岷江下游銅鑼灣段航道三維水溫分布特征研究

李文杰，樊宇奇，戴 卓，楊 威，楊勝發

(1. 重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074； 2. 重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

0 引 言

水溫是影響魚類及其棲息地的關鍵生態因子，會對魚類的繁殖產生重要的影響[1]。水溫的變化對魚類的生理過程和行為方式有著顯著的影響，包括且不限于游泳能力、熱耐受、力竭后過量耗氧等方面[2-3]。而水溫升高不僅直接對魚類存在一定的急性致死效應[4]，同時還對水體性質及水生植物存在著重要的影響，從而又間接影響魚類的生存[5]。因此，水溫的模擬研究對于魚類保護是十分必要的。提升航道等級能夠為航道貨運的發展提供條件，從而促進區域經濟水平的提高，而航道整治是提升航道等級的有效手段之一[6]，航道整治的常用方法包括炸礁、疏浚、守護、筑壩等[7]，將會改變河床形態，進而影響水溫、流速等水文條件，可能會對包括魚類在內的水生生物造成直接或間接的影響[8-10]。如何在進行航道整治的同時，盡可能地降低它對魚類生境的影響亟待研究。而分析魚類可能的活動空間，為航道整治提供必要的信息是前期工作。水溫作為突出的魚類生境指標，在一定程度上能夠指明魚類可能的活動空間。

針對上述問題，在岷江進行航道整治，提升航道等級的大背景下，以岷江下游銅鑼灣河段為研究主體，利用MIKE 3軟件的水動力模塊，構建了銅鑼灣河段的三維水溫模型，利用實測數據驗證模型可靠性，通過分析最低設計水位工況下銅鑼灣河段的三維水溫分布情況，結合岷江主要魚類適宜水溫，探究岷江下游魚類在空間上的分布可能性。

1 研究區域概況

四川省提出規劃整治岷江龍溪口樞紐至宜賓航道，將岷江干流通航標準提高至Ⅲ級[11]。本次研究的銅鑼灣河段即位于規劃整治航道，由石鴨子至宜賓合江門28 km航段。銅鑼灣灘位于長江、金沙江、岷江匯合口上游2.5～10 km范圍內，灘長約2.5 km。該段航道總體上屬河口型急淺、險灘，河床質為砂卵石；據2018年11月測得地形圖、流速流向圖資料可知：施測水位為262.56 m時，灘上段河寬約250 m、中段500 m、下段230 m；水流最大表面流速3.53 m/s、一般流速2.0 m/s左右，最大比降1.9‰、平均比降1.4‰。

該灘為岷江下段著名淺灘，與上游橋板灘一起形成“S”型河彎。近年來，一方面由于岷江挖沙采石對江心洲和邊灘的影響以及近期河床自然演變，該灘枯水期水流一分為三，目前枯水航槽棄左走中，航槽彎曲半徑得到改善，航槽線形較原左槽航線好，枯水中槽流量約占70%，施測時灘段內流速一般在2.0 m/s左右，最大流速3.5 m/s出現在下游的羊角石；另一方面銅鑼灣灘因上游瀑布溝等電站和金沙江向家壩電站修建運行后水文條件發生了明顯變化，受上游電站調節影響，該灘枯期流量增加約350 m3/s，受向家壩下泄水流對岷江河口水位的影響，該灘枯期水位增加約0.3 m。目前枯水期最小水深0.5 m，因水深不足、彎曲半徑小、航寬較窄而礙航。

銅鑼灣河段地處月波至宜賓翠屏區段長江上游珍稀魚類國家級自然保護區內，長江上游珍稀魚類主要是達氏鱘、白鱘、胭脂魚，特有魚類包括重口裂腹魚、華鯪、長薄鰍、巖原鯉、鱸鯉等。岷江現有大量采砂坑，部分可能為魚類喜好生境，如達氏鱘、白鱘6至8月從干流洄游至岷江索餌，胭脂魚2月洄游至岷江產卵。航道整治工程實施后，在改變河床特征的同時，也改變了水溫、流速等水文條件，對包括達氏鱘、胭脂魚在內的珍稀特有魚類造成一定的影響，因而亟需對水溫進行模擬研究以分析魚類可能的活動空間，為岷江的生態航道建設工作及后續的生態恢復提供一定的理論基礎。

