基于MIKE11的长江上游一维水动力学模型研究

摘 要：金沙江下游梯级水电站的建设，对长江上游珍稀特有鱼类保护区内鱼类的繁殖生境产生巨大影响。文章运用MIKE11软件构建了长江上游宜宾-朱沱江段一维水动力模型，并利用2007年日序列水文站水文数据进行参数率定，结果表明，模型在率定和验证期模拟效果良好。利用模型输出结果对建模江段的水动力特征进行评价，以期为保护区鱼类栖息地研究和保护提依据。

关键词：长江上游；MIKE11；水动力模型；水动力特征评价

1 研究背景

长江上游珍稀特有鱼类保护区始建于1994年，最早为宜宾市珍稀鱼类保护区，2000年经国务院批准晋升为国家级保护区。2005年，由于金沙江一期工程范围涉及保护区核心区，故对保护区进行了范围和功能区调整，并更名为“长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区”。保护区具体范围：由向家坝开始，下游延伸至重庆松溉溪，支流赤水河干流和部分支流、岷江下游和越溪河支流，以及南广河、长宁河、沱江和永宁河河口区河段。其中长江干流部分长364.56km；赤水河干支流628.23km，其中干流436.5km，上游河源支流191.73km；纳入保护区的其它长江一级支流总长度为147.32km （包括岷江、沱江、南广河、永宁河、长宁河）（见图1）。主要保护对象包括白鲟、达氏鲟、胭脂鱼三种珍稀鱼类和圆口铜鱼、裂腹鱼、白甲鱼等66种特有鱼类，占长江特有鱼类的44%，具有生物多样性的典型代表意义。

水库大坝的修建将河流拦腰截断，大坝尤其是梯级电站联合运营后巨大的调度功能对河流的径流起到巨大的调节作用，改变了下游天然的水文循环和泥沙输送过程。水沙变异破坏了河流原有的平衡，引起下游河道河床演变：河道冲刷、河床粗化、河床整体下切、滩槽演化、侧向冲蚀和河道摆动等。而河床地形是决定鱼类产卵场条件和水文条件的首要因素，河床形态决定了流速场特征，影响着流速，并在某种程度上决定水流对河床的冲刷进而影响着河床质的组成。因此，对保护区江段进行一维水动力模拟，能够为分析河床演变对保护区典型鱼类生境的影响提供依据，也能为今后进行局部江段二维、三维模拟提供给边界条件。

图1 长江上游保护区调整后功能区划图[1]

2 MIKE11一维水动力模型

2.1 模型原理及基本方程

MIKE11水动力（HD）模型包含Muskingum和Muskingum-Cunge方法用于简化的河道演算，可自动匹配次临界流和超临界流计算，可模拟多种水工建筑物的操作。一维水动力模型的基本方程采用Saint-Venant方程组，其离散采用Abbott六点隐式格式，可在相当大的Courant数下保持计算稳定。其数值计算采用传统的追赶法，该离散格式在每一个网格点并不同时计算水位和流量，而是按顺序交替计算[2]。

MIKE11一维水动力模型控制方程如下：

式中，Q为流量（m3/s）；A为过水断面面积（m2）；q为区间入流或分流量（m2/s）；？琢为动量分布系数；h为水位；C为谢才系数；R为水力半径。

2.2 计算区域与断面提取

根据收集到的地形资料，为长江上游水文水资源勘测局2005年1月全站仪配合电子平板数字化测图，采用1954年北京坐标系，1985年国家高程基准，等高距为5.0m。地形资料比例尺为1：5000，断面间距约为100m，每个断面上测点间距约为40m。数据范围从保护区上游的宜宾（岷江入口处）至朱沱约234km江段。断面的提取位置参考危起伟通过考察所确定的107处产卵场中心坐标[3]，通过对第二章所确定的代表性鱼类的产卵场中心点坐标进行统计，共获取30个代表性鱼类产卵场中心坐标。其余断面的间距约为1km，其中在弯道、江心洲处断面适当加密；在无产卵场的顺直微弯河道，断面剖面较为相似，故所选间距较大，一般间距为1.5km左右；而在支流入汇和有水文站点的地方均设断面。最终在宜宾-朱沱江段选取183个断面。

考虑到设定的上游边界水文站为屏山站，而且屏山-宜宾江段长约65km的河道为金沙江下游深切河曲，气候、地形条件几乎未改变，故通过搜集到的60年代数字化的航道图，通过tecplot生成2D图形，然后切剖面获得了31个断面。

故一维模型的计算区域为屏山-朱沱江段，长约298.125km。共设立214个断面。

2.3 边界条件

上边界选择屏山水文站，采用屏山水文站的日流量过程；下边界选择朱沱水位站，采用朱沱水位站的日水位过程。中间支流入汇以“点源”计，综合考虑各支流径流量大小、洪水特点及支流洪水与干流洪水的关系，以及实测水文资料的限制，设置横江、岷江、南广河、沱江、赤水河五条支流入汇。在研究河段分布有若干水文站，除上边界屏山水文站和下边界朱沱水位站，中间还有宜宾水位站、李庄水位站、泸州水位站和合江水位站四个水位站点。模型边界及水文站点、支流入汇里程表见表1。

