航道整治水文情勢變化對四大家魚產卵場的影響
——以荊江周天河段為例

(1.中南安全環境技術研究院股份有限公司,湖北 武漢 430071; 2.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北 武漢 430072)

長江中游荊江河段是連接長江流域上、中、下游的唯一水運通道，目前，其礙航問題十分突出，是長江干線航道維護最為困難的河段。隨著三峽水庫的持續運行以及“清水下泄”的影響[1]，沙質河床仍將沖刷下切，枯水期同流量下水位也隨之下降，從而削弱三峽工程的枯水補償效應，直接影響枯水期沿程的水深條件，局部未守護區域灘體沖刷及岸線崩退造成枯水河槽展寬。目前，該水道航槽已大幅淤窄[2-3]。長江中游荊江航道3.5 m深航道整治包括護灘(底)帶、護岸(高灘守護)、潛丁壩、護岸加固、填槽和亂石堆整平等工程，重點為淺水道整治對象。通過工程措施，遏制河道的不利變化，并利用清水下泄加大枯水航槽的沖刷，改善航道條件，提高航道尺度，確保枯水期航道暢通。

青魚(Mylopharyngodonpiceus)、草魚(Ctenopharyngodonidellus)、鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)和鳙魚(Aristichthysnobilis)合稱四大家魚，是我國特有的經濟魚類[4-5]。長江是我國四大家魚的主要天然原產地、棲息地和繁殖地[6-7]，在每年4月下旬至7月上旬水溫達18℃的洪水時期，親魚便集中在產卵場產卵[8]。而不同形態河床的水動力特性與魚類棲息地之間具有強烈的相關性[9]，對產卵場特定的地形和水動力條件的需求是影響四大家魚產卵的重要因素[10]。

本研究以長江中游荊江周天河段為例，采用河道平面二維水動力數學模型，預測分析該河段航道整治工程實施后水流特性的變化，研究航道整治工程對該河段內四大家魚產卵場的影響。

1 研究區域及工程介紹

1.1 研究區及工程概況

周天河段位于長江中游上荊江河段末端與下荊江河段進口段，上起郝穴，下至古長堤，全長約28 km，是順直微彎的放寬型河段[11]。

周天河段航道整治建設方案由潛丁壩工程、岸線守護及加固工程組成：左岸新建1道帶勾頭的潛丁壩，直段長度為430 m，勾頭長度為150 m，壩頂寬3 m，上游邊坡1︰2，下游邊坡1︰2.5，壩頭以1︰5的坡比向前延伸，主要功能是改變水流流向，防止橫向侵蝕，保持目前有利的灘槽格局；右岸南五洲岸線守護及加固段總長度為4 924 m；左岸新廠高灘右緣守護工程5 215 m，詳見圖1。工程實施后將改變工程區域河道地形條件、河床相對粗糙程度等河道邊界條件，對河段的水流流態、水位和流速將產生一定的影響。

圖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 工程區產卵場分布

根據工程建筑物布置與產卵場分布情況，周天河段潛丁壩工程、南五洲岸線守護及加固工程和新廠高灘右緣守護工程全部位于馬家寨-新廠產卵場，工程涉及產卵場河段長約6.67 km，占該產卵場總長23.8%。

2 研究方法

根據周天河段航道整治工程實施方案，采用平面二維水動力數學模型，對工程修建后水流流態、水位和流速等水力因素變化進行計算分析。

2.1 模型基本方程及定解條件

水流連續方程：

(1)

水流運動方程：

(2)

(3)

式中，z為水位；h為水深；u,v為x,y方向的流速；C為謝才系數。

為擬合不規則河道邊界，模型采用正交曲線網格對計算域進行網格劃分。正交曲線坐標系下水流基本方程如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(3) 定解條件。定解條件包括邊界條件和初始條件。邊界條件有開邊界和閉邊界條件。開邊界即進、出口水邊界，在恒定流計算中進口給定流量、出口給定水位。閉邊界即陸域邊界，模型中令其法向流速分量為零。

初始條件包括初始水位和初始流速條件，在出口水位的基礎上假定一比降賦值初始水位；按給定流量及初始水位計算初始流速。

2.2 數值求解方法

根據推導，曲線坐標系下模型基本方程可表示成如下一般形式：

(10)

該方程的數值離散可采用有限體積法。該方法的優點在于能很好保證水流模型中的水量和動量守恒。方程離散采用了自動迎風格式，離散方程的求解采用SIMPLEC算法。為避免水位鋸齒波，采用了交錯網格技術。

2.3 數學模型相關問題處理

(1) 動邊界模擬。在計算過程中，計算域內部分節點在漲水時會被“淹沒”，在落水時會“干出”。為正確反映這部分節點的干濕變化，模型中采用以下動邊界模擬技術：選定一臨界水深(hmin取為0.005 m)，當某時刻某節點實際水深(水位減去河底高程)小于臨界水深時，認為該節點“干出”，令該點流速為零，水深為臨界水深，水位值由附近非“干出”點水位值外插值得到；當某時刻某節點實際水深大于臨界水深時，則恢復程序計算。

