葛洲坝电厂调度对中华鲟产卵场水流条件的影响

黄明海，郭 辉，邢领航，姜 伟，杨 伟

（1．长江科学院水力学研究所，武汉 430010；2．中国长江三峡集团公司中华鲟研究所，湖北宜昌 443100）

葛洲坝电厂调度对中华鲟产卵场水流条件的影响

黄明海1，郭 辉1，邢领航1，姜 伟2，杨 伟1

（1．长江科学院水力学研究所，武汉 430010；2．中国长江三峡集团公司中华鲟研究所，湖北宜昌 443100）

建立中华鲟产卵场三维水流数学模型，模拟葛洲坝电厂不同调度情况下产卵场水流条件；分析了葛洲坝下游近坝段适宜中华鲟产卵的水深、近底层流速和两者叠加的区域范围；研究了葛洲坝电厂调度对中华鲟产卵场水流条件影响，并初步提出了中华鲟产卵场水流条件改善措施。研究结果表明：葛洲坝下泄流量在15 000～6 000 m3／s范围变化时，适宜中华鲟产卵的水流区域范围随下泄流量减小相应减小；在下泄流量为6 000 m3／s情况下，若下泄流量全由大江电厂泄流时有利于增大大江尾水区适宜产卵的水流区域范围。

葛洲坝；中华鲟；产卵场；调度；水流条件

1 研究背景

中华鲟（Chinese sturgeon）是我国一级保护动物，也是一种典型的溯河产卵洄游鱼类。葛洲坝工程兴建前，中华鲟产卵场主要分布在金沙江下游的新市至长江上游的涪陵约800 km长的江段，共计约16处。葛洲坝工程截流后，中华鲟产卵群体被阻隔在葛洲坝下游宜昌江段，形成了约30 km新的产卵场，这也是目前已知唯一的长江中华鲟产卵场［1］。三峡工程蓄水后的2003—2011年中华鲟产卵场固定在坝下至庙嘴之间约4 km的江段。中华鲟亲鱼每年由海洋进入江河进行生殖洄游，繁殖季节一般在10月上旬至11月中旬［2－3］，近年来有向后延迟的趋势。三峡工程一般于每年9—10月期间开始蓄水，蓄水期间长江中下游水量减少，葛洲坝下游江段中华鲟所需的产卵条件如流量、流速、水位和河床质的组成等会进一步受到影响［4］。

产卵场环境及水文条件是影响中华鲟产卵繁殖的重要因素，中华鲟在一定的水文、水力条件下才能顺利进行自然繁殖。一些学者［4，5－13］通过研究提出了这些阈值范围，根据这些阈值定量研究中华鲟产卵场微观水流环境对指导中华鲟产卵场条件改善具有重要意义。有学者根据流速和水深等阈值范围、二维或三维水流数学模型和IFIM法统计分析了中华鲟产卵期栖息地面积以及三峡工程蓄水对其影响；但由于中华鲟主要在河流底层或中下水层活动，采用水深平均的二维水流数学模型［9，11］模拟产卵场水流条件显然具有一定的局限性，而目前采用三维数学模型的研究成果［10，12，14］则对中华鲟产卵期葛洲坝电厂下泄流量调度分配考虑不足。

为更加接近实际情况，本文在考虑中华鲟产卵期调度原则的基础上，采用三维水流数学模型模拟分析不同特征流量情况下中华鲟产卵场水深、近底层流速和两者叠加的水流适宜范围，以此分析葛洲坝电厂调度下泄流量变化对中华鲟产卵场水流条件的影响，并提出中华鲟产卵场水流条件改善措施。

2 三维水流数学模型建立和验证

针对中华鲟主要在河流底层或中下水层活动的特点和三峡工程蓄水后中华鲟产卵场位置和水流条件，建立中华鲟产卵场三维水流数学模型，分析葛洲坝下游近坝段（坝下至庙咀约4 km江段）中华鲟产卵场近底（相对水深0．8）水流特性。

2．1 数学模型建立

2．1．1 控制方程

由于实际河流地形变化复杂，水体的运动受地形影响明显，为了更好地反映水底地形的起伏，模型在垂直方向采用σ坐标系。具体方程如下：

σ坐标系下的连续方程

式中：t表示时间；η为自由表面相对于静水深表面的位置；U，V，ω分别为x，y，σ3个方向的速度分量；D为全水深，D＝h＋η，h为水深；f为科氏力参数；AM，KM分别为水平和垂向的紊动黏性系数。水平紊动系数AM采用类似Prandtl混合长的Smagorinsky方案。考虑到河道型水库岸边水深较小，这里引入了浅水修正形式。

