正挑丁坝区鱼类栖息地水力生境指标分布特征数值模拟

姜 利，邓晓龙，钟 亮,2，陈镜元，钟雪怡，刘相乾，付 强

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074)

丁坝是常见的河道整治建筑物，具有改善航道、维护河相和保护水生态等作用。根据丁坝轴线与水流交角的不同，可将丁坝分为上挑丁坝、下挑丁坝和正挑丁坝3种，其中正挑丁坝轴线与水流方向呈90°交角，该类丁坝在航道整治工程中应用广泛。丁坝修建后形成的周围缓流区是鱼类生存栖息的重要场所[1]，在一定程度上对鱼类生境具有改善作用[2-3]，开展丁坝区鱼类栖息地水力生境指标的分布特征研究，对河道鱼类资源保护和生态航道工程建设等具有重要意义。

鱼类生活栖息地包括“三场一通道”[4]，即产卵场、索饵场、越冬场以及连接不同生活阶段水域的洄游通道，其中产卵场是重要且敏感的鱼类栖息场所。为评估鱼类与栖息地之间的关系，陈明千等[5]考虑鱼类产卵场不同的水力学特性，结合各水力参数对鱼类产卵的生态学意义，提出了以几何形态特征、水体运动学特征及水体动力学特征为要素层，以水深、流速、流速梯度、动能梯度及涡量为指标层的鱼类产卵场水力生境指标体系；马里等[6]将鱼类栖息地水力学指标分为几何特征、运动学特征、动力学特征及无量纲量4类；杨宇等[7]将描述栖息地特征的水力学变量划分为水流特征量、河道特征量、无量纲量以及复杂流态特征量；柏海霞等[8]将四大家鱼产卵场水力学指标分为水流运动特征指标和能量特征指标两大类；易雨君等[9]基于四大家鱼的繁殖特性分析，建立了水位变幅、流速及水温的适宜度曲线，构建了家鱼的栖息地适宜度方程。目前已有部分学者将鱼类产卵场水力生境指标应用于整治工程河段的生境评价中，比如，赵尚飞等[10]、Kolden等[11]应用水生生物栖息地模型，研究了顺直河道和丁坝河道不同流量条件下的鱼类栖息地适宜性；蒋宁等[12]通过河道鱼类栖息地适宜度数学模拟，评估了东流水道丁坝整治工程对四大家鱼产卵繁殖的影响；钟亮等[13]探讨了山区弯曲河道四大家鱼产卵栖息地适宜度的分布特征，阐明了适宜度指标在弯道中的分布规律；谭燕平等[14]以雅砻江锦屏大河湾减水河段中鱼类栖息地为例，得出目标物种对水深及流速的适宜性曲线，定性描述了鱼类适宜栖息地分布随流量变化的关系。

综上所述，现有研究主要针对鱼类水力生境指标参数表达，以及适宜度指数在整治工程区鱼类生境评估中的应用，而关于其他鱼类水力生境指标在丁坝区的分布规律等问题的研究还鲜有涉及。为此，本文以淡水养殖中重要经济鱼类四大家鱼为代表，基于三维水流数值模拟资料，研究正挑丁坝区鱼类栖息地关键水力生境指标(流速、流速梯度、动能梯度、流速适宜度等)的分布特征。研究成果将有助于丰富丁坝区鱼类栖息地水力生境指标分布问题的认识，并为河流栖息地评价及鱼类生境保护提供理论基础。

1 数值模拟

1.1 控制方程

采用三维水流数学模型开展研究，模型的基本控制方程见式(1)—(4)。

a)连续性方程。

(1)

b)动量方程。

(2)

式中t——时间；Vf——可流动的体积分数；ρ——流体密度；p——作用在流体上的压力；Gx、Gy、Gz——x、y、z向的重力加速度；fx、fy、fz——x、y、z向的黏滞力加速度。

c)RNGk-ε模型。

紊动能k方程：

(3)

紊动能耗散率ε方程：

(4)

(5)

