李文杰，樊宇奇，戴 卓，楊 威，楊勝發(fā)

(1. 重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

0 引 言

水溫是影響魚(yú)類及其棲息地的關(guān)鍵生態(tài)因子，會(huì)對(duì)魚(yú)類的繁殖產(chǎn)生重要的影響[1]。水溫的變化對(duì)魚(yú)類的生理過(guò)程和行為方式有著顯著的影響，包括且不限于游泳能力、熱耐受、力竭后過(guò)量耗氧等方面[2-3]。而水溫升高不僅直接對(duì)魚(yú)類存在一定的急性致死效應(yīng)[4]，同時(shí)還對(duì)水體性質(zhì)及水生植物存在著重要的影響，從而又間接影響魚(yú)類的生存[5]。因此，水溫的模擬研究對(duì)于魚(yú)類保護(hù)是十分必要的。提升航道等級(jí)能夠?yàn)楹降镭涍\(yùn)的發(fā)展提供條件，從而促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平的提高，而航道整治是提升航道等級(jí)的有效手段之一[6]，航道整治的常用方法包括炸礁、疏浚、守護(hù)、筑壩等[7]，將會(huì)改變河床形態(tài)，進(jìn)而影響水溫、流速等水文條件，可能會(huì)對(duì)包括魚(yú)類在內(nèi)的水生生物造成直接或間接的影響[8-10]。如何在進(jìn)行航道整治的同時(shí)，盡可能地降低它對(duì)魚(yú)類生境的影響亟待研究。而分析魚(yú)類可能的活動(dòng)空間，為航道整治提供必要的信息是前期工作。水溫作為突出的魚(yú)類生境指標(biāo)，在一定程度上能夠指明魚(yú)類可能的活動(dòng)空間。

針對(duì)上述問(wèn)題，在岷江進(jìn)行航道整治，提升航道等級(jí)的大背景下，以岷江下游銅鑼灣河段為研究主體，利用MIKE 3軟件的水動(dòng)力模塊，構(gòu)建了銅鑼灣河段的三維水溫模型，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型可靠性，通過(guò)分析最低設(shè)計(jì)水位工況下銅鑼灣河段的三維水溫分布情況，結(jié)合岷江主要魚(yú)類適宜水溫，探究岷江下游魚(yú)類在空間上的分布可能性。

1 研究區(qū)域概況

四川省提出規(guī)劃整治岷江龍溪口樞紐至宜賓航道，將岷江干流通航標(biāo)準(zhǔn)提高至Ⅲ級(jí)[11]。本次研究的銅鑼灣河段即位于規(guī)劃整治航道，由石鴨子至宜賓合江門28 km航段。銅鑼灣灘位于長(zhǎng)江、金沙江、岷江匯合口上游2.5～10 km范圍內(nèi)，灘長(zhǎng)約2.5 km。該段航道總體上屬河口型急淺、險(xiǎn)灘，河床質(zhì)為砂卵石；據(jù)2018年11月測(cè)得地形圖、流速流向圖資料可知：施測(cè)水位為262.56 m時(shí)，灘上段河寬約250 m、中段500 m、下段230 m；水流最大表面流速3.53 m/s、一般流速2.0 m/s左右，最大比降1.9‰、平均比降1.4‰。

該灘為岷江下段著名淺灘，與上游橋板灘一起形成“S”型河彎。近年來(lái)，一方面由于岷江挖沙采石對(duì)江心洲和邊灘的影響以及近期河床自然演變，該灘枯水期水流一分為三，目前枯水航槽棄左走中，航槽彎曲半徑得到改善，航槽線形較原左槽航線好，枯水中槽流量約占70%，施測(cè)時(shí)灘段內(nèi)流速一般在2.0 m/s左右，最大流速3.5 m/s出現(xiàn)在下游的羊角石；另一方面銅鑼灣灘因上游瀑布溝等電站和金沙江向家壩電站修建運(yùn)行后水文條件發(fā)生了明顯變化，受上游電站調(diào)節(jié)影響，該灘枯期流量增加約350 m3/s，受向家壩下泄水流對(duì)岷江河口水位的影響，該灘枯期水位增加約0.3 m。目前枯水期最小水深0.5 m，因水深不足、彎曲半徑小、航寬較窄而礙航。