2．1．2 建模区域和地形条件

根据三峡工程蓄水后中华鲟产卵场位置，选取葛洲坝坝下至宜昌水文站约7 km的江段作为建模区域，采用2008年10月葛洲坝下游实测水下地形资料。

2．1．3 边界条件

上游开边界流量采用大江和二江电站下泄流量，下游开边界水位采用水位强迫边界条件，水位由宜昌水文站断面水位流量关系获取。

2．1．4 求解方法

采用了算子分裂方法对控制方程进行离散求解。

2．1．5 网格划分

平面划分552×125个网格，垂向网格分10层，沿水深方向均匀划分。

2．1．6 计算参数及收敛条件

采用非恒定流计算方法使水流条件达到恒定，河床糙率系数取0．03，计算时间步长为0．1 s，各计算变量收敛条件为0．001。

2．2 数学模型验证

针对葛洲坝下泄流量为10 000 m3／s和15 000 m3／s 2种情况，将计算结果与模型试验大江和二江电厂坝下、紫阳河、李家河和庙咀等观测点的水位值进行比较，最大水位差为0．09 m，对应水深的最大相对误差分别为0．79%。

运用所建数学模型验证2008年11月13日下泄流量为15 000 m3／s情况下实测河道底层流速。实测断面分布和流速验证分别见图1和图2（篇幅限制，仅给出4个典型断面）。从图2中可看出，计算得出的各断面河道底层流速分布规律与实测结果总体吻合较好，计算和实测结果各断面大部分测点河道底层流速量值比较接近，极少数存在一定误差，可能是由于模型概化、参数取值、模型电站调度方式、实测位置误差、测量误差等因素影响造成。

图1 葛洲坝工程实测断面分布示意图Fig．1 Distribution ofmeasured cross sections in Gezhouba Hydropower Project

图2 河道底层流速计算值和实测值比较（Q＝15 000 m3／s）Fig．2 Comparison of calculated and measured bottom flow velocities（Q＝15 000 m3／s）

由此可见，本研究建立的三维水流数学模型具有较高的计算精度，能够较好地模拟葛洲坝下游中华鲟产卵场三维水流运动特性。

3 计算结果分析

3．1 流速和水深阈值范围选择

中华鲟产卵场流速研究成果表明［4－6，8］：1996—1999年间葛洲坝下中华鲟产卵场底层流速在1．07～1．65 m／s之间，2004—2006年在1．09～1．29 m／s之间，中华鲟交配流速范围在0．62～1．16 m／s之间。中华鲟产卵期选择流速范围在0．7～2．1 m／s之间的水体中活动，其偏好流速为1．1～1．7 m／s，最偏好流速为1．3～1．5 m／s；极限克流能力为2．1 m／s。

中华鲟产卵场水深研究成果表明［4－5，8，13］：作为底栖型鱼类的中华鲟在葛洲坝下游产卵场主要的分布水深范围为8～14 m，从未发现中华鲟出现在超过19 m水深的河床上活动；中华鲟产卵时选择水深为6．1～15 m，在8～12 m水深范围出现的频率都较高。中华鲟产卵期选择水深范围在6～24 m之间的水体中活动，其偏好水深为6～15 m，最偏好水深为9～12 m。

综合参考目前中华鲟产卵场流速和水深等研究成果，初步选择1．1～1．7 m／s流速作为适宜中华鲟产卵的流速指标，6～15 m水深作为适宜中华鲟产卵的水深指标，以此评价中华鲟产卵场水流特性。

3．2 计算工况

根据中华鲟产卵日流量特征，选取15 000，10 000，6 000 m3／s 3级葛洲坝下泄流量，其中15 000 m3／s代表三峡工程蓄水前产卵日平均流量级，10 000 m3／s代表三峡工程蓄水前产卵日最小流量级和蓄水后最大流量级，6 000 m3／s代表蓄水后最小流量级。这3种下泄流量全部用于葛洲坝电厂发电。不同流量级与葛洲坝调度方式组合形成中华鲟产卵日葛洲坝不同调度运行工况，具体情况见表1。

图3 不同流量条件下中华鲟产卵场流速、水深和水流适宜区域范围Fig．3 Distribution of the areas of velocity，water depth and superposing of the two suitable for Chinese sturgeon spawning in the presence of different discharges

表1 计算工况Table 1 Operation conditions for the calculation

3．3 流量变化对中华鲟产卵场水流条件影响分析

图3给出了15 000，10 000，6 000 m3／s 3级葛洲坝下泄流量条件下中华鲟产卵场流速、水深和水流适宜区域范围，其中水流适宜区域为流速和水深适宜区域叠加区域。图4给出了不同流量下中华鲟产卵场各分区水流适宜区域面积。