式中μ——分子黏性系数；μt——紊流黏性系数；αk、αε——湍动能和耗散率对应的Prandtl数；Gk——紊动能产生项；β、η0、C1ε、C2ε——经验常数。

1.2 模型验证

模型验证采用周鑫靖[15]的水槽试验资料，矩形试验水槽的尺寸为48 m × 2 m × 1 m(长×宽×高)，底坡为5‰，其中侧面与底面均采用混凝土抹面。丁坝设于水槽左岸，距水槽进口28 m；丁坝长0.8 m，厚0.1 m，高0.5 m。试验段共布置了7个观测断面(CS1—CS7)，其中断面CS3位于丁坝轴线处，上游断面CS1—CS2距坝轴分别为75、25 cm，下游断面CS4—CS7距坝轴分别为25、50、100、150 cm，观测断面布置见图1a。各断面沿水槽宽度方向均布置了11条测流垂线，垂线间距为20 cm(其中近岸垂线距同侧边壁约5 cm)，各垂线上均布置了7个流速测点，测点间距为4.5 cm，流速测点布置见图1b。

a)水位验证。选用水槽左岸(L)、中轴(M)和右岸(R)3条纵向水位线进行验证，结果见图2。由图可见，数模计算与实测值的符合程度较好，水面线走势总体吻合，水位偏差很小，基本在0.05 cm以内。

a)观测断面

b)流速测点

a)左岸

b)中轴

c)右岸

b)垂线流速分布验证。相较纵向流速，横向和垂向流速较小，这里主要验证纵向流速的垂线分布。局限于篇幅，图3只给出了丁坝断面(CS3)上3条代表垂线(7、8、9号)的纵向流速分布验证情况，由图可知，计算与实测流速大小偏差一般小于0.005 m/s，垂线分布较为吻合。

a)7号

b)8号

c)9号

c)平面流场验证。基于水槽试验情况，图4给出了距槽底为0.33H和0.67H的水平层流场，其中H为丁坝断面平均水深，验证显示，计算与实测流场的流速分布形态接近，流向基本一致，较好揭示了丁坝束流作用下的坝头流线弯曲和坝后回流。

综上，验证结果显示数模计算的水位和流速与实测值较为吻合，说明本文采用的数学模型是合理的，结果准确性较好，可用至下一步研究。

a)0.33H

b)0.67H

1.3 计算条件

本研究采用的水槽尺度与前文验证时保持一致，丁坝长50 cm、厚10 cm、高50 cm，模型边壁和底部糙率均为0.014；在笛卡尔坐标系下采用均匀网格对水槽及丁坝模型进行剖分(图5)，网格尺寸为0.025 m3，单元数约450万个，丁坝处采用局部嵌套处理，加密网格尺寸为0.012 5 m3，网格数约1.5万个。初始时间步长为0.001 s，最小时间步长为1 × 10-9s。参考现有研究，选取弗劳德数Fr范围( 0

图5 水槽及丁坝网格剖分

表1 数模计算工况

1.4 分析方法

本文以鱼类产卵场水力生境指标为分析重点。研究表明，在鱼类产卵场水力生境指标中，流速作为关键指标，适宜的流速可刺激鱼类产卵，并防止漂流性鱼卵下沉[5,9]；流速梯度对鱼类体外受精有直接影响，鱼类产卵常常选择流速梯度大、水流混乱度高的水域，同时流速梯度影响着水域中营养物质的混掺，能反映鱼类觅食位置的特征[5,16]；动能梯度可反映鱼类空间位置变化所需的能量消耗[5,8]；流速适宜度是描述鱼类对产卵场适应性的重要指标，对选择鱼类产卵栖息地有着重要参考意义[10]。因此，本文将重点探讨流速、流速梯度、动能梯度和流速适宜度的分布特征，各参数的表达式、生境学意义和适宜阈值见表2。

表2 水力生境指标

2 结果与讨论

2.1 流速

为分析鱼类水力生境指标沿水流方向的变化情况，研究中设置了6个剖面(CS1—CS6)，其中丁坝位于剖面CS3，剖面CS1、CS2分别位于丁坝上游1.0、0.5 m处，剖面CS4、CS5、CS6分别位于丁坝下游0.5、1.0、1.5 m处。图6给出了不同水深层的流速分布图，其中X为距丁坝的距离，从左至右为水流正方向，结果显示：①受丁坝的阻水和挑流作用，丁坝水流可分为壅水区、回流区、主流区和恢复区[15]，其中AB曲线的纵向流速为0，CD曲线内侧为回流区，外侧为主流区；②当来流量一定时，随弗劳德数Fr的增大，水流流速增大，丁坝对水流的束窄能力减弱，主流高速区逐渐向丁坝岸侧移动，受其影响，坝后回流区逐渐被压缩，回流宽度逐渐减小；③Fr<2时，因水流流速较小，在丁坝上游侧会出现一个明显的角涡，且随着水深的增加，角涡结构逐渐变弱；④水流靠近丁坝时产生绕流，丁坝附近流线发生弯曲，随着流线曲率半径的变化，主流区水流沿程从急变流变为渐变流，并在丁坝下游较远处逐渐恢复为均匀流。⑤各水深层丁坝坝头附近均有满足四大家鱼适宜产卵的流速(v>0.25 m/s)，与已有研究[2]发现坝后河道表层和中下层均能为鱼类提供产卵栖息环境结论较为一致。