銅鑼灣河段地處月波至宜賓翠屏區(qū)段長(zhǎng)江上游珍稀魚(yú)類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，長(zhǎng)江上游珍稀魚(yú)類主要是達(dá)氏鱘、白鱘、胭脂魚(yú)，特有魚(yú)類包括重口裂腹魚(yú)、華鯪、長(zhǎng)薄鰍、巖原鯉、鱸鯉等。岷江現(xiàn)有大量采砂坑，部分可能為魚(yú)類喜好生境，如達(dá)氏鱘、白鱘6至8月從干流洄游至岷江索餌，胭脂魚(yú)2月洄游至岷江產(chǎn)卵。航道整治工程實(shí)施后，在改變河床特征的同時(shí)，也改變了水溫、流速等水文條件，對(duì)包括達(dá)氏鱘、胭脂魚(yú)在內(nèi)的珍稀特有魚(yú)類造成一定的影響，因而亟需對(duì)水溫進(jìn)行模擬研究以分析魚(yú)類可能的活動(dòng)空間，為岷江的生態(tài)航道建設(shè)工作及后續(xù)的生態(tài)恢復(fù)提供一定的理論基礎(chǔ)。

圖1 岷江下游航道位置示意Fig. 1 Schematic diagram of the location of the downstream channel of the Minjiang River

2 三維水溫模型構(gòu)建

2.1 數(shù)學(xué)方程

MIKE 3使用的數(shù)學(xué)模型本質(zhì)是雷諾平均化的N-S方程，但在此的基礎(chǔ)上考慮了紊流影響以及密度變化，包含了質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒等方面。在本研究中主要涉及到以下方程：

1)水流連續(xù)性方程

(1)

2)水流動(dòng)量方程

(2)

3)溫度對(duì)流擴(kuò)散方程

(3)

4)k-ε方程

(4)

5)Smagorinsky方程

(5)

上述各式中：ρ為水的密度；cs為水的狀態(tài)參數(shù)；ui為xi方向的速度；gi為重力矢量；p為壓力；vt為垂向紊動(dòng)粘性系數(shù)；δ為克羅內(nèi)克函數(shù)；β為熱膨脹系數(shù)；k為紊動(dòng)動(dòng)能；t為時(shí)間；T為溫度；l為求解渦運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度比尺；σT為普朗特?cái)?shù)；Ωij為克氏張量；Sij為拉伸率張量；SS為各自的源匯項(xiàng)(每個(gè)方程均不相同)[12]。

2.2 模型參數(shù)

本次研究所基于的是非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格，采用utm48坐標(biāo)系和1956年黃海高程系，在垂向上由上至下均勻劃分網(wǎng)格，分層數(shù)為10層，模擬范圍內(nèi)河段長(zhǎng)約3 km，具體地形見(jiàn)圖2，網(wǎng)格數(shù)為36 196個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為18 454個(gè)，最大基本單元設(shè)置為100 m2，最小允許角度為30°，時(shí)間步長(zhǎng)為15 s，步長(zhǎng)數(shù)量為5 760。模擬完成后，在河段邊灘區(qū)域取點(diǎn)1和點(diǎn)3，在航道區(qū)域取點(diǎn)2，同時(shí)取S1和S2兩個(gè)地形起伏較大的斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行水溫模擬結(jié)果分析。

模型中輸入的參數(shù)有開(kāi)邊界處的地形、溫度條件、氣溫條件、水位分布。地形數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)測(cè)地形圖所提取高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，初始水溫設(shè)置為岷江下游主要魚(yú)類適宜水溫20 ℃，氣溫設(shè)置為25 ℃且不隨時(shí)間和空間變化。最小通航流量為龍溪口樞紐最小下泄流量900 m3/s，銅鑼灣河段對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)水位為264 m，流場(chǎng)則設(shè)置為靜止?fàn)顟B(tài)，同時(shí)進(jìn)出口邊界的水位、水溫、水深、流速均設(shè)置為不隨時(shí)間和空間變化，以使其模擬結(jié)果最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

本次研究中采用的模擬工況是龍溪口樞紐設(shè)計(jì)最小通航流量下對(duì)應(yīng)的流量-水位工況，采取此流量及其對(duì)應(yīng)水位為模擬工況的目的在滿足船舶最低正常航行需求下，考慮水溫影響，探究適宜魚(yú)類生存的活動(dòng)空間。

圖2 銅鑼灣河段地形Fig. 2 Topographic map of Tongluowan section

2.3 模型驗(yàn)證

按照最低設(shè)計(jì)水位工況模擬完成后，分別取邊灘水深較大點(diǎn)1、航道中心點(diǎn)2及邊灘水深較小點(diǎn)3的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，以驗(yàn)證模型可靠性。各點(diǎn)模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合關(guān)系如圖3。由各圖3可知，除個(gè)別點(diǎn)存在一定的偏差外，模擬值與實(shí)測(cè)值擬合情況較優(yōu)，兩者有較高的吻合度。同時(shí)可知銅鑼灣河段水體呈現(xiàn)較為突出的深水分層特征，存在明顯的2次分層現(xiàn)象。將銅鑼灣河段3點(diǎn)垂向水溫的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析可知，所建立采用的三維模型能準(zhǔn)確模擬出銅鑼灣河段水體的水溫結(jié)構(gòu)變化過(guò)程，模型具有較高的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