从图3和图4分析可知：

（1）各级流量情况下，流速适宜区域范围（图中绿色区域）主要分布在大江电厂尾水区、二江电厂尾水区和长航船厂江段，其它区域为低流速不适宜区域（图中蓝色区域），其中6 000 m3／s流量情况由于二江电厂未分配流量使得二江电厂尾水区未出现流速适宜区域。在15 000 m3／s和10 000 m3／s流量情况下，除二江深槽和长航船厂下游主河槽由于不适宜产卵的较大水深区域（图中红色区域）外，其它区域均为适宜范围，不适宜产卵的浅水区域主要出现在岸边非常小的范围，但在6 000 m3／s流量情况下，在二江尾水区出现较大范围不适宜产卵的浅水区域。流速和水深适宜区域叠加的水流适宜区域分布情况与流速分布情况较为相似，说明中华鲟产卵场水流适宜区域范围受流速适宜范围影响显著。

（2）随着葛洲坝下泄流量下降，中华鲟产卵场流速和水流适宜区域范围（图中绿色区域，下同）相应缩小，其中6 000 m3／s流量情况水流适宜区域总面积显著减小并且各区域内分布片段化明显；水深适宜范围在10 000 m3／s流量情况下比其他2个流量级大。

（3）从图4中看出，15 000，10 000，6 000 m3／s 3级葛洲坝下泄流量情况下，水流适宜区域总面积分别为124．5万，91．0万，30．3万m2，6 000m3／s流量情况下总面积显著缩小；各分区水流适宜区域中，长航船厂江段水流适宜区域面积随流量下降相应减少，而大江尾水区水流适宜区域面积变化则不明显，二江尾水区在15 000m3／s和10 000m3／s流量情况下水流适宜区域面积略有变化，但在6 000 m3／s流量情况下无水流适宜区域。

综上所述可知：随着葛洲坝下泄流量的减小，适宜中华鲟产卵的水流区域范围亦相应减小，其中代表三峡工程蓄水前产卵日平均流量的15 000 m3／s、代表三峡工程蓄水前产卵日最小流量和蓄水后产卵日最大流量的10 000 m3／s情况下，适宜中华鲟产卵的水流区域范围较大，而在代表蓄水后产卵日最小流量的6 000 m3／s时，适宜产卵的水流区域范围显著减小；相比前2个流量级，在6 000 m3／s流量级情况下长航船厂江段适宜产卵的水流区域范围显著减小。实际监测和调查结果表明：三峡工程蓄水前的1981—2002年中华鲟历年第1次产卵日流量波动范围在9 250～26 200 m3／s，产卵场规模和范围较大；三峡工程蓄水后的2003—2011年，流量变化范围在5 774～ 9 650 m3／s，产卵场规模和范围减小，并且以“上产卵区”为主。实际情况说明三峡工程蓄水对中华鲟产卵场水流条件影响的研究结果是合理的。

3．4 调度运行方式对中华鲟产卵场水流条件影响分析

针对三峡工程蓄水后最小流量级6 000m3／s情况，研究分析葛洲坝不同调度方式对中华鲟产卵场水流适宜范围影响，具体调度运行工况见表1中工况3（1）至工况3（5）。

图5和图6分别给出了6 000 m3／s流量时葛洲坝不同调度运行工况下中华鲟产卵场水流适宜区域范围和各分区水流适宜区域面积。

图4 不同流量下中华鲟产卵场各分区水流适宜区域面积Fig．4 Areas of flow suitable for Chinese sturgeon spawning in different regions in the presence of different discharges

图5 葛洲坝不同调度运行方式下中华鲟产卵场水流适宜区域范围（Q＝6 000 m3／s）Fig．5 Distribution of flow area suitable for Chinese sturgeon spawning w ith different scheduling operation modes of Gezhouba Project（Q＝6 000 m3／s）

比较分析图3工况3（1）、图5中工况3（2）至工况3（5）以及图6可知，在葛洲坝下泄流量为6 000 m3／s情况下：

（1）全由大江电厂出流情况（工况3（1）至工况3（3））与全由二江电厂出流（工况3（4））和大江、二江电厂各泄3 000 m3／s（工况3（5））2种情况相比：中华鲟产卵场水流适宜区域总面积前者大于后两者，其中大江尾水区面积明显大于后两者，而长航船厂江段面积则是后两者略大于前者；从水流适宜区域面积角度分析，全由大江电厂出流有利于大江尾水区中华鲟产卵，全由二江电厂出流或大江、二江电厂各泄3 000 m3／s则有利于长航船厂江段中华鲟产卵。

图6 不同调度运行方式下中华鲟产卵场各分区水流适宜区域面积（Q＝6 000 m3／s）Fig．6 Areas of flow suitable for Chinese sturgeon spawning in different regionsw ith different scheduling operation modes of Gezhouba Project（Q＝6 000 m3／s）

（2）全由大江泄流，相对于1 000，667，428 m3／s几种单机平均下泄流量而言，667 m3／s情况的适宜产卵的水流区域面积相对较大，而下泄流量分配相对集中（1 000 m3／s）和分散（428 m3／s）情况，则由于局部底层流速偏大或偏小导致适宜产卵的水流范围减小。

