董謀

摘要：基于DHIMIKE軟件中的MIKE21FM模塊建立二維水動(dòng)力學(xué)模型，模擬在18000 m3/s和25000 m3/s流量下，研究江段魚(yú)類(lèi)棲息地的流速、水深環(huán)境參數(shù)適宜度的時(shí)空分布特征，并以2019年5月勘測(cè)船實(shí)測(cè)的水文數(shù)據(jù)對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：流速和水深是影響三峽水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)魚(yú)類(lèi)棲息生境的關(guān)鍵因子，且魚(yú)類(lèi)棲息地適宜度受流速和水深共同的影響顯著。

關(guān)鍵詞：魚(yú)類(lèi);生境特性;適宜度指標(biāo);三峽水庫(kù);變動(dòng)回水區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào)：X174? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

河流棲息地，又稱(chēng)為河流水生生物棲息地，是各種魚(yú)類(lèi)群落賴(lài)以生存、繁衍的空間與環(huán)境，與水生生物多樣性密切相關(guān)，棲息地是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]。魚(yú)類(lèi)棲息地包括產(chǎn)卵場(chǎng)、索餌場(chǎng)、越冬場(chǎng)以及洄游通道等，魚(yú)類(lèi)的“三場(chǎng)一通道”是魚(yú)類(lèi)完成其生活史過(guò)程所必需的水域范圍[2]，需要河流形貌、水環(huán)境、水文特性和水力學(xué)特征共同構(gòu)造復(fù)雜的物理環(huán)境，從而為魚(yú)類(lèi)提供各種棲息、覓食、繁殖和掩蔽場(chǎng)所[3]?，F(xiàn)有研究認(rèn)為魚(yú)類(lèi)的適宜度模型用于棲息地適宜度評(píng)估，指標(biāo)從幾個(gè)到幾十個(gè)不等[4]，但魚(yú)類(lèi)對(duì)各指標(biāo)的適應(yīng)度隨保護(hù)目標(biāo)種類(lèi)、生理階段和研究區(qū)域不同而存在差異，這造成了棲息地的評(píng)價(jià)模型十分復(fù)雜且難以通用[5]，如本研究河段的魚(yú)類(lèi)聚集水深遠(yuǎn)大于其他流域。為減輕航道整治工程對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響，有必要獲取魚(yú)類(lèi)棲居的位置。根據(jù)近兩年對(duì)的魚(yú)群分布調(diào)查結(jié)果，文章對(duì)研究江段魚(yú)類(lèi)生境的流速和水深因子加以討論。

1? 平面二維水流數(shù)學(xué)模型的建立

1.1? 控制方程

天然河道由于地形復(fù)雜，蜿蜒曲折，在網(wǎng)格劃分過(guò)程中往往存在較大難度，為有效克服計(jì)算域邊界起伏變化幅度較大而引起的問(wèn)題，本文選用計(jì)算網(wǎng)格與河道邊界貼合的方法進(jìn)行模擬計(jì)算（見(jiàn)公式1）：

其中，α=x2φ+y2φ;γ=x2μ+y2μ;J=xμyφ-xφyμ;P、Q為調(diào)節(jié)因子。若水域中的水體維持有勢(shì)運(yùn)動(dòng)，其流線(xiàn)簇與勢(shì)線(xiàn)簇必定會(huì)保持正交，由此可以導(dǎo)出以網(wǎng)格間距的變化作為調(diào)節(jié)因子的貼體正交曲線(xiàn)坐標(biāo)方程：

（1）水流連續(xù)方程（見(jiàn)公式2）

（2）μ方向動(dòng)量方程（見(jiàn)公式3）

其中，μ、φ分別是正交曲線(xiàn)坐標(biāo)系中的兩個(gè)正交曲線(xiàn)坐標(biāo);u、ν分別是沿μ、φ方向上的流速;h表示水深;H表示水位;Cμ、Cφ是正交曲線(xiàn)坐標(biāo)系中的拉梅系數(shù);、;σμμ、σμφ、σφμ、σφφ表示紊動(dòng)切應(yīng)力：