圖3 3點(diǎn)水溫模擬結(jié)果驗(yàn)證Fig. 3 Verification of three-point water temperature simulation results

由圖3可知，點(diǎn)1變化區(qū)間較大，落在20.2～21.0 ℃之間，最大溫差約為0.8 ℃。點(diǎn)2和點(diǎn)3變化區(qū)間較點(diǎn)1小，同時(shí)最大溫差相近，約為0.3 ℃。但點(diǎn)2和點(diǎn)3的變化區(qū)間相差較大，點(diǎn)2的變化區(qū)間在19.7～20.0 ℃，而點(diǎn)3的變化區(qū)間在20.7～21.0 ℃。

3點(diǎn)水溫均隨水深的增加而增加，升溫速率均隨著水深的增加而減小，但減小幅度3點(diǎn)有所不同。點(diǎn)1和點(diǎn)3水溫升溫速率隨水深的增加而急劇減小，深水區(qū)域水溫近乎保持不變，表現(xiàn)顯著的深水分層特征。點(diǎn)2在水深增加至一定程度后，水溫升溫速率近乎保持不變，只表現(xiàn)出一次分層的情況。

3 水溫模擬結(jié)果分析

銅鑼灣河段3點(diǎn)垂向上水溫變化情況如圖3。點(diǎn)1變化區(qū)間較大，落在20.2～21.0 ℃之間，銅鑼灣河段垂向上S1、S2斷面水溫分布情況如圖4～圖5。從水溫?cái)?shù)值大小上看，S1斷面溫度較高區(qū)表現(xiàn)在左右兩側(cè)邊灘區(qū)域，溫度區(qū)間大致在20.40～20.96 ℃，中央航道區(qū)域相對(duì)而言溫度較低，溫度區(qū)間在19.84～20.12 ℃。S2斷面溫度較高區(qū)域表現(xiàn)在左側(cè)邊灘，溫度分布在20.30～20.9 ℃，中央航道區(qū)域相對(duì)而言溫度較低，溫度分布在19.70～20.10 ℃。由圖4～圖5可知，兩斷面在不同區(qū)域均有密集的水溫分層現(xiàn)象，呈現(xiàn)典型的深水分層特征。S1斷面水溫分層區(qū)主要集中左右兩側(cè)邊灘區(qū)域，S2斷面主要集中在左側(cè)邊灘區(qū)域，兩斷面中央的航道區(qū)域未表現(xiàn)出2次分層特征。同時(shí)邊灘區(qū)域水體升溫速率在淺水層較大，隨著水深增加，升溫速率不斷減小，在深水層接近零即水溫在水深達(dá)到一定深度后近乎保持不變。河段中央航道區(qū)域水體升溫速率在淺水層較邊灘區(qū)域小，而后隨著水深增加，升溫速率在減小到一定程度后近乎保持不變即水溫在水深達(dá)到一定深度后仍按固定速度增加。

圖4 S1斷面水溫模擬結(jié)果Fig. 4 Water temperature simulation results of S1 section

圖5 S2斷面水溫模擬結(jié)果Fig. 5 Water temperature simulation results of S2 section

銅鑼灣河段水體平面區(qū)域由上至下水溫分布情況如圖6。垂向上由上至下來(lái)看，銅鑼灣河段水體水溫隨著水深的增加而增加。分層來(lái)看，除第1層水溫較低外，其余各層水溫分布在19.80～21.00 ℃之間。從數(shù)值大小上看，在同一層上的水溫分布呈現(xiàn)區(qū)域性特點(diǎn)即邊灘區(qū)域水溫明顯高于航道區(qū)域水溫，初步分析這可能是由于兩者的水域連通性、河床地形起伏不同，導(dǎo)致流速、水體成分、水生生物等差異，最終影響水溫的分布。

圖6 銅鑼灣河段各層平面水溫分布Fig. 6 Distribution of water temperature in each layer of the Tongluowan section

