弯道鱼类产卵场水力生境指标的空间分布

2023-09-05赵瑜健戴思遥

水力发电 2023年8期

赵瑜健，钟亮，，戴思遥，刘胜

(1.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；2.重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；3.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

稳定的天然河流大多呈弯曲形态，长江上游宜宾至重庆河段，流经丘陵和高山峡谷，河道蜿蜒曲折，龙船碛、黄家碛、太安场、界石盘、关刀碛、红珠碛、倒钩碛等多处滩段存在90°弯道，河段中泸州至朱沱段最为弯曲，弯曲系数[1]达2.6，宜宾至泸州、朱沱至油溪、油溪至重庆等段较为接近，弯曲系数为1.46～1.62。弯曲河道拥有复杂的水流结构和良好的水力生境，是鱼类产卵栖息的理想场所。鱼类栖息地“三场一通道”中的产卵场是指鱼类交配、产卵、孵化及育幼的水域，是水生生物生存和繁衍的重要场所[2]。由于鱼类产卵在水流方面的需求，产卵场通常位于两岸地形变化较大的河段，如河道弯曲多变河段、江心有沙洲河段等，这些河段流场复杂，是鱼类产卵受精的最佳水流环境[3-4]，经调查，四大家鱼偏好在弯曲、分汊和矶头等具有特殊形态的河道中产卵[5]。因此，开展弯道鱼类产卵场水力生境指标分布特征的研究，在鱼类资源保护方面具有较强的推广性和代表性，也将为水利工程生态调度和航道工程建设提供科学依据[6]。

目前，鱼类产卵场水力生境指标问题的研究已取得一定进展：Zhang等[7]通过对影响四大家鱼产卵的生态水文指标进行分析，得到了适度的初始水位、初始流量等指标上涨同四大家鱼的产卵行为密切相关的结论；Stewardson[8]采用平均流速、平均水深等水力指标描述了河道水流结构；吴瑞贤等[9]利用模拟的方式分析了相关建筑物与鱼类可用栖息地范围的关系；王中敏等[10]探讨了水电站运行下影响河段鱼类产卵场的水文情势变化；郭文献等[11]评估了四大家鱼的偏好水深和流速，获得了四大家鱼产卵场生境流量与加权可利用面积的关系；李朝达等[12]通过提出的鱼类感觉日流量涨幅和鱼类感觉累积流量涨幅这两个指标，研究了三峡水库运行以来四大家鱼产卵的生态水文响应变化；钟亮等[13]讨论了山区弯曲河道鱼类产卵栖息地适宜度指标随流量的变化特征及其在弯道中的分布规律；张辉等[14]根据栖息地模型确定了满足四大家鱼产卵需求的生态流量。

纵观现有成果，目前鱼类产卵场水力生境指标问题的研究仍不充分，尤其对于弯曲河道。已有少量弯道水力生境指标分布规律的研究，但主要基于二维水流结构，未能充分反映弯道三维水流特征，相关认识仍有必要深入。为此，本文基于典型概化弯道三维水流数值模拟资料，以淡水养殖中重要经济鱼类四大家鱼为代表，探讨流速适宜度、流速梯度和涡量等水力生境关键指标[15]在弯道中的空间分布规律。

1 数学模型及其验证

1.1 模型建立

本文选择以天然河道为原型的典型弯道水槽进行试验，采用三维水流数学模型开展研究，模型的基本控制方程式见式(1)～(3)，对基本控制方程组采用有限差分法进行数值离散。

1.1.1 基本方程

连续方程

(1)

动量方程

(2)

(3)

(4)

式中，u、v、w为x、y、z方向的速度分量；Ax、Ay、Az为x、y、z方向的面积分数；VF为可流动体积分数；t为时间；ρ为流体密度；P为压力；fx、fy、fz为x、y、z方向的粘滞力；Gx、Gy、Gz对应x、y、z轴的重力加速度。

1.1.2 计算参数

平面与垂向选用单元长度为0.03 m的正方形结构化网格，共计330万个。网格进口流量边界Vfr，出口流速边界V，压力边界P，水槽边壁边界W，其中各边界对应的Xmin、Xmax、Ymin、Ymax、Zmin、Zmax分别为4、16、4、26.2、0.285、0.615，水流法向分量恒为0，边壁粗糙系数ks=0.021 73。计算总时长1 000 s，初始时间步长0.001 s，最小时间步长1.0×10-7s。

