和鳙魚(Aristichthysnobilis)合稱四大家魚，是我國(guó)特有的經(jīng)濟(jì)魚類[4-5]。長(zhǎng)江是我國(guó)四大家魚的主要天然原產(chǎn)地、棲息地和繁殖地[6-7]，在每年4月下旬至7月上旬水溫達(dá)18℃的洪水時(shí)期，親魚便集中在產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵[8]。而不同形態(tài)河床的水動(dòng)力特性與魚類棲息地之間具有強(qiáng)烈的相關(guān)性[9]，對(duì)產(chǎn)卵場(chǎng)特定的地形和水動(dòng)力條件的需求是影響四大家魚產(chǎn)卵的重要因素[10]。

本研究以長(zhǎng)江中游荊江周天河段為例，采用河道平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)分析該河段航道整治工程實(shí)施后水流特性的變化，研究航道整治工程對(duì)該河段內(nèi)四大家魚產(chǎn)卵場(chǎng)的影響。

1 研究區(qū)域及工程介紹

1.1 研究區(qū)及工程概況

周天河段位于長(zhǎng)江中游上荊江河段末端與下荊江河段進(jìn)口段，上起郝穴，下至古長(zhǎng)堤，全長(zhǎng)約28 km，是順直微彎的放寬型河段[11]。

周天河段航道整治建設(shè)方案由潛丁壩工程、岸線守護(hù)及加固工程組成：左岸新建1道帶勾頭的潛丁壩，直段長(zhǎng)度為430 m，勾頭長(zhǎng)度為150 m，壩頂寬3 m，上游邊坡1︰2，下游邊坡1︰2.5，壩頭以1︰5的坡比向前延伸，主要功能是改變水流流向，防止橫向侵蝕，保持目前有利的灘槽格局；右岸南五洲岸線守護(hù)及加固段總長(zhǎng)度為4 924 m；左岸新廠高灘右緣守護(hù)工程5 215 m，詳見圖1。工程實(shí)施后將改變工程區(qū)域河道地形條件、河床相對(duì)粗糙程度等河道邊界條件，對(duì)河段的水流流態(tài)、水位和流速將產(chǎn)生一定的影響。

圖1 周天河段航道整治工程方案平面布置Fig.1 The layout scheme of waterway regulation project in Zhoutian section

1.2 工程區(qū)產(chǎn)卵場(chǎng)分布

根據(jù)工程建筑物布置與產(chǎn)卵場(chǎng)分布情況，周天河段潛丁壩工程、南五洲岸線守護(hù)及加固工程和新廠高灘右緣守護(hù)工程全部位于馬家寨-新廠產(chǎn)卵場(chǎng)，工程涉及產(chǎn)卵場(chǎng)河段長(zhǎng)約6.67 km，占該產(chǎn)卵場(chǎng)總長(zhǎng)23.8%。

2 研究方法

根據(jù)周天河段航道整治工程實(shí)施方案，采用平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，對(duì)工程修建后水流流態(tài)、水位和流速等水力因素變化進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 模型基本方程及定解條件

水流連續(xù)方程：

(1)

水流運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

(3)

式中，z為水位；h為水深；u,v為x,y方向的流速；C為謝才系數(shù)。

為擬合不規(guī)則河道邊界，模型采用正交曲線網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。正交曲線坐標(biāo)系下水流基本方程如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(3) 定解條件。定解條件包括邊界條件和初始條件。邊界條件有開邊界和閉邊界條件。開邊界即進(jìn)、出口水邊界，在恒定流計(jì)算中進(jìn)口給定流量、出口給定水位。閉邊界即陸域邊界，模型中令其法向流速分量為零。

初始條件包括初始水位和初始流速條件，在出口水位的基礎(chǔ)上假定一比降賦值初始水位；按給定流量及初始水位計(jì)算初始流速。

2.2 數(shù)值求解方法

根據(jù)推導(dǎo)，曲線坐標(biāo)系下模型基本方程可表示成如下一般形式：

(10)

該方程的數(shù)值離散可采用有限體積法。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能很好保證水流模型中的水量和動(dòng)量守恒。方程離散采用了自動(dòng)迎風(fēng)格式，離散方程的求解采用SIMPLEC算法。為避免水位鋸齒波，采用了交錯(cuò)網(wǎng)格技術(shù)。

