中华鲟产卵场的三维水流特性分析

陶 洁，陈凯麒，王东胜

（1.郑州大学 水利与环境学院/郑州大学水科学研究中心，河南 郑州 450001；2.国家环境保护部 环境工程评估中心，北京 100012；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 研究背景

中华鲟是我国特有珍稀大型洄游鱼类，因产卵环境遭遇干扰（甚至破坏），正面临严重的生存危机。水流条件作为河流生态系统的关键驱动因素，直接影响着产卵场内的物质循环、能量过程以及生物间相互作用［1-3］，对中华鲟的整个产卵繁殖过程具有重要的生态学意义。因此开展中华鲟产卵场的水流过程模拟研究对客观掌握其产卵繁殖的水流需求，改善生境状况、物种保护是非常有必要的。

目前众多学者针对中华鲟产卵场的水流特性展开积极探索［4-8］，相关研究主要表现为：（1）在影响中华鲟产卵繁殖的众多水力学参数中，多侧重于流速、水深/水位等运动学参数，尽管也逐渐意识到涡量、湍动能等动力学参数的生态意义，但是相关研究不多，仅有的一些研究也偏向均值研究，忽视了不同空间尺度参数的差异；（2）模型方面多是运用一维、二维或准三维模型模拟产卵场的水流状况，忽视了天然水流多是紊流且三维的性质，无法很好地模拟流场的空间状况，无法很好地反映天然水流的复杂程度。同时中华鲟产卵场存在明显的产卵排精、精卵结合、孵化仔鱼等功能分区［9］，当前研究也缺乏对不同功能区水流特性差异性的细致分析。这些使得我们不能更全面、客观地认识和定位中华鲟产卵繁殖所需的水流特性。

鉴于此，本文运用流体力学软件Fluent开展中华鲟产卵场的三维水流模拟研究，分析产卵场不同功能区流速、涡量、湍动能等水力学参数的特性，以期为实施产卵场修复和再造提供更准确合理的技术参数。

2 模拟河段概况和产卵场功能分区模型假说

中华鲟产卵场研究目前多侧重于葛洲坝坝下产卵场，为了后续更好地与当前其他成果进行比较分析，本文模拟区域仍选葛洲坝电站以下至三江汇入口前长约3.5 km的产卵河段。

葛洲坝工程坐落在长江小岛西坝之上，西坝将长江分割为南、北两支，南支称大江和二江，北支称三江（图1）。坝下主河道方向逐渐从西南转向东南，在庙咀处与三江汇流。坝下地形起伏大（图2），河底基本为岩石和卵石组成的硬质河床。近坝江底有筑坝时抛掷的大型水泥多面体，坝下约lkm左侧二江泄洪闸下有泄水冲刷出的深潭，右侧为葛洲坝坝下中华鲟产卵场的“上产卵区”（也有称为“上产卵场”，包括江心滩的部分面积，处于大江小滩和西坝深坑之间），河底为卵石暗礁；再往下的左侧是产卵场的“下产卵区”（也有称为“下产卵场”，主要包括药厂浅滩和笔架山主槽）；再下游是庙咀，其右侧是一个深槽。庙咀以上河段深槽浅滩相互交替，高程变化范围较广；庙咀处与三江汇流处的镇江阁下游河段偏左侧高程较低。

据调查，1996年至葛洲坝坝下河势调整之前，中华鲟的产卵区域相对固定，年际间仅有微小移动。且考虑到获取的地形数据和断面实测流速情况，本次模拟时间范围选择2004年中华鲟产卵日。

图1 葛洲坝工程平面布置示意图

图2 实测的葛洲坝下游中华鲟产卵场地形（2003年汛后）

中华鲟产卵场功能分区模型，是危起伟［9］对葛洲坝坝下中华鲟上、下产卵区河床形态进行扫描分析，对比原天然产卵场的河床形态，并结合亲鲟自然繁殖期的行为及受精卵的分布情况提出的，即认为一个完整的中华鲟产卵场必须同时具备产卵受精区、播卵区和着卵孵化区3个功能区；且描述了3个功能区的作用和环境特性，给出了功能区大体范围。其中普遍提及的“上产卵区”和“下产卵区”其实是中华鲟产卵场的产卵受精区［9］。张辉［10］在此基础上，进一步指出了上下产卵场的3个功能区范围。

3 模型构建和率定

计算流体力学软件Fluent提供了3种求解器（Segregated Solver、Coupled Explicit Solver、Coupled Implicit Solver）和8种湍流模型。其中k-ε模型包括标准k-ε模型、RNGk-ε模型、带旋流修正的k-ε模型。基于模拟河段情况，选择RNGk-ε湍流模型。与标准k-ε模型相比，RNGk-ε模型通过修正湍流黏度，考虑了平均流动中的旋转及旋转流动情况，还在ε方程产生项的系数的计算中引入了主流的时均应变率Eij，使得值不仅与流动情况有关，还与空间坐标有关，有效改善了精度。