1.2 模型验证

采用水槽试验资料[16]对模型进行验证，设置施测断面时，采用进口与出口直段每1～2 m一个断面、弯道处每10°～15°一个断面的方法，各断面的3个水位测点分别对应凸岸、河心和凹岸，两岸测点距离边壁10 cm。各断面沿槽宽方向布置15条测流垂线(见图1)，从凸岸向凹岸测量流速。

图1 模型断面及测点布置(单位：m)

水位验证选取凸岸、河心和凹岸水面线(见图2)；流速垂线分布验证采用弯道中部断面(CS7)3条代表垂线的纵向流速(见图3)，其中b/B为与左边壁的相对距离，纵坐标为相对水深z/H，横坐标为相对流速u。由验证结果可知，计算流速与实测流速在大小及垂线分布方面较为一致。从图3可以看出，二者在流速的大小、夹角以及流速最值出现位置等方面均较为接近。综上，本文数学模型合理，结果可靠，可用于下一步研究。

图2 水位验证

图3 流速垂线分布及平面流场验证

2 计算工况与公式

数值模型计算工况见表1，因各工况模拟获得的流场分布较为相似，限于篇幅，以工况4为代表，介绍各参数的分布云图。基于水流数学模型的计算结果，采用表2中的公式计算水力生境参数，探讨弯道鱼类产卵场水力生境指标沿水深、沿程、沿槽宽方向的分布规律。研究中，定义断面1～断面4为弯道前半段，断面5～断面7为弯顶段，断面8～断面12为弯道后半段，并对此3段断面中较居中的断面分布云图进行展示。

表1 数模计算工况

表2 参数计算公式

3 计算结果与讨论

3.1 流速适宜度

3.1.1 流速断面分布

图4给出了弯道内合流速Um断面分布云图，横坐标为相对水槽宽度y/B，纵坐标为相对水深z/H。从图4可以看出：①弯道前半段凸岸区(0≤y/B<0.3)水面处流速较大，底部处流速较小，河心区(0.3≤y/B<0.7)流速沿水面至水底方向有较均匀的减小，凹岸区(0.7≤y/B≤1)较小Um占主要分布。②弯顶段较大Um从凸岸往河心偏移，但凸岸Um仍较大，一般超过0.36 m/s。这是因为水流进入弯道后，水流底部流速指向凸岸区，表面流速指向凹岸区，形成环流，再结合纵向流速共同作用生成螺旋流，螺旋流使水中动量重分布，进而造成主流移动。③弯道后半段凸岸整体流速小于河心和凹岸，凹岸水面处流速最大，呈扩散状向外减小。上述规律与现有弯道水流结构研究[17]中的试验结论基本一致。

图4 流速沿断面分布云图

3.1.2 流速适宜度分布

图5、6给出了流速适宜度Su沿平面和沿断面分布。从图5、6可以看出：①当相对水深z/H=0.2时，弯道凹岸侧、水槽凸岸侧下游出口段存在Su<0.8[13]的区域，凹岸侧的Su随水深的增加而增大，凸岸侧下游出口段的Su则较为稳定。②流速适宜度沿断面分布，弯道前半段Su随y/B增大而减小，水槽右壁底部Su≤0.4；弯顶段凸岸区Su仍较凹岸区大；弯道后半段河心区和凹岸区的Su均大于凸岸区。总体上，Su较大值沿程由凸岸区经河心区过渡，偏移到凹岸区，每个断面上Su>0.8的面积超过了断面面积的60%，说明弯道中鱼类产卵喜好的位置由凸岸区逐渐变到凹岸区，弯道中的大部分区域仍较适宜鱼类产卵。③当小流量工况时，Su在中水深层普遍较大，说明中水层更适宜家鱼产卵；大流量工况时，Su>0.8的最大面积区域分布在高水深层，家鱼在流量较大的情况下偏好选择高水层产卵。

图5 流速适宜度沿平面分布

图6 流速适宜度沿断面分布

3.2 流速梯度

3.2.1 横向流速梯度分布

图7给出了弯道横向流速沿横向梯度Gyy的断面分布云图。从图7可以看出：①弯道前半段沿槽宽方向Gyy呈现两端大、中间小的分布特征，由于水槽两岸边壁存在摩擦阻力且流速明显小于主流速，导致边壁处流速变化剧烈，所以最大值Gyy=0.2 s-1出现在两岸边壁处。②弯道进口靠近凸岸边壁的主流逐渐与凸岸分离，凸岸区流速变化加快，弯顶段凸岸区与凹岸区水面处及凹岸边壁仍存在较大Gyy，河心区Gyy≤0.09 s-1，较小于凸岸区与凹岸区的大部分区域。③主流逐渐靠近凹岸，弯道后半段较小Gyy分布面积增大，凸岸区与凹岸区Gyy分别在z/H=0.3与z/H=0.4处分为两部分，两部分Gyy均呈扩散状由边壁延伸至中部且呈减小趋势。