2.3 數(shù)學(xué)模型相關(guān)問題處理

(1) 動(dòng)邊界模擬。在計(jì)算過程中，計(jì)算域內(nèi)部分節(jié)點(diǎn)在漲水時(shí)會(huì)被“淹沒”，在落水時(shí)會(huì)“干出”。為正確反映這部分節(jié)點(diǎn)的干濕變化，模型中采用以下動(dòng)邊界模擬技術(shù)：選定一臨界水深(hmin取為0.005 m)，當(dāng)某時(shí)刻某節(jié)點(diǎn)實(shí)際水深(水位減去河底高程)小于臨界水深時(shí)，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)“干出”，令該點(diǎn)流速為零，水深為臨界水深，水位值由附近非“干出”點(diǎn)水位值外插值得到；當(dāng)某時(shí)刻某節(jié)點(diǎn)實(shí)際水深大于臨界水深時(shí)，則恢復(fù)程序計(jì)算。

(2) 參數(shù)取值。二維水流數(shù)模計(jì)算涉及的主要參數(shù)有河道糙率、紊動(dòng)黏性系數(shù)等。河道糙率實(shí)際上是一個(gè)綜合阻力系數(shù)，反映了計(jì)算河段的河床河岸阻力、河道形態(tài)變化、水流阻力及河道地形概化等因素的綜合影響。河道糙率可按實(shí)測(cè)水位資料率定。紊動(dòng)黏性系數(shù)采用vt=αu*h公式計(jì)算，其中α為常數(shù)，取值為0.5，u*為摩阻流速。

2.4 模型驗(yàn)證

根據(jù)同為長(zhǎng)江中游荊江河段的藕池口和碾子灣兩條水道2008年1，6，8月完成的3次的水文原型觀測(cè)，流量分別為4 780，14 429，19 560 m3/s。選取河段內(nèi)8個(gè)水文斷面進(jìn)行觀測(cè)(從上至下分別為：1～8號(hào))，利用數(shù)學(xué)模型在同步地形的基礎(chǔ)上分別對(duì)這3個(gè)流量級(jí)進(jìn)行了模型驗(yàn)證。驗(yàn)證計(jì)算內(nèi)容包括水位、汊道分流比、斷面流速分布等。 (1) 水面線驗(yàn)證。由表1中數(shù)據(jù)可以看出，2008年3個(gè)流量級(jí)水位的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合都較好，最大誤差為3號(hào)水尺枯水驗(yàn)證時(shí)的0.033 m，而大部分測(cè)點(diǎn)的水位誤差都在0.020 m以內(nèi)。

(2) 平面分流比驗(yàn)證。從表2中的數(shù)據(jù)看來，數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的藕池河分流以及藕池口水道內(nèi)各汊道的分匯流情況與實(shí)際情況能較好地吻合，兩者相差在1個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi)。

(3) 平面流速分布驗(yàn)證。從圖2～4中可以看出，數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的2008年1，6月及8月流速分布與實(shí)測(cè)流速分布吻合都較好，平均誤差在0.1 m/s以內(nèi)。

由以上3方面的驗(yàn)證結(jié)果可見，數(shù)學(xué)模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合好，精度較高，通過驗(yàn)證所確定的糙率在0.017～0.031之間，較為合理。所以，該數(shù)學(xué)模型能較好地模擬本河段。

表1 水位驗(yàn)證成果Tab.1 Water level verification result m

表2 汊道分流比驗(yàn)證成果Tab.2 Channel divesion ratio verification result

圖2 斷面流速分布驗(yàn)證結(jié)果(Q=4 780 m3/s)Fig.2 Cross-section velocity distribution verification (Q=4 780 m3/s)

圖3 斷面流速分布驗(yàn)證圖(Q=14 429 m3/s)Fig.3 Cross-section velocity distribution verification (Q=14 429 m3/s)

圖4 斷面流速分布驗(yàn)證圖(Q=19 560 m3/s)Fig.4 Cross-section velocity distribution verification (Q=19 560 m3/s)

2.5 數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)

(1) 計(jì)算條件。計(jì)算河段為周公堤水道-天星洲水道段，長(zhǎng)約20 km。二維計(jì)算網(wǎng)格采用正交曲線網(wǎng)格形式，工程前后計(jì)算采用相同的網(wǎng)格布置。周天河段網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為40×300個(gè)，沿水流方向網(wǎng)格間距66～67 m，垂直水流方向網(wǎng)格間距28～145 m。整治工程前計(jì)算河段地形采用實(shí)測(cè)地形，工程后計(jì)算河段地形在工程前地形基礎(chǔ)上按設(shè)計(jì)方案修正。

數(shù)模計(jì)算選取豐、平、枯水期3種水文條件。豐水期水文條件選取7～9月份累計(jì)頻率10%最小流量，平水期選取多年平均流量，枯水期選取12～2月份累計(jì)頻率90%最大流量。