（3）在全由二江电厂出流或大江、二江电厂各泄3 000 m3／s情况下，二江电厂尾水区和二江深槽前后出现零星小范围水流适宜区域。

4 中华鲟产卵场水流条件改善措施建议

根据上述研究成果，提出以下中华鲟产卵场水流条件改善措施建议：

（1）加大中华鲟产卵期葛洲坝下泄流量。在中华鲟产卵期，随着葛洲坝下泄流量的减小，适宜中华鲟产卵的水流区域范围亦相应减小。在葛洲坝下泄流量为15 000m3／s和10 000m3／s的情况下，适宜中华鲟产卵的水流区域范围较大，而流量在6 000 m3／s时，适宜产卵的区域范围减小显著。因此，建议在中华鲟产卵期加大葛洲坝下泄流量至10 000 m3／s以上范围，提高中华鲟产卵所需的水流适宜区域范围，有助于改善产卵场繁育条件。

（2）优化中华鲟产卵期葛洲坝下泄流量调度运行方式。在葛洲坝下泄流量为6 000 m3／s的情况下，不同开启机组方式对下游近坝段水流适宜区域分布有一定影响。若采用全由大江电厂泄流且单机平均下泄流量为667 m3／s的运行方式，则可改善大江尾水区水流适宜区域面积。因此，在枯水期（如来流量低于6 000 m3／s），建议尽量采取全由大江电厂泄流且单机平均下泄流量为667 m3／s左右的方式调度运行，以提高产卵场适宜范围。

5 结 论

（1）随着葛洲坝下泄流量的减小，适宜中华鲟产卵的水流区域范围亦相应减小。其中下泄流量为15 000 m3／s和10 000 m3／s的情况下，适宜中华鲟产卵的水流区域范围相对较大，而在6 000 m3／s时，适宜产卵的水流区域范围显著减小，以长航船厂江段范围减小最为显著。

（2）在葛洲坝下泄流量均为6 000 m3／s情况下，葛洲坝下泄流量不同调度运行方式对中华鲟产卵场水流条件产生一定影响；若下泄流量全由大江电厂泄流时有利于增大大江尾水区适宜产卵的水流区域范围；相比1 000，667，428m3／s3种单机平均下泄流量，其中667 m3／s情况下大江电厂尾水区适宜产卵的水流范围相对较大，而下泄流量分配相对集中（1 000 m3／s）和分散（428 m3／s）情况，则由于局部底层流速偏大或偏小导致适宜产卵的水流范围减小。

（3）根据葛洲坝下泄流量变化对中华鲟产卵场水流条件影响的分析结果，提出了加大中华鲟产卵期葛洲坝下泄流量和优化中华鲟产卵期葛洲坝下泄流量调度运行方式的中华鲟产卵场水流条件改善措施。

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（编辑：周晓雁）

Influence of Gezhouba Project Dispatching on the Flow Condition of Chinese Sturgeon’s Spawning Ground

HUANG Ming hai1，GUO Hui1，XING Ling hang1，JIANGWei2，YANGWei1
（1．Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Chinese Sturgeon Research Institute，China Three Gorges Corporation，Yichang 443100，China）

A three dimensionalmathematicalmodel of the flow at Chinese sturgeon’s spawning ground was estab lished．The flow condition in the presence of different dispatching operation modes of Gezhouba power station was simulated by thismodel．The area ofwater depth，bottom velocity and the superposing of the two suitable for Chi nese sturgeon’s spawning in the downstream near the Gezhouba Project was analyzed．The influence of Gezhouba Project dispatching on the flow condition of Chinese sturgeon’s spawning ground was studied，and measures of im proving the flow condition of Chinese sturgeon’s spawning ground were discussed．The results show that：when the discharge of Gezhouba Project varies in the range of 15 000 6 000 m3／s，the flow area suitable for Chinese stur geon’s spawning decreases accordinglywith the reducing of discharge；when the discharge is6 000 m3／s，if all the flow is discharged by Dajiang Powerplant，itwill be beneficial to increase the suitable flow area for Chinese sturgeon spawning．

Gezhouba Project；Chinese sturgeon；spawning ground；dispatching；flow condition

S931．1

A

1001－5485（2013）08－0102－06

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．022

2013，30（08）：102－107

2013－05－03；

2013－06－03

国家自然科学基金资助项目（11202037）；“十二五”国家科技支撑计划课题（2012BAK10B04）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（CKSF2012026SL，CKSF2013024／SL，CKSF2013028／SL）

黄明海（1978－），男，江西湖口人，高级工程师，主要从事计算水力学和环境工程研究，（电话）027－82829761（电子信箱）HMH＿HK＠126．com。