图3 模拟区域网格划分示意图（箭头为水流走向）

3.1 模型构建（1）网格划分。基于模拟河段地形，将模型网格大小划分为20 m×20 m×0.3 m，总网格数为566 640个（图3）。（2）模型选择。考虑天然河道的特殊性，模型格式选择非稳态的显性格式，Volume of Fluid二相流模型，湍流模型设置为RNGk-ε。（3）条件设置。流体材料设为水-空气；操作压力设置中考虑Z方向重力加速度-9.81m/s2，参考压力位置选择空气中某一点。

边界条件，上游选择速度进口，下游选择水位出口。2004年中华鲟产卵日（2004年11月12日）葛洲坝大江、二江电厂正常运行，二江泄水闸和冲沙闸关闭［11］。因无法获知更详细的流量分配，假设大江、二江电厂均匀出力［12］，产卵日电站下泄平均流量为10 150 m3/s，依据大江电厂965×106W和二江电厂1 750×106W的装机容量分配，分别获得大江电厂进口流量为6 542 m3/s，二江电厂为3 608 m3/s。下游出口水位为42.4 m。其余边界中左右岸和河床均设为墙体，河床粗糙厚度按照长江泥沙公报中控制站点的年中数粒径设置；开口处设置为空气压力进口。

求解控制参数，选择PISO算法，二阶迎风离散格式，体积分数选择几何重构，欠松弛因子先保持默认，若后续计算过程不稳定或发散，适当将其调小。残差监测和标准，调整残差收敛标准为10-5。时间步长初始设置为0.01 s，单个时间步长迭代步数设置为20，计算过程中查看残差曲线和进出口流量，不断调整至适当的时间步长。

图4 断面位置图［11］

3.2 模型验证基于葛洲坝下游产卵场2004年11月12日的底层实测流速［11，13］，切割提取相同产卵日同样断面（见图4，由于原来的断面1刚好在本模拟河段的外边缘，所以去掉该断面，原来的断面2-12依次改为断面1-11；并且经过坐标转换）。针对每个断面沿着底部提取相应的流速，流速模拟结果见图5。可见模拟值与实测值的流速走向和大小基本吻合。

图5 葛洲坝下中华鲟产卵日（2004.11.12）不同断面的模拟流速与实测流速

图6 葛洲坝坝下产卵场的功能分区

图7 葛洲坝坝下产卵场截取的横断面空间分布

3.3 计算结果与分析

3.3.1 断面切割 根据上下产卵场的产卵受精区、播卵区和着卵孵化区范围（见图6），分别在水平、横向、纵向切割出不同的断面进行分析。水平断面，即沿着Z方向切割出水下0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9倍水深的断面。横断面为AA′～II（′见图7），其中AA′和BB′断面处于上产卵场的产卵受精区，CC′和DD′断面处于上产卵场的播卵区，EE′断面处于上产卵场的着卵孵化区，FF′和GG′断面在下产卵场的产卵受精区，HH′断面在下产卵场的播卵区，II′断面在下产卵场的着卵孵化区内。沿着河道左、中、右位置切割出纵断面，其中11′、22′和33′断面位于上产卵场，44′、55′和66′位于下产卵场。

3.3.2 流速结果 流速不仅会影响河道淤积，还决定了生物在河流中所能接受的流体能量，对物种生物过程（如呼吸、养分吸收和利用等）非常关键，强烈影响了生物结构和行为适应性［14］。

（1）不同水深处的流速。葛洲坝坝下产卵场内地形起伏较大，主流沿着河道向下，浅滩处水流较急，深潭处水流较缓。由表1可知，不同水深下水面平均流速分别为1.24、1.20、1.18、1.17、1.16、1.15、1.14、1.12和1.11 m/s，平均流速逐渐减小。

中华鲟为底栖生物，所以需特别关注偏底层流速。图8为水下0.5倍、0.9倍断面的流速图，可见两个产卵场的产卵受精区和播卵区流速都明显大于着卵孵化区流速，这正满足着卵孵化区要相对静止的栖息环境的要求。上产卵场底层，产卵受精区流速范围为0.6～1.5 m/s，播卵区流速范围为小于1.7 m/s，着卵孵化区流速小于1.5 m/s，大部分范围流速小于1.3 m/s。下产卵场底层，产卵受精区流速范围为0.8～1.7 m/s，播卵区流速范围为0.8～1.9 m/s，着卵孵化区流速范围为0.4～1.7 m/s，且大部分范围流速小于1.3 m/s。水体在西坝深坑处存在明显逆时针漩涡，且水体流态较混乱。