其中，Vt表示紊動(dòng)黏性系數(shù)，即Vt=CμK2/ε。

式中，K及ε分別代表紊動(dòng)動(dòng)能及紊動(dòng)耗散系數(shù)，由K以及ε的運(yùn)輸方程確定。

1.2? 工程河段網(wǎng)格剖分

工程河段模擬范圍上起和尚灘水道（上游航道里程536 km），下止豐都土地盤(pán)（下游航道里程488 km），全長(zhǎng)48 km。初始網(wǎng)格與擴(kuò)散光順?lè)ㄊ褂玫木W(wǎng)格劃分基本上相同，網(wǎng)格總量為5000×51，其中縱向X沿河流流動(dòng)方向網(wǎng)格劃分5000，橫向Y為河流寬度方向網(wǎng)格劃分51，地形數(shù)據(jù)為2019年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)?？傮w上在靠近河流流場(chǎng)的區(qū)域網(wǎng)格較為密集，在河流的網(wǎng)格壁面處網(wǎng)格較為稀疏;在寬度較小的順直型河流斷面處網(wǎng)格較密，在寬度較大的彎曲型或分汊型河流斷面處網(wǎng)格較為稀疏，見(jiàn)圖1。

2? 模型驗(yàn)證

2.1? 驗(yàn)證所采用的資料

模型驗(yàn)證采用長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院2015年6月實(shí)測(cè)的涪陵至豐都水道地形圖，測(cè)圖長(zhǎng)河段比例1∶2000，1954北京坐標(biāo)系，吳淞高程。采用2019年5月清溪水文站實(shí)測(cè)水面線(xiàn)進(jìn)行水位驗(yàn)證，Q=14200 m3/s，H=149.23 m。根據(jù)水深實(shí)測(cè)值與二維模型計(jì)算的模擬值之間的水位相對(duì)誤差，調(diào)整研究江段模型中的曼寧系數(shù)（Manning Number），渦黏系數(shù)（Eddy viscosity）以及進(jìn)出口和邊界條件，使水位相對(duì)誤差最小。渦黏系數(shù)設(shè)定為全局分布，率定結(jié)果為0.28。

2.2? 水位驗(yàn)證

利用實(shí)測(cè)水位和流速對(duì)河床糙率進(jìn)行率定，以清溪場(chǎng)附近水位模型驗(yàn)證結(jié)果顯示，二維模型計(jì)算的模擬值和實(shí)測(cè)水面線(xiàn)走勢(shì)相同，水位偏差在±0.4 m以?xún)?nèi)。

3? 模型結(jié)果

從其適宜度指標(biāo)的水深分布、流速分布，來(lái)進(jìn)一步分析適宜度指標(biāo)在研究河段中的分布規(guī)律。

4? 結(jié)論

魚(yú)類(lèi)群落整體上以礁石后深沱江段和分汊區(qū)域?yàn)楦哌m宜區(qū)。當(dāng)流量為18000 m3/s時(shí)，高適宜區(qū)域基本分布在深沱和平綏壩附近的區(qū)域，棲息的深度可作為生境營(yíng)造的重要指標(biāo);當(dāng)流量為25000 m3/s時(shí)，平綏壩逐漸被水流淹沒(méi)，隨著流量的繼續(xù)增大，研究河段區(qū)域的水深越來(lái)越大，主航道的表層流速也越來(lái)越快，此時(shí)，魚(yú)類(lèi)在水深適中處及河漫灘附近流速適宜度更高，可以有效減少水流紊亂的沖擊，但是隨著流量的繼續(xù)增加，兩岸河漫灘和平綏壩區(qū)域被淹沒(méi)深度越來(lái)越大，魚(yú)類(lèi)群落的棲息地適宜范圍又逐漸減小。因此流速和水深是影響變動(dòng)回水區(qū)魚(yú)類(lèi)棲居的關(guān)鍵因子，且都有一定的適宜范圍值。

參考文獻(xiàn)

[1]熊飛，劉紅艷，段辛斌，等.長(zhǎng)江上游江津江段吻鮈的種群參數(shù)[J].淡水漁業(yè)，2018，48（06）：27-32.

[2]王震，Arunjith Thundiparambil Sathrajith，謝松光，等.金沙江梯級(jí)大壩運(yùn)行和三峽水庫(kù)運(yùn)行水位增高對(duì)長(zhǎng)江上游干流寡鱗飄魚(yú)仔魚(yú)豐度和分布的影響[J].水生生物學(xué)報(bào)，2019，43（03）：606-611.

[3]楊志，唐會(huì)元，朱迪，等.三峽水庫(kù)175 m試驗(yàn)性蓄水期庫(kù)區(qū)及其上游江段魚(yú)類(lèi)群落結(jié)構(gòu)時(shí)空分布格局[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，35（15）：5064-5075.

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