4 魚(yú)類活動(dòng)空間分析

岷江下游主要生長(zhǎng)魚(yú)類為四大家魚(yú)即青魚(yú)、草魚(yú)、鰱魚(yú)、鳙魚(yú)及達(dá)氏鱘、胭脂魚(yú)、長(zhǎng)薄鰍、中華沙鰍等[13-14]。其中達(dá)氏鱘已被列入國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物，胭脂魚(yú)被列為國(guó)家二級(jí)保護(hù)動(dòng)物。岷江下游主要魚(yú)類的適宜水溫如表1。

表1 岷江下游主要魚(yú)類適宜水溫Table 1 Suitable water temperature for main fish in the lower reaches of Minjiang River

考慮水溫變化幅度及數(shù)值大小，岷江下游銅鑼灣河段左右兩側(cè)邊灘區(qū)域二次分層水體相比其他區(qū)域水體或非二次分層水體更適宜魚(yú)類活動(dòng)，魚(yú)類在此進(jìn)行活動(dòng)、覓食、棲息的可能性較大。從水體分層深度來(lái)看，邊灘區(qū)域深坑(如采砂坑等)的水體溫度更為恒定且水溫也更接近岷江下游主要魚(yú)類適宜水溫，同時(shí)水體底部環(huán)境更利于底棲魚(yú)類覓食產(chǎn)卵。

航道整治期間及整治后，疏浚、筑壩、護(hù)岸等工程將對(duì)魚(yú)類及其生境造成較大的直接影響，特別是可能改變銅鑼灣河段的魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)、索餌場(chǎng)和越冬場(chǎng)的水域水溫、流速等指標(biāo)，可能造成魚(yú)類產(chǎn)卵規(guī)模減小等不良影響。建議對(duì)整治范圍、整治方案、施工工藝及保護(hù)措施等進(jìn)行優(yōu)化，盡量減少對(duì)邊灘區(qū)域的炸礁、開(kāi)挖等工程措施，同時(shí)結(jié)合珍稀魚(yú)類意外傷害救護(hù)、風(fēng)險(xiǎn)事故防范、資源與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、增殖放流、水生生物資源保護(hù)和加強(qiáng)監(jiān)督管理等保護(hù)措施，可進(jìn)一步減輕航道整治工程對(duì)水生生物和生境的影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)岷江下游銅鑼灣河段的自然地理位置、主要?dú)夂驐l件，建立了銅鑼灣河段水體的三維水溫模型，對(duì)銅鑼灣河段區(qū)域的三維水溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行最低設(shè)計(jì)水位工況下的數(shù)值模擬，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，探究了銅鑼灣河段水體三維水溫結(jié)構(gòu)的分布變化特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合岷江下游主要魚(yú)類適宜水溫，分析了較為適宜魚(yú)類生存活動(dòng)的空間區(qū)域。

銅鑼灣河段水體具有顯著的深水分層特征，在不同區(qū)域均有二次分層現(xiàn)象的存在。由模擬結(jié)果可知，所構(gòu)建的銅鑼灣河段三維水溫結(jié)構(gòu)模型能夠較好地體現(xiàn)出該河段水體的水溫分層情況，展現(xiàn)水溫的三維變化過(guò)程，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合較好。

從模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，銅鑼灣河段兩側(cè)邊灘區(qū)域水體存在二次分層情況，水溫?cái)?shù)值恒定，與河段中央航道區(qū)域相比水溫較高，在一定程度上更適宜岷江下游主要魚(yú)類生存。對(duì)于邊灘區(qū)域水體，深坑處水體屬于二次分層水體，水溫?cái)?shù)值恒定且與岷江下游主要魚(yú)類適宜水溫趨近，較為適宜魚(yú)類生存。

初步建議盡量減少對(duì)銅鑼灣河段邊灘區(qū)域的炸礁、開(kāi)挖等工程措施，同時(shí)對(duì)整治范圍、整治方案、施工工藝及保護(hù)措施等進(jìn)行優(yōu)化，以降低對(duì)魚(yú)類生境的影響。

雖然基于MIKE 3軟件的水動(dòng)力學(xué)模塊構(gòu)建了岷江下游銅鑼灣河段水體的三維水溫結(jié)構(gòu)模型，在利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證后，分析銅鑼灣河段水體的三維水溫變化過(guò)程并在此基礎(chǔ)上結(jié)合岷江下游主要魚(yú)類適宜水溫，探究魚(yú)類可能的活動(dòng)空間，但影響模型準(zhǔn)確性的因素還有很多，如河床糙率、波浪力等，同時(shí)魚(yú)類的活動(dòng)空間也不僅僅只受水溫這一指標(biāo)的影響，關(guān)于上述問(wèn)題將在以后的研究中加以完善討論。