航道整治水文情势变化对四大家鱼产卵场的影响——以荆江周天河段为例

(1.中南安全环境技术研究院股份有限公司,湖北 武汉 430071; 2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉 430072)

长江中游荆江河段是连接长江流域上、中、下游的唯一水运通道，目前，其碍航问题十分突出，是长江干线航道维护最为困难的河段。随着三峡水库的持续运行以及“清水下泄”的影响[1]，沙质河床仍将冲刷下切，枯水期同流量下水位也随之下降，从而削弱三峡工程的枯水补偿效应，直接影响枯水期沿程的水深条件，局部未守护区域滩体冲刷及岸线崩退造成枯水河槽展宽。目前，该水道航槽已大幅淤窄[2-3]。长江中游荆江航道3.5 m深航道整治包括护滩(底)带、护岸(高滩守护)、潜丁坝、护岸加固、填槽和乱石堆整平等工程，重点为浅水道整治对象。通过工程措施，遏制河道的不利变化，并利用清水下泄加大枯水航槽的冲刷，改善航道条件，提高航道尺度，确保枯水期航道畅通。

青鱼(Mylopharyngodonpiceus)、草鱼(Ctenopharyngodonidellus)、鲢鱼(Hypophthalmichthysmolitrix)和鳙鱼(Aristichthysnobilis)合称四大家鱼，是我国特有的经济鱼类[4-5]。长江是我国四大家鱼的主要天然原产地、栖息地和繁殖地[6-7]，在每年4月下旬至7月上旬水温达18℃的洪水时期，亲鱼便集中在产卵场产卵[8]。而不同形态河床的水动力特性与鱼类栖息地之间具有强烈的相关性[9]，对产卵场特定的地形和水动力条件的需求是影响四大家鱼产卵的重要因素[10]。

本研究以长江中游荆江周天河段为例，采用河道平面二维水动力数学模型，预测分析该河段航道整治工程实施后水流特性的变化，研究航道整治工程对该河段内四大家鱼产卵场的影响。

1 研究区域及工程介绍

1.1 研究区及工程概况

周天河段位于长江中游上荆江河段末端与下荆江河段进口段，上起郝穴，下至古长堤，全长约28 km，是顺直微弯的放宽型河段[11]。

周天河段航道整治建设方案由潜丁坝工程、岸线守护及加固工程组成：左岸新建1道带勾头的潜丁坝，直段长度为430 m，勾头长度为150 m，坝顶宽3 m，上游边坡1︰2，下游边坡1︰2.5，坝头以1︰5的坡比向前延伸，主要功能是改变水流流向，防止横向侵蚀，保持目前有利的滩槽格局；右岸南五洲岸线守护及加固段总长度为4 924 m；左岸新厂高滩右缘守护工程5 215 m，详见图1。工程实施后将改变工程区域河道地形条件、河床相对粗糙程度等河道边界条件，对河段的水流流态、水位和流速将产生一定的影响。

图1 周天河段航道整治工程方案平面布置Fig.1 The layout scheme of waterway regulation project in Zhoutian section

1.2 工程区产卵场分布

根据工程建筑物布置与产卵场分布情况，周天河段潜丁坝工程、南五洲岸线守护及加固工程和新厂高滩右缘守护工程全部位于马家寨-新厂产卵场，工程涉及产卵场河段长约6.67 km，占该产卵场总长23.8%。

2 研究方法

根据周天河段航道整治工程实施方案，采用平面二维水动力数学模型，对工程修建后水流流态、水位和流速等水力因素变化进行计算分析。

2.1 模型基本方程及定解条件

水流连续方程：

(1)

水流运动方程：

(2)

(3)

式中，z为水位；h为水深；u,v为x,y方向的流速；C为谢才系数。

为拟合不规则河道边界，模型采用正交曲线网格对计算域进行网格划分。正交曲线坐标系下水流基本方程如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(3) 定解条件。定解条件包括边界条件和初始条件。边界条件有开边界和闭边界条件。开边界即进、出口水边界，在恒定流计算中进口给定流量、出口给定水位。闭边界即陆域边界，模型中令其法向流速分量为零。

初始条件包括初始水位和初始流速条件，在出口水位的基础上假定一比降赋值初始水位；按给定流量及初始水位计算初始流速。

2.2 数值求解方法

根据推导，曲线坐标系下模型基本方程可表示成如下一般形式：

(10)

该方程的数值离散可采用有限体积法。该方法的优点在于能很好保证水流模型中的水量和动量守恒。方程离散采用了自动迎风格式，离散方程的求解采用SIMPLEC算法。为避免水位锯齿波，采用了交错网格技术。

2.3 数学模型相关问题处理

(1) 动边界模拟。在计算过程中，计算域内部分节点在涨水时会被“淹没”，在落水时会“干出”。为正确反映这部分节点的干湿变化，模型中采用以下动边界模拟技术：选定一临界水深(hmin取为0.005 m)，当某时刻某节点实际水深(水位减去河底高程)小于临界水深时，认为该节点“干出”，令该点流速为零，水深为临界水深，水位值由附近非“干出”点水位值外插值得到；当某时刻某节点实际水深大于临界水深时，则恢复程序计算。