图7 横向流速梯度分布云图

图8、9给出了6种工况下的横向流速梯度Gyy沿程和沿槽宽的变化。由图8、9可知：①沿程凸岸Gyy在断面上有先增大后减小再增大的特点，河心Gyy随弯角的增大呈先增大后减小的趋势变化，且在数值上河心Gyy较两岸Gyy小了10倍，各工况最大值都分布在弯角30°断面处；凹岸Gyy在弯角10°断面处最大，而后按先减小后增大再减小的趋势变化。②沿槽宽进、出口断面，较大Gyy分布在两岸边壁处，较小Gyy主要分布在河心区，工况1和工况2的Gyy值有部分重合，说明在小流量工况时，流速沿槽宽方向的变化较慢；中部断面Gyy在凸岸区及凹岸区均呈先减后增变化趋势，且左右基本对称，分别在相对槽宽0.2和0.8左右出现拐点，河心区Gyy呈递减的趋势，不同工况下各断面上分布规律基本一致。③总体上，Gyy的增大随流量增加而越明显，大流量工况下流速沿槽宽方向变化更快，水流更复杂，理论上更适宜家鱼产卵。

图8 横向流速梯度沿程分布

图9 横向流速梯度沿槽宽分布

3.2.2 纵向流速梯度分布

图10给出了弯道纵向流速沿垂向梯度Gxz的断面分布云图，由图10可见：①弯道前半段水深方向的Gxz在水槽中间小、顶部与底部大，槽宽方向的Gxz分布较为均匀，在0.4

图10 纵向流速梯度分布云图

图11、12给出了6种工况下纵向流速梯度Gxz沿程和沿槽宽的变化。从图11、12可以看出：①沿程凸岸Gxz呈先增大后减小再增大的趋势，Gxz的最大值与最小值分别出现在弯角20°和60°断面处；河心Gxz呈先增大后减小的趋势，最大值出现在弯角40°断面处；凹岸Gxz最大值偏移到弯角20°断面处，之后沿程递减，凸岸、河心与凹岸的值大小均在一个量级上。②沿槽宽进口断面上Gxz均匀分布；中部断面凸岸区的Gxz分布呈先减小后增大的趋势变化，河心区增大到Gxz=0.8 s-1左右趋于稳定，于凹岸区线性递减；Gxz在出口断面上沿槽宽先减小，到凹岸区小幅度增大后继续减小。③Gxz与Gyy的变化规律类似，与流量变化呈正相关，流量越大，上述变化趋势越明显。

图11 纵向流速梯度沿程分布

图12 纵向流速梯度沿槽宽分布

3.3 涡量

3.3.1 涡量沿断面分布

涡量Ω计算时，正Ω为逆向涡，负Ω为顺向涡。图13给出了涡量Ω沿断面的分布云图。由图13可知：①弯道前半段Ω沿水深方向先减小再增大，在z/H<0.8的水深范围内两岸边壁有顺向涡出现。②在弯顶段z/H>0.3的水深范围内，存在Ω≥0.3 s-1且分布较分散，两岸边壁及槽底顺向涡分布面积扩大。③弯道后半段凸岸区近水面处有呈三角形分布的Ω高值区，但Ω断面平均值较小，且越临近出口，Ω断面平均值越小。顺向涡的存在有利于鱼类栖息[18]，但产卵时鱼类会选择涡量较大的地方[7]，推测家鱼产卵更可能选择在水槽的边滩和深槽部分。

图13 涡量沿断面分布云图

3.3.2 涡量沿程分布

图14给出了各工况断面上平均涡量Ω的沿程变化。由图14可知：随弯道深入，断面平均涡量Ω沿程增加，凸岸的弯道前半段断面上，Ω的增加速度随流量增加而加快，后半段断面Ω的增加速度趋于平缓，河心与凹岸Ω的增加速度均随流量的增加而加快。Ω的增加可以提高鱼类活动区内的溶解氧浓度，刺激其性腺产卵，还可以为孵化出的鱼苗到达水体表层提供垂直向上的升力，使鱼苗更容易到达水体表层觅食生长[19]，大流量工况下，Ω明显较大，且在凸岸的弯顶段Ω的增加速度达到最快，说明在凸岸尤其是弯顶段，Ω存在较大起伏，增加了此处水流的复杂程度，对鱼类产卵起到了促进作用。