(2) 參數取值。二維水流數模計算涉及的主要參數有河道糙率、紊動黏性系數等。河道糙率實際上是一個綜合阻力系數，反映了計算河段的河床河岸阻力、河道形態變化、水流阻力及河道地形概化等因素的綜合影響。河道糙率可按實測水位資料率定。紊動黏性系數采用vt=αu*h公式計算，其中α為常數，取值為0.5，u*為摩阻流速。

2.4 模型驗證

根據同為長江中游荊江河段的藕池口和碾子灣兩條水道2008年1，6，8月完成的3次的水文原型觀測，流量分別為4 780，14 429，19 560 m3/s。選取河段內8個水文斷面進行觀測(從上至下分別為：1～8號)，利用數學模型在同步地形的基礎上分別對這3個流量級進行了模型驗證。驗證計算內容包括水位、汊道分流比、斷面流速分布等。 (1) 水面線驗證。由表1中數據可以看出，2008年3個流量級水位的計算值與實測值吻合都較好，最大誤差為3號水尺枯水驗證時的0.033 m，而大部分測點的水位誤差都在0.020 m以內。

(2) 平面分流比驗證。從表2中的數據看來，數學模型計算出的藕池河分流以及藕池口水道內各汊道的分匯流情況與實際情況能較好地吻合，兩者相差在1個百分點以內。

(3) 平面流速分布驗證。從圖2～4中可以看出，數學模型計算出的2008年1，6月及8月流速分布與實測流速分布吻合都較好，平均誤差在0.1 m/s以內。

由以上3方面的驗證結果可見，數學模型計算值與實測值吻合好，精度較高，通過驗證所確定的糙率在0.017～0.031之間，較為合理。所以，該數學模型能較好地模擬本河段。

表1 水位驗證成果Tab.1 Water level verification result m

表2 汊道分流比驗證成果Tab.2 Channel divesion ratio verification result

圖2 斷面流速分布驗證結果(Q=4 780 m3/s)Fig.2 Cross-section velocity distribution verification (Q=4 780 m3/s)

圖3 斷面流速分布驗證圖(Q=14 429 m3/s)Fig.3 Cross-section velocity distribution verification (Q=14 429 m3/s)

圖4 斷面流速分布驗證圖(Q=19 560 m3/s)Fig.4 Cross-section velocity distribution verification (Q=19 560 m3/s)

2.5 數學模型設計

(1) 計算條件。計算河段為周公堤水道-天星洲水道段，長約20 km。二維計算網格采用正交曲線網格形式，工程前后計算采用相同的網格布置。周天河段網格節點數為40×300個，沿水流方向網格間距66～67 m，垂直水流方向網格間距28～145 m。整治工程前計算河段地形采用實測地形，工程后計算河段地形在工程前地形基礎上按設計方案修正。

數模計算選取豐、平、枯水期3種水文條件。豐水期水文條件選取7～9月份累計頻率10%最小流量，平水期選取多年平均流量，枯水期選取12～2月份累計頻率90%最大流量。

表3 周天河段計算水流條件Tab.3 Flow calculation conditions in Zhoutian section

(2) 計算參數率定。本次二維數模計算率定的周天河段豐水流量糙率變化范圍為0.016～0.018，多年平均流量時為0.018～0.022，枯水流量時為0.022～0.025。

(3) 工程概化。為了反映整治工程措施對河道水流的影響，在網格劃分時盡可能對工程局部進行網格加密處理，在便于數模計算和偏于工程安全兩個指導原則下，對整治航道的岸邊地形加以概化。盡量將潛丁壩、護灘以及護岸加固工程建筑物的高程反映到計算網格中，假定工程實施后河底高程改變與工程高度一致，保證阻水效果不被削弱。另將工程附近局部區域糙率作適當修正，對于如拋石、透水框架等形式的附屬阻水過流建筑物，其阻水效果主要是通過局部阻力得以體現。

將以上附屬結構建筑物對水流的阻力采用斷面突然縮小阻力計算公式進行概化，局部水頭損失系數計算公式為

(11)

式中，A1為斷面縮小前的面積；A2為斷面縮小后的面積。

為了便于計算，常將局部阻力系數ξ通過(12)式轉化成附加糙率n*的形式：

(12)

最后得到整治建筑物所在處河床的綜合糙率為

(13)

式中,n0為整治前河床的糙率；n為整治后綜合糙率。

以往的工程實踐表明，以上概化方法能較好地反映整治工程結構對河道水位、流場的影響。對于工程附近已建工程，均作為固有邊界考慮。

3 計算結果與分析

(1) 水流流態。周天河段河道屬于微彎型河道，在豐水流量情況下水流上灘，計算流場灘槽區分明顯，主流動力軸線基本貼近深泓線，水流流態整體平順，主槽流速較大，灘地流速較小；多年平均流量情況下，水流上灘，計算河段上游的潛丁壩工程對河道水流有一定的壅水作用；枯水流量時水流順河槽蜿蜒行進，岸灘不過水，只有潛丁壩工程對河道水流有阻礙作用。