图8 不同倍数水深处的流速图

（2）横断面流速。葛洲坝坝下上、下产卵场不同功能区的流速取值范围见表1。可见，葛洲坝坝下产卵场不同功能区的底层流速变化总体满足产卵受精区＞播卵区＞着卵孵化区，播卵区的垂向流速变化幅度大于产卵受精区的特点，但是断面间流速变化过程没有那么鲜明。特别是上产卵场中，播卵区的垂向流速变化范围与产卵受精区相差不是很明显，这会影响中华鲟精卵的充分结合；着卵孵化区内部分区域底层速度大于播卵区和产卵受精区，垂向流速扰动也较大，这会导致中华鲟卵不能很好地附着于河床底质上。以及下产卵场中，着卵孵化区的垂向流速变化幅度较大，过大的扰动也会影响卵的附着孵化。

截取出的9个横断面发现均形成了二次流，但明显上产卵场中CC′、DD′断面的旋流较强烈，旋流较大且存在很多小旋流。AA′和BB′断面的旋流主要存在于产卵受精区外的岸边或表层水中。下产卵场的FF′、GG′和HH′断面都在靠近左右岸形成了类似的三个主要旋流，II′断面形成的旋流形式与其他三个断面不同。图9-图11为上产卵场三个功能区内断面的流速和迹线图。

图9 上产卵场产卵受精区内横断面AA′的流速图和迹线图（面向下游，（a）的黑圈内是产卵受精范围）

图10 上产卵场播卵区内横断面DD′的流速图和迹线图（面向下游）

图11 上产卵场着卵孵化区内横断面EE′的流速图和迹线图（面向下游）

图12 上产卵场纵断面流速图（面向左岸）

（3）纵断面流速。根据上产卵场3个纵断面的流速（图12）可知，AA′～BB′间底层流速大于CC′断面（仅看断面22′，因仅22′通过了上产卵场的产卵受精范围），CC′～DD′之间明显垂向流速变化范围变大。在11′和33′断面，DD′～EE′之间流速垂向变化范围减小；在22′断面反而变大。

对下产卵场3个纵断面流速分析可知，FF′～GG′断间面流速变大（仅针对断面55′，因仅55′通过了上产卵场的产卵受精范围），GG′～HH′间垂向流速多变，II′断面前后流速变小，但断面66′的II′断面处垂向流速变化幅度较大，底层流速较HH′断面小。

纵断面流速的整体变化与产卵场功能，以及横断面的流速分析结果相对应。产卵场纵向流速场内水流沿着地形向前流动，没有形成明显的旋流。

表1 葛洲坝坝下产卵场的流速特征

3.3.3 涡量结果 涡旋运动与鱼类在水中的活动关系密切。中华鲟产沉性黏性卵，卵比重略大于1，通常在产出后5分钟产生黏性，因此卵在产出到黏附之间的时段内必须要和精液混合受精。而涡强反映了流体中涡旋存在性，反映了加强精卵掺混的可能性，是提高受精率的保障。

产卵场底层水深的涡量分布见图13，可知大部分区域的涡量小于0.18 s-1。其中上产卵场产卵受精区涡量小于0.44 s-1，播卵区涡量小于1.62 s-1，着卵孵化区涡量小于0.53 s-1。下产卵场产卵受精区涡量小于0.18 s-1，播卵区涡量小于0.90 s-1，着卵孵化区涡量小于1.08 s-1。

3个功能区各断面涡强基本满足播卵区＞产卵受精区＞着卵孵化区，这符合播卵区需产生较强烈的回漩水，确保产卵受精区排出的精卵能得到充分混合和散播的要求；但上产卵场着卵孵化区涡量值大于播卵区，水体扰动太激烈将不利于中华鲟卵附着孵化。涡强极值并非一直出现在靠近岸边的位置，如DD′、EE′、HH′断面就出现在靠河道中央位置。图14为横断面AA′、DD′、EE′的涡量图。

具体地上产卵场：AA′断面涡量范围为0.004 2～2.83 s-1，平均涡量0.70 s-1；BB′断面涡量范围为0.003 1～3.80 s-1，平均涡量0.73 s-1；当仅在产卵受精区内，AA′断面涡量均值为0.19 s-1，BB′断面涡量均值0.35 s-1。位于播卵区的CC′断面涡量范围为0.003 1～2.62 s-1，平均涡量0.39 s-1；DD′断面涡量范围为0.004 5～6.85 s-1，平均涡量0.73 s-1；着卵孵化区内EE′断面涡量范围为0.003 4～4.51 s-1，平均涡量0.94 s-1。