a)Fr=0.129(表层)

b)Fr=0.281(表层)

c)Fr=0.129(中层)

d)Fr=0.605(表层)

e)Fr=0.129(底层)

f)Fr=0.129(表层)

2.2 流速梯度

图7以工况3为例，给出了沿程各剖面合流速沿水槽宽度方向梯度G(简称“流速梯度”)的分布云图，图中相对槽宽B+=y/B，y为距水槽左岸的距离，B为水槽宽度(B=2 m)，结果显示：①丁坝上游剖面(CS1、CS2)流速梯度G沿槽宽呈“两岸大、中间小”分布，水槽左岸和右岸G的最大值约4.5，而在水槽中部，G值约为0.5，这主要是由于水槽边壁摩擦阻力较大，边壁附近的流速沿槽宽分布不均匀，而水槽中部边壁摩阻作用明显减小，流速分布相对均匀；②丁坝剖面CS3的流速梯度G沿槽宽分布与丁坝上游剖面基本一致，坝头附近B+=0.25～0.30区段存在流速梯度G的高值区，约为4.5；③丁坝下游剖面(CS4、CS5、CS6)，坝后回流区左岸流速梯度G沿程逐渐增大，G最大值分别为1.7、2.5和2.9；丁坝坝头附近B+= 0.25～0.40区段存在近似椭圆状的流速梯度高值区，G≈4.5，这与丁坝束窄过水断面、改变了流速分布的均匀性有关；水槽右岸流速梯度高值区的数值及范围与上游剖面总体一致，沿程基本保持不变。

图8以丁坝上游剖面CS1、丁坝剖面CS3和丁坝下游剖面CS5为例，给出了各工况的流速梯度垂线平均值沿槽宽的变化，可见：①各剖面的流速梯度垂线平均值G随弗劳德数Fr的减小而增大；②从上游至下游，各剖面水槽右岸沿槽宽的G值变化率几乎一致，至右边壁达到最大；③各剖面水槽左岸的G值变化率不尽相同，丁坝上游剖面CS1的G值沿槽宽呈两段式线性递减，在B+=0.1处，G值递减速率变缓；丁坝剖面CS3的G值沿槽宽线性递减，在B+=0.35处，因主流高速区流速变化较小，G值趋于0；受坝后回流区的影响，丁坝下游剖面CS5的G值沿槽宽线性递减，在B+=0.15～0.35区段线性递增，随后又线性递减，且两次递减速率几乎相等；④综合工况1～3，G>2的区域主要集中在水槽左右两岸和丁坝坝头附近，由前文可知，适合四大家鱼产卵栖息的区域在丁坝坝头附近，而该处又为G的高值区，这与文献[8]的结论一致。

a)CS1

b)CS2

c)CS3

d)CS4

e)CS5

f)CS6

a)CS1

b)CS3

c)CS5

2.3 动能梯度

动能梯度M是流速梯度的能量表现形式，不仅可用来描述鱼类在水中移动至某个位置所需能耗，而且能衡量鱼类对产卵场的适应程度。图9给出了工况3下沿程各剖面动能梯度M沿槽宽的分布云图，图10以剖面CS1、CS3、CS5为代表，给出了各工况的动能梯度垂线平均值沿槽宽的变化，结果显示：①丁坝上游剖面(CS1、CS2)的动能梯度M沿槽宽分布与流速梯度G类似，但M在左岸的变化幅度较右岸小，左岸M的最大值分别为1.7、1.3，右岸值约为4.5，这是由于丁坝的阻水作用使上游形成壅水区，丁坝迎流侧水流流速减小，动能梯度也随之减小；②丁坝剖面CS3、丁坝下游剖面(CS4、CS5、CS6)的动能梯度M分布特征与流速梯度G几乎一致，其中下游剖面左岸的M变化与G不同，M在左岸很小且沿程几乎不变；③各剖面的动能梯度垂线平均值M随弗劳德数Fr减小而增大，除上下游剖面的水槽左岸侧不同，剖面CS1、CS3和CS5的动能梯度垂线平均值M沿槽宽的变化与G也一样。