表1 模型边界及水文站点、支流入汇里程表

2.4 模型率定与验证

文章中MIKE11水动力模型的率定主要是通过对河床糙率（Bed Resiet）n进行调参。文章通过对收集干流水文站的水文数据进行整理，并对相应支流的实测水文资料提相应的日平均流量过程。对水动力学数学模型采用数据最全的2007年的实测日平均水位流量过程进行率定。

将支流的入汇视为点源处理时，由于已搜集到2007年五条支流汇入干流前各自的控制水文站的实测日平均流量过程，因此直接使用该流量过程为源项。率定后计算得到的水位及流量过程和实测资料符合较好。

对河道一维数学模型而言，对模型的率定主要是率定河道阻力，或者说是河道的沿程水位。对2007年的流量过程进行的数值模拟表明，洪水期和枯水期河道具有不同的糙率，一般洪水期河道糙率较小而枯水期河道糙率较大。枯水位的高低对珍稀水生动物保护十分重要。为使数学模型能统一适用于洪水期和枯水期，在进行模型率定时，利用MIKE11软件的功能，将每一过水断面沿水深方向分为三个部分，从下往上糙率逐步减小。采用以上处理后使用2007年金沙江干流径流过程，从下游往上游对数学模型进行分段率定。结果表明：屏山～宜宾河段河道糙率一般大于0.058；宜宾～泸州河段糙率一般大于0.046；泸州～朱沱河段糙率一般大于0.035。

图2为长江干流相应水文站的计算水位和实测资料的比较。从图可知，在合江和李庄站计算得到的水位和实测结果符合均较好；在宜宾和泸州站，非汛期水位符合较好，而汛期的计算结果和实测结果有一定差别，差别主要出现在几次洪峰值，计算得到的水位略高。这可能与支流入汇有关，泸州和宜宾分别对应沱江和岷江入汇，而这两个支流入汇的控制站均离入汇口有一定距离，所套用的水位流量关系存在相对误差。

总体上看，文章建立的水动力学数学模型经率定后，模拟得到的水位实测资料符合较好，本模型用于本河段的水动力学模拟是可靠的。

3 数据分析

3.1 深泓线

河道中生物的多样性的维持、水生动物的生活和繁衍均需要河道内流量和水位保持一定的变幅。流量的改变导致水位变化，水流流速和河宽（近岸区域）也会随之变化。水位的变幅是影响水生生态系统生物多样性的重要因素。图3给出了数值模拟得到的长江上游宜宾-朱沱江段深泓线及在2007年沿程所能达到的最高和最低水位。

图3 长江上游宜宾-朱沱江段深泓线及最高最低水位示意图

3.2 断面平均流速

河道水流的流速，尤其是鱼类繁殖期间的流速对鱼类生活十分重要。宜宾-朱沱江段位于长江上游保护区内，是众多珍稀、特有鱼类的重要栖息地。其中，四大家鱼鱼卵安全漂浮所需最小断面平均流速约为0.25m/s[4]；达氏鲟的产卵场位置一般在主河道的砾石滩上，流速1.2-1.5m/s[5]。因此，获取断面的平均流速对于分析保护区内鱼类栖息地特征具有重要意义。保护区内产粘沉性卵鱼类产卵期一般在3-4月，产漂流性卵鱼类产卵期一般在5-6月为产卵高峰期。文章通过对2007年不同产卵类型的鱼类产卵期的断面平均流速进行统计，以10km的江段为单位，计算得到了各江段在不同产卵期的断面平均流速（图4）。

图4 长江上游宜宾-朱沱江不同产卵期断面平均流速

3.3 断面平均河宽

河宽体现了某个特定流量下的断面宽度，而不同水位下的河宽随着断面的形态有着不同的变化趋势，也反映了断面近岸区的分布范围。河流近岸区是河流靠近岸边、水深相对较浅、流速相对较小、水温、光照、水生生物分布都有其特性的水域。产粘性卵鱼类的繁殖往往在近岸区，而鱼类早期发育阶段幼鱼的索饵往往也在近岸区，成鱼的索饵场也往往在近岸区，近岸区可与河流生态系统的若干关键过程建立起联系。分析断面不同时期断面平均河宽有助于对近岸区的研究提供一定借鉴意义。图5为研究区域不同产卵期断面平均河宽。

图5 长江上游宜宾-朱沱江不同产卵期断面平均河宽

4 结束语

文章建立了长江上游保护区宜宾-朱沱江段一维水动力学模型，并对模型进行了率定和验证，结果表明，模型模拟得到的水位实测资料符合较好，本模型用于本河段的水动力学模拟是可靠的。通过对河段内深泓线、断面平均流速、断面平均河宽进行分析，为进行保护区内鱼类栖息地生境特征的研究提供了依据和基础。

参考文献

[1]中华人民共和国农业部.长江上游珍稀、特有鱼类国家级自然保护区综合考察报告[R].北京：中华人民共和国农业部，2004.

[2]徐祖信，卢士强，林卫青.苏州河干流防洪水位的数值计算[J].河海大学学报（自然科学版）2006，34（2）.

[3]危起伟.长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区科学考察报告[R].北京：科学出版社，2012.

[4]唐明英，黄德林.草，青，鲢，鳙鱼卵水力学特性试验及其在三峡库区孵化条件初步预测[J].水利渔业，1989（4）：26-30.

[5]四川省长江水产资源调查组.长江鲟鱼类生物学及人工繁殖研究[M].四川科技出版社，1988.

作者简介：闫龙（1987-），男，湖北襄阳人，硕士研究生，主要从事生态水力学研究。