表3 周天河段計(jì)算水流條件Tab.3 Flow calculation conditions in Zhoutian section

(2) 計(jì)算參數(shù)率定。本次二維數(shù)模計(jì)算率定的周天河段豐水流量糙率變化范圍為0.016～0.018，多年平均流量時(shí)為0.018～0.022，枯水流量時(shí)為0.022～0.025。

(3) 工程概化。為了反映整治工程措施對(duì)河道水流的影響，在網(wǎng)格劃分時(shí)盡可能對(duì)工程局部進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，在便于數(shù)模計(jì)算和偏于工程安全兩個(gè)指導(dǎo)原則下，對(duì)整治航道的岸邊地形加以概化。盡量將潛丁壩、護(hù)灘以及護(hù)岸加固工程建筑物的高程反映到計(jì)算網(wǎng)格中，假定工程實(shí)施后河底高程改變與工程高度一致，保證阻水效果不被削弱。另將工程附近局部區(qū)域糙率作適當(dāng)修正，對(duì)于如拋石、透水框架等形式的附屬阻水過流建筑物，其阻水效果主要是通過局部阻力得以體現(xiàn)。

將以上附屬結(jié)構(gòu)建筑物對(duì)水流的阻力采用斷面突然縮小阻力計(jì)算公式進(jìn)行概化，局部水頭損失系數(shù)計(jì)算公式為

(11)

式中，A1為斷面縮小前的面積；A2為斷面縮小后的面積。

為了便于計(jì)算，常將局部阻力系數(shù)ξ通過(12)式轉(zhuǎn)化成附加糙率n*的形式：

(12)

最后得到整治建筑物所在處河床的綜合糙率為

(13)

式中,n0為整治前河床的糙率；n為整治后綜合糙率。

以往的工程實(shí)踐表明，以上概化方法能較好地反映整治工程結(jié)構(gòu)對(duì)河道水位、流場(chǎng)的影響。對(duì)于工程附近已建工程，均作為固有邊界考慮。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

(1) 水流流態(tài)。周天河段河道屬于微彎型河道，在豐水流量情況下水流上灘，計(jì)算流場(chǎng)灘槽區(qū)分明顯，主流動(dòng)力軸線基本貼近深泓線，水流流態(tài)整體平順，主槽流速較大，灘地流速較小；多年平均流量情況下，水流上灘，計(jì)算河段上游的潛丁壩工程對(duì)河道水流有一定的壅水作用；枯水流量時(shí)水流順河槽蜿蜒行進(jìn)，岸灘不過水，只有潛丁壩工程對(duì)河道水流有阻礙作用。

圖5 周天河段航道整治工程前后0.7～1.2m/s范圍內(nèi)流速范圍Fig.5 Flow velocity within 0.7～1.2 m/s before and after waterway regulation of Zhoutian section

(2) 水位變化。豐水流量情況下，潛丁壩和護(hù)岸等整治工程上游水位壅高，下游水位降低，水位最大壅高0.010 m，水位最大降低0.010 m；整治工程實(shí)施后，工程區(qū)局部范圍水位抬高約0.001～0.010 m，水位降低約0.005～0.010 m。多年平均流量情況下，整治工程上游水位壅高，下游水位降低，水位最大壅高0.015 m，水位最大降低0.015 m，工程區(qū)局部范圍水位抬高約0.005～0.015 m，水位降低約0.005～0.015 m?？菟髁壳闆r下，工程實(shí)施后周天河段水位變化較大，右岸護(hù)岸及左岸潛丁壩工程上游水位壅高0.001～0.010 m，下游水位降低0.001～0.010 m。

(3) 流速變化。在護(hù)岸及潛丁壩等整治工程上下游局部范圍內(nèi)流速有所減小，在整治工程頭部附近以及工程內(nèi)側(cè)河槽中流速有所增大。豐水流量情況下，在潛丁壩上下游流速減小0.05～0.10 m/s，靠近河道內(nèi)側(cè)流速增加0.05～0.15 m/s，上游護(hù)岸工程附近流速增加0.05 m/s。多年平均流量情況下，潛丁壩上下游流速減小0.05～0.10 m/s，靠近河道內(nèi)側(cè)流速增加0.05～0.10 m/s；河段最上游護(hù)岸工程附近流速增加0.05～0.10 m/s，下游護(hù)岸工程局部水流流速減小0.05 m/s左右?？菟髁肯?，工程前后水流流速變化較大，潛丁壩工程上下游水流流速減小0.01～0.10 m/s，在附近河槽流速增大0.01～0.10 m/s，影響范圍較大；在護(hù)岸工程附近，局部水流有所減小，但影響范圍有限。