d)CS4

e)CS5

f)CS6

a)CS1

b)CS3

c)CS5

2.4 流速适宜度

为研究鱼类的栖息地适宜性，本文以流速适宜度Su代表四大家鱼栖息地的适应性特征，由四大家鱼流速适宜性曲线可知[4]，Su>0.8的区域适合鱼类产卵栖息。图11以工况3为代表，给出了沿程各剖面流速适宜度Su沿槽宽的分布云图，结果表示：①丁坝上游剖面(CS1、CS2)流速适宜度Su呈“中间大、两岸小”分布，主流区Su>0.8的范围较大，水槽边壁处Su值较小；受丁坝的阻水作用，丁坝迎流侧水流逐渐变缓，水深方向的角涡逐渐弱化，左岸较小的Su值区也逐渐向右岸偏移；②丁坝剖面CS3、下游剖面(CS4、CS5、CS6)主流区Su>0.8的范围呈“凹”型分布，下游剖面因回流区流速较小，丁坝横截面积范围内的Su值也很小，最大约为0.3；③受丁坝附近下潜流的影响，从水槽表层至底层，坝后主流高速区沿水流方向逐渐被压缩，受其影响，Su>0.8的范围逐渐向水槽底部、右岸收缩。

图12给出了各工况下代表剖面CS1、CS3、CS5的流速适宜度垂线平均值沿槽宽的变化，可见：①丁坝上游剖面CS1的流速适宜度垂线平均值Su随弗劳德数Fr增大而减小，丁坝CS3、丁坝下游剖面CS5的Su随Fr增大而增大；②受水槽边壁摩阻应力影响，Su较小值处于水槽左右岸边壁附近，且丁坝下游剖面CS5回流区的Su变化也极小；③Su>0.8的区域随主流高速区的范围变化而变化，一般在B+=0.20～0.95，其中CS5的Su最大值出现在B+=0.35处。

a)CS1

b)CS2

c)CS3

d)CS4

e)CS5

f)CS6

a)CS1

b)CS3

c)CS5

本文初步探讨以上鱼类水力生境指标在丁坝区的分布特征，结合已有研究成果发现，丁坝坝头附近区域可作为实际工程应用的重点关注区域，该区域的水流结构能为产漂流性卵鱼类营造合适的产卵环境。需要注意的是，采用丁坝进行生境修复时，需考虑水温、水文过程、丁坝间距等因素的共同影响，并结合鱼类全生命周期的栖息地调查资料，经深入分析后才能使航道整治工程对鱼类栖息环境的影响达到最小，甚至增加鱼类的可栖息范围。

3 结论

a)随弗劳德数Fr的增大，水流流速增大，主流区逐渐向丁坝岸侧移动，坝后回流区的宽度逐渐减小；当Fr<2时，丁坝上游侧会出现一个明显的角涡，且随水深增大，角涡结构逐渐变弱；因丁坝绕流，随流线曲率半径的变化，坝后主流区水流沿程从急变流变为渐变流，并逐渐恢复为均匀流。

b)丁坝上游剖面的流速梯度G沿槽宽呈“两岸大、中间小”分布；下游剖面水槽左岸的G沿程逐渐增大，水槽右岸的G较大且沿程变化较小，坝头附近B+=0.25～0.40区段存在近似椭圆状的G高值区；丁坝剖面的G高值区出现水槽右岸及坝头附近B+=0.25～0.30区段；随弗劳德数Fr的增大，各剖面的流速梯度垂线平均值G逐渐减小，其中G>2的区域主要集中在水槽左右两岸和丁坝坝头附近。

c)丁坝上游至下游剖面水槽左岸的动能梯度M均较小，坝头及水槽右岸的M分布与G相似；随Fr的增大，各剖面的动能梯度垂线平均值M逐渐减小，其中M较大的区域也主要集中在水槽右岸及丁坝坝头附近。

d)丁坝上游剖面的流速适宜度Su沿槽宽呈“中间大、两岸小”分布，其中主流区Su> 0.8的范围较大；受丁坝附近下潜流的影响，丁坝至下游剖面Su>0.8的分布呈“凹”字型；随Fr的增大，丁坝上游的流速适宜度垂线平均值Su逐渐减小，丁坝至下游剖面的Su逐渐增大，其中Su> 0.8的区域一般在主流区，而回流区的Su一般小于0.3。