(2) 参数取值。二维水流数模计算涉及的主要参数有河道糙率、紊动黏性系数等。河道糙率实际上是一个综合阻力系数，反映了计算河段的河床河岸阻力、河道形态变化、水流阻力及河道地形概化等因素的综合影响。河道糙率可按实测水位资料率定。紊动黏性系数采用vt=αu*h公式计算，其中α为常数，取值为0.5，u*为摩阻流速。

2.4 模型验证

根据同为长江中游荆江河段的藕池口和碾子湾两条水道2008年1，6，8月完成的3次的水文原型观测，流量分别为4 780，14 429，19 560 m3/s。选取河段内8个水文断面进行观测(从上至下分别为：1～8号)，利用数学模型在同步地形的基础上分别对这3个流量级进行了模型验证。验证计算内容包括水位、汊道分流比、断面流速分布等。 (1) 水面线验证。由表1中数据可以看出，2008年3个流量级水位的计算值与实测值吻合都较好，最大误差为3号水尺枯水验证时的0.033 m，而大部分测点的水位误差都在0.020 m以内。

(2) 平面分流比验证。从表2中的数据看来，数学模型计算出的藕池河分流以及藕池口水道内各汊道的分汇流情况与实际情况能较好地吻合，两者相差在1个百分点以内。

(3) 平面流速分布验证。从图2～4中可以看出，数学模型计算出的2008年1，6月及8月流速分布与实测流速分布吻合都较好，平均误差在0.1 m/s以内。

由以上3方面的验证结果可见，数学模型计算值与实测值吻合好，精度较高，通过验证所确定的糙率在0.017～0.031之间，较为合理。所以，该数学模型能较好地模拟本河段。

表1 水位验证成果Tab.1 Water level verification result m

表2 汊道分流比验证成果Tab.2 Channel divesion ratio verification result

图2 断面流速分布验证结果(Q=4 780 m3/s)Fig.2 Cross-section velocity distribution verification (Q=4 780 m3/s)

图3 断面流速分布验证图(Q=14 429 m3/s)Fig.3 Cross-section velocity distribution verification (Q=14 429 m3/s)

图4 断面流速分布验证图(Q=19 560 m3/s)Fig.4 Cross-section velocity distribution verification (Q=19 560 m3/s)

2.5 数学模型设计

(1) 计算条件。计算河段为周公堤水道-天星洲水道段，长约20 km。二维计算网格采用正交曲线网格形式，工程前后计算采用相同的网格布置。周天河段网格节点数为40×300个，沿水流方向网格间距66～67 m，垂直水流方向网格间距28～145 m。整治工程前计算河段地形采用实测地形，工程后计算河段地形在工程前地形基础上按设计方案修正。

数模计算选取丰、平、枯水期3种水文条件。丰水期水文条件选取7～9月份累计频率10%最小流量，平水期选取多年平均流量，枯水期选取12～2月份累计频率90%最大流量。

表3 周天河段计算水流条件Tab.3 Flow calculation conditions in Zhoutian section

(2) 计算参数率定。本次二维数模计算率定的周天河段丰水流量糙率变化范围为0.016～0.018，多年平均流量时为0.018～0.022，枯水流量时为0.022～0.025。

(3) 工程概化。为了反映整治工程措施对河道水流的影响，在网格划分时尽可能对工程局部进行网格加密处理，在便于数模计算和偏于工程安全两个指导原则下，对整治航道的岸边地形加以概化。尽量将潜丁坝、护滩以及护岸加固工程建筑物的高程反映到计算网格中，假定工程实施后河底高程改变与工程高度一致，保证阻水效果不被削弱。另将工程附近局部区域糙率作适当修正，对于如抛石、透水框架等形式的附属阻水过流建筑物，其阻水效果主要是通过局部阻力得以体现。

将以上附属结构建筑物对水流的阻力采用断面突然缩小阻力计算公式进行概化，局部水头损失系数计算公式为

(11)

式中，A1为断面缩小前的面积；A2为断面缩小后的面积。

为了便于计算，常将局部阻力系数ξ通过(12)式转化成附加糙率n*的形式：

(12)

最后得到整治建筑物所在处河床的综合糙率为

(13)

式中,n0为整治前河床的糙率；n为整治后综合糙率。

以往的工程实践表明，以上概化方法能较好地反映整治工程结构对河道水位、流场的影响。对于工程附近已建工程，均作为固有边界考虑。

3 计算结果与分析

(1) 水流流态。周天河段河道属于微弯型河道，在丰水流量情况下水流上滩，计算流场滩槽区分明显，主流动力轴线基本贴近深泓线，水流流态整体平顺，主槽流速较大，滩地流速较小；多年平均流量情况下，水流上滩，计算河段上游的潜丁坝工程对河道水流有一定的壅水作用；枯水流量时水流顺河槽蜿蜒行进，岸滩不过水，只有潜丁坝工程对河道水流有阻碍作用。