4 水文情勢(shì)變化對(duì)四大家魚產(chǎn)卵場(chǎng)的影響

周天河段航道整治工程實(shí)施后，四大家魚產(chǎn)卵期水位變化約-0.010～0.010 m，流速變化約-0.10～0.15 m/s。根據(jù)相關(guān)研究，四大家魚產(chǎn)卵繁殖最適宜的流速范圍為0.7～1.2 m/s[12-13]，從圖5工程實(shí)施前后0.7～1.2 m/s流場(chǎng)范圍疊加圖可以看出，工程對(duì)四大家魚產(chǎn)卵繁殖生態(tài)水動(dòng)力學(xué)條件影響較小，且工程運(yùn)行后工程建筑物上下游水位及流速的局部變化，使得局部流場(chǎng)水流形態(tài)變得更為復(fù)雜，但影響范圍和程度較小，不會(huì)對(duì)產(chǎn)卵場(chǎng)水流流態(tài)造成大的影響。受工程建筑阻礙作用，該河段潛丁壩工程上游約3.7 hm2局部水域流速及水位發(fā)生變化，水位升高最大值為0.010 m左右，流速下降最大值為0.05 m/s；潛丁壩壩頭及下游約3.4 hm2局部水域流速和水位發(fā)生變化，其中，水位下降最大值為0.005 m，流速變化值為-0.05～0.15 m/s；潛丁壩相比該河段其他水工建筑物對(duì)流場(chǎng)的變化影響較大，局部流場(chǎng)變得更為復(fù)雜多變，有利于“泡漩水”的形成，一定程度上有利于魚卵的受精和正常孵化[14]。

此外，由于潛丁壩導(dǎo)致局部流速以及附近河床沖淤的變化，能消減水流的動(dòng)能，減緩流速、淤積泥沙，客觀上起到了人工魚礁的作用，可為魚類提供良好的庇護(hù)、棲息及覓食等環(huán)境。

工程水下沉排和拋石厚度在1.0～2.6 m之間，影響面積88.54 hm2，使得局部河床地形更為復(fù)雜，但對(duì)水域河床地形地貌影響范圍和程度較小。工程實(shí)施主要是防止清水下泄沖刷影響，維護(hù)現(xiàn)有岸線和洲灘的穩(wěn)定，不會(huì)改變河段岸線和洲灘現(xiàn)狀，這對(duì)維護(hù)該產(chǎn)卵場(chǎng)分汊型和彎曲型河段形態(tài)具有積極作用。

5 討 論

(1) 四大家魚均為產(chǎn)漂流性卵魚類[15]，產(chǎn)卵受河流表面水文情勢(shì)變化影響更大。目前荊江航道整治工程是以守護(hù)型為主，對(duì)河道地形地貌影響較小，因此本文采用河道平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對(duì)周天河段航道整治工程實(shí)施后水流特性的變化進(jìn)行了分析。今后隨著航道標(biāo)準(zhǔn)的提升，航道整治將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榭貙?dǎo)型工程，河道地形地貌變化對(duì)河流表面水文情勢(shì)的影響將加大，因此下一步還應(yīng)繼續(xù)開展三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型模擬工程實(shí)施后河道地形地貌及生態(tài)水文情勢(shì)變化對(duì)四大家魚產(chǎn)卵場(chǎng)的影響。

(2) 目前，我國(guó)主要采取利用人工魚礁及人工魚巢恢復(fù)或重建部分受破壞的魚類產(chǎn)卵場(chǎng)，為魚類生存繁衍提供優(yōu)良的棲息環(huán)境。我國(guó)在巢湖[16]、西江[17]等水系開展了一系列人工魚巢的試驗(yàn)和工程實(shí)踐，取得了一定的效果。此外，為了在建設(shè)護(hù)坡時(shí)同時(shí)開展魚類的棲息地建設(shè)，國(guó)外有關(guān)研究單位提出了一種新的河道護(hù)岸構(gòu)件——魚巢磚[18-19]，目前已在國(guó)內(nèi)中小河流治理工程中得到應(yīng)用。本工程潛丁壩設(shè)計(jì)及岸線守護(hù)加固設(shè)計(jì)目前只是滿足了長(zhǎng)江航道整治尺度的要求以及四大家魚產(chǎn)卵的生境要求，下一步還應(yīng)繼續(xù)開展壩體仿生設(shè)計(jì)以及生態(tài)護(hù)岸魚巢磚的應(yīng)用研究，使之具備給四大家魚及部分小型魚類提供產(chǎn)卵和棲息場(chǎng)所的生態(tài)效應(yīng)。