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

(2) 水位變化。豐水流量情況下，潛丁壩和護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；整治工程實施后，工程區局部范圍水位抬高約0.001～0.010 m，水位降低約0.005～0.010 m。多年平均流量情況下，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，工程區局部范圍水位抬高約0.005～0.015 m，水位降低約0.005～0.015 m。枯水流量情況下，工程實施后周天河段水位變化較大，右岸護岸及左岸潛丁壩工程上游水位壅高0.001～0.010 m，下游水位降低0.001～0.010 m。

(3) 流速變化。在護岸及潛丁壩等整治工程上下游局部范圍內流速有所減小，在整治工程頭部附近以及工程內側河槽中流速有所增大。豐水流量情況下，在潛丁壩上下游流速減小0.05～0.10 m/s，靠近河道內側流速增加0.05～0.15 m/s，上游護岸工程附近流速增加0.05 m/s。多年平均流量情況下，潛丁壩上下游流速減小0.05～0.10 m/s，靠近河道內側流速增加0.05～0.10 m/s；河段最上游護岸工程附近流速增加0.05～0.10 m/s，下游護岸工程局部水流流速減小0.05 m/s左右?？菟髁肯?，工程前后水流流速變化較大，潛丁壩工程上下游水流流速減小0.01～0.10 m/s，在附近河槽流速增大0.01～0.10 m/s，影響范圍較大；在護岸工程附近，局部水流有所減小，但影響范圍有限。

4 水文情勢變化對四大家魚產卵場的影響

周天河段航道整治工程實施后，四大家魚產卵期水位變化約-0.010～0.010 m，流速變化約-0.10～0.15 m/s。根據相關研究，四大家魚產卵繁殖最適宜的流速范圍為0.7～1.2 m/s[12-13]，從圖5工程實施前后0.7～1.2 m/s流場范圍疊加圖可以看出，工程對四大家魚產卵繁殖生態水動力學條件影響較小，且工程運行后工程建筑物上下游水位及流速的局部變化，使得局部流場水流形態變得更為復雜，但影響范圍和程度較小，不會對產卵場水流流態造成大的影響。受工程建筑阻礙作用，該河段潛丁壩工程上游約3.7 hm2局部水域流速及水位發生變化，水位升高最大值為0.010 m左右，流速下降最大值為0.05 m/s；潛丁壩壩頭及下游約3.4 hm2局部水域流速和水位發生變化，其中，水位下降最大值為0.005 m，流速變化值為-0.05～0.15 m/s；潛丁壩相比該河段其他水工建筑物對流場的變化影響較大，局部流場變得更為復雜多變，有利于“泡漩水”的形成，一定程度上有利于魚卵的受精和正常孵化[14]。

此外，由于潛丁壩導致局部流速以及附近河床沖淤的變化，能消減水流的動能，減緩流速、淤積泥沙，客觀上起到了人工魚礁的作用，可為魚類提供良好的庇護、棲息及覓食等環境。

工程水下沉排和拋石厚度在1.0～2.6 m之間，影響面積88.54 hm2，使得局部河床地形更為復雜，但對水域河床地形地貌影響范圍和程度較小。工程實施主要是防止清水下泄沖刷影響，維護現有岸線和洲灘的穩定，不會改變河段岸線和洲灘現狀，這對維護該產卵場分汊型和彎曲型河段形態具有積極作用。

5 討 論

(1) 四大家魚均為產漂流性卵魚類[15]，產卵受河流表面水文情勢變化影響更大。目前荊江航道整治工程是以守護型為主，對河道地形地貌影響較小，因此本文采用河道平面二維水動力數學模型對周天河段航道整治工程實施后水流特性的變化進行了分析。今后隨著航道標準的提升，航道整治將逐步轉變為控導型工程，河道地形地貌變化對河流表面水文情勢的影響將加大，因此下一步還應繼續開展三維水動力數學模型模擬工程實施后河道地形地貌及生態水文情勢變化對四大家魚產卵場的影響。

(2) 目前，我國主要采取利用人工魚礁及人工魚巢恢復或重建部分受破壞的魚類產卵場，為魚類生存繁衍提供優良的棲息環境。我國在巢湖[16]、西江[17]等水系開展了一系列人工魚巢的試驗和工程實踐，取得了一定的效果。此外，為了在建設護坡時同時開展魚類的棲息地建設，國外有關研究單位提出了一種新的河道護岸構件——魚巢磚[18-19]，目前已在國內中小河流治理工程中得到應用。本工程潛丁壩設計及岸線守護加固設計目前只是滿足了長江航道整治尺度的要求以及四大家魚產卵的生境要求，下一步還應繼續開展壩體仿生設計以及生態護岸魚巢磚的應用研究，使之具備給四大家魚及部分小型魚類提供產卵和棲息場所的生態效應。