图5 周天河段航道整治工程前后0.7～1.2m/s范围内流速范围Fig.5 Flow velocity within 0.7～1.2 m/s before and after waterway regulation of Zhoutian section

(2) 水位变化。丰水流量情况下，潜丁坝和护岸等整治工程上游水位壅高，下游水位降低，水位最大壅高0.010 m，水位最大降低0.010 m；整治工程实施后，工程区局部范围水位抬高约0.001～0.010 m，水位降低约0.005～0.010 m。多年平均流量情况下，整治工程上游水位壅高，下游水位降低，水位最大壅高0.015 m，水位最大降低0.015 m，工程区局部范围水位抬高约0.005～0.015 m，水位降低约0.005～0.015 m。枯水流量情况下，工程实施后周天河段水位变化较大，右岸护岸及左岸潜丁坝工程上游水位壅高0.001～0.010 m，下游水位降低0.001～0.010 m。

(3) 流速变化。在护岸及潜丁坝等整治工程上下游局部范围内流速有所减小，在整治工程头部附近以及工程内侧河槽中流速有所增大。丰水流量情况下，在潜丁坝上下游流速减小0.05～0.10 m/s，靠近河道内侧流速增加0.05～0.15 m/s，上游护岸工程附近流速增加0.05 m/s。多年平均流量情况下，潜丁坝上下游流速减小0.05～0.10 m/s，靠近河道内侧流速增加0.05～0.10 m/s；河段最上游护岸工程附近流速增加0.05～0.10 m/s，下游护岸工程局部水流流速减小0.05 m/s左右。枯水流量下，工程前后水流流速变化较大，潜丁坝工程上下游水流流速减小0.01～0.10 m/s，在附近河槽流速增大0.01～0.10 m/s，影响范围较大；在护岸工程附近，局部水流有所减小，但影响范围有限。

4 水文情势变化对四大家鱼产卵场的影响

周天河段航道整治工程实施后，四大家鱼产卵期水位变化约-0.010～0.010 m，流速变化约-0.10～0.15 m/s。根据相关研究，四大家鱼产卵繁殖最适宜的流速范围为0.7～1.2 m/s[12-13]，从图5工程实施前后0.7～1.2 m/s流场范围叠加图可以看出，工程对四大家鱼产卵繁殖生态水动力学条件影响较小，且工程运行后工程建筑物上下游水位及流速的局部变化，使得局部流场水流形态变得更为复杂，但影响范围和程度较小，不会对产卵场水流流态造成大的影响。受工程建筑阻碍作用，该河段潜丁坝工程上游约3.7 hm2局部水域流速及水位发生变化，水位升高最大值为0.010 m左右，流速下降最大值为0.05 m/s；潜丁坝坝头及下游约3.4 hm2局部水域流速和水位发生变化，其中，水位下降最大值为0.005 m，流速变化值为-0.05～0.15 m/s；潜丁坝相比该河段其他水工建筑物对流场的变化影响较大，局部流场变得更为复杂多变，有利于“泡漩水”的形成，一定程度上有利于鱼卵的受精和正常孵化[14]。

此外，由于潜丁坝导致局部流速以及附近河床冲淤的变化，能消减水流的动能，减缓流速、淤积泥沙，客观上起到了人工鱼礁的作用，可为鱼类提供良好的庇护、栖息及觅食等环境。

工程水下沉排和抛石厚度在1.0～2.6 m之间，影响面积88.54 hm2，使得局部河床地形更为复杂，但对水域河床地形地貌影响范围和程度较小。工程实施主要是防止清水下泄冲刷影响，维护现有岸线和洲滩的稳定，不会改变河段岸线和洲滩现状，这对维护该产卵场分汊型和弯曲型河段形态具有积极作用。

5 讨 论

(1) 四大家鱼均为产漂流性卵鱼类[15]，产卵受河流表面水文情势变化影响更大。目前荆江航道整治工程是以守护型为主，对河道地形地貌影响较小，因此本文采用河道平面二维水动力数学模型对周天河段航道整治工程实施后水流特性的变化进行了分析。今后随着航道标准的提升，航道整治将逐步转变为控导型工程，河道地形地貌变化对河流表面水文情势的影响将加大，因此下一步还应继续开展三维水动力数学模型模拟工程实施后河道地形地貌及生态水文情势变化对四大家鱼产卵场的影响。

(2) 目前，我国主要采取利用人工鱼礁及人工鱼巢恢复或重建部分受破坏的鱼类产卵场，为鱼类生存繁衍提供优良的栖息环境。我国在巢湖[16]、西江[17]等水系开展了一系列人工鱼巢的试验和工程实践，取得了一定的效果。此外，为了在建设护坡时同时开展鱼类的栖息地建设，国外有关研究单位提出了一种新的河道护岸构件——鱼巢砖[18-19]，目前已在国内中小河流治理工程中得到应用。本工程潜丁坝设计及岸线守护加固设计目前只是满足了长江航道整治尺度的要求以及四大家鱼产卵的生境要求，下一步还应继续开展坝体仿生设计以及生态护岸鱼巢砖的应用研究，使之具备给四大家鱼及部分小型鱼类提供产卵和栖息场所的生态效应。