下产卵场：产卵受精区FF′断面涡量范围为0.002 5～1.58 s-1，平均涡量0.43 s-1；BB′断面涡量范围为0.005 5～3.46 s-1，平均涡量0.35 s-1；位于播卵区的HH′断面涡量范围为0.003 2～1.82 s-1，平均涡量0.44 s-1；着卵孵化区内的II′断面涡量范围为0.001 9～1.76 s-1，平均涡量0.28 s-1。

3.3.4 湍动能结果 湍动能定义为脉动速度平方的统计量之半，它将脉动具有的动能从平均动能中分离出来，值越大表明湍流脉动长度和时间尺度越大。

图13 葛洲坝坝下产卵场的底层涡量分布

图14 上产卵场不同功能区的横断面涡量图（面向下游）

由图15可知，葛洲坝上产卵场的底层湍动能范围为0～0.15 m2/s2，其中产卵受精区的底层湍动能范围为0～0.03 m2/s2，播卵区为0～0.15 m2/s2，着卵孵化区为0～0.11 m2/s2。葛洲坝下产卵场的底层湍动能变化范围为0～0.11 m2/s2，其中产卵受精区的底层湍动能范围为0～0.024 m2/s2，播卵区为0～0.11 m2/s2，着卵孵化区为0～0.11 m2/s2。综合上下产卵场发现，大部分区域内底层湍动能范围为0～0.07 m2/s2。

图15 葛洲坝下游产卵场底层湍动能图

图16 上产卵场不同功能区的湍动能图（面向下游）

特别地，AA′断面的上游是大江泄水，湍动能较大。上产卵场所在河道左边湍动能明显大于右边；下产卵场则江心处湍动能较两岸低。产卵受精区底层湍动能小于播卵区，但播卵区和着卵孵化区底层湍动能差异不明显。

从上产卵场功能区的各个断面湍动能来看（图16），湍动较激烈的区域基本位于左岸上中层水体，在DD′断面和EE′断面湍动较激烈区往江心和右岸偏移。具体地，上产卵场产卵受精区AA′断面的湍动能范围为0～0.040 m2/s2，BB′断面湍动能范围为0～0.055 m2/s2；播卵区的CC′断面湍动能范围为0～0.13 m2/s2；DD′断面湍动能范围为0～0.13 m2/s2；着卵孵化区内的EE′断面湍动能范围为0～0.7 m2/s2。

下产卵场功能区内湍动较激烈的区域位于水体上中层。具体地，下产卵场产卵受精区FF′断面的湍动能范围为0～0.17 m2/s2，GG′断面湍动能范围为0～0.1 m2/s2；播卵区的HH′断面湍动能范围为0～0.58 m2/s2；着卵孵化区内的II′断面湍动能范围为0～0.26 m2/s2。

尽管上下产卵场各断面底层湍动能范围有所区别，但底层湍动能相互间变化不大，主要集中在0～0.055 m2/s2，特别是着卵孵化区的湍动能没有很明显地区别于播卵区。

4 结论

运用Fluent模拟了葛洲坝坝下中华鲟产卵场典型产卵日的三维水流过程，分析了上、下产卵场不同功能区（产卵受精区、播卵区和着卵孵化区）的流速、涡量、湍动能等水力学参数的数值范围和变化规律。底层流速在产卵场功能区内的变化趋势总体存在产卵受精区＞播卵区＞着卵孵化区的特点，但不同功能区对应的流速范围不一样。播卵区的垂向流速变化范围总体大于产卵受精区，但在上产卵场与产卵受精区相差不是很明显，这会直接影响中华鲟精卵的充分结合。上产卵场着卵孵化区的底层流速范围包含播卵区和产卵受精区，部分区域的流速明显大于播卵区和产卵受精区，同时下产卵场着卵孵化区的垂向流速变幅较大，这些都会影响鲟卵的黏附孵化。葛洲坝坝下产卵场横断面均形成二次流，且迹线走向比较复杂。涡量方面基本满足播卵区＞产卵受精区＞着卵孵化区的特点，但在上产卵场着卵孵化区涡量值明显大于播卵区，太大的扰动也将不利于鲟卵的附着孵化。湍动能方面，明显与上游大坝泄水有关，但底层湍动能在各功能区变化不大，特别是着卵孵化区的湍动能没有很明显地区别于播卵区。

中华鲟的危急现状对客观掌握其产卵繁殖所需的水流特性提出了更高的要求，有必要在现有研究基础上，进一步针对中华鲟历史天然产卵场开展更全面大量的模拟、对比分析工作。

参 考 文 献：

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