圖1 岷江下游航道位置示意Fig. 1 Schematic diagram of the location of the downstream channel of the Minjiang River

2 三維水溫模型構建

2.1 數學方程

MIKE 3使用的數學模型本質是雷諾平均化的N-S方程，但在此的基礎上考慮了紊流影響以及密度變化，包含了質量守恒、動量守恒等方面。在本研究中主要涉及到以下方程：

1)水流連續性方程

(1)

2)水流動量方程

(2)

3)溫度對流擴散方程

(3)

4)k-ε方程

(4)

5)Smagorinsky方程

(5)

上述各式中：ρ為水的密度；cs為水的狀態參數；ui為xi方向的速度；gi為重力矢量；p為壓力；vt為垂向紊動粘性系數；δ為克羅內克函數；β為熱膨脹系數；k為紊動動能；t為時間；T為溫度；l為求解渦運動的長度比尺；σT為普朗特數；Ωij為克氏張量；Sij為拉伸率張量；SS為各自的源匯項(每個方程均不相同)[12]。

2.2 模型參數

本次研究所基于的是非結構化的三角形網格，采用utm48坐標系和1956年黃海高程系，在垂向上由上至下均勻劃分網格，分層數為10層，模擬范圍內河段長約3 km，具體地形見圖2，網格數為36 196個，節點數為18 454個，最大基本單元設置為100 m2，最小允許角度為30°，時間步長為15 s，步長數量為5 760。模擬完成后，在河段邊灘區域取點1和點3，在航道區域取點2，同時取S1和S2兩個地形起伏較大的斷面數據進行水溫模擬結果分析。

模型中輸入的參數有開邊界處的地形、溫度條件、氣溫條件、水位分布。地形數據來源于實測地形圖所提取高程點數據，初始水溫設置為岷江下游主要魚類適宜水溫20 ℃，氣溫設置為25 ℃且不隨時間和空間變化。最小通航流量為龍溪口樞紐最小下泄流量900 m3/s，銅鑼灣河段對應設計水位為264 m，流場則設置為靜止狀態，同時進出口邊界的水位、水溫、水深、流速均設置為不隨時間和空間變化，以使其模擬結果最終達到穩定狀態。

本次研究中采用的模擬工況是龍溪口樞紐設計最小通航流量下對應的流量-水位工況，采取此流量及其對應水位為模擬工況的目的在滿足船舶最低正常航行需求下，考慮水溫影響，探究適宜魚類生存的活動空間。

圖2 銅鑼灣河段地形Fig. 2 Topographic map of Tongluowan section

2.3 模型驗證

按照最低設計水位工況模擬完成后，分別取邊灘水深較大點1、航道中心點2及邊灘水深較小點3的模擬數據與實測數據進行分析比較，以驗證模型可靠性。各點模擬值與實測值的擬合關系如圖3。由各圖3可知，除個別點存在一定的偏差外，模擬值與實測值擬合情況較優，兩者有較高的吻合度。同時可知銅鑼灣河段水體呈現較為突出的深水分層特征，存在明顯的2次分層現象。將銅鑼灣河段3點垂向水溫的計算值與實測值進行對比分析可知，所建立采用的三維模型能準確模擬出銅鑼灣河段水體的水溫結構變化過程，模型具有較高的準確性與實用性。

圖3 3點水溫模擬結果驗證Fig. 3 Verification of three-point water temperature simulation results

由圖3可知，點1變化區間較大，落在20.2～21.0 ℃之間，最大溫差約為0.8 ℃。點2和點3變化區間較點1小，同時最大溫差相近，約為0.3 ℃。但點2和點3的變化區間相差較大，點2的變化區間在19.7～20.0 ℃，而點3的變化區間在20.7～21.0 ℃。

3點水溫均隨水深的增加而增加，升溫速率均隨著水深的增加而減小，但減小幅度3點有所不同。點1和點3水溫升溫速率隨水深的增加而急劇減小，深水區域水溫近乎保持不變，表現顯著的深水分層特征。點2在水深增加至一定程度后，水溫升溫速率近乎保持不變，只表現出一次分層的情況。

3 水溫模擬結果分析

銅鑼灣河段3點垂向上水溫變化情況如圖3。點1變化區間較大，落在20.2～21.0 ℃之間，銅鑼灣河段垂向上S1、S2斷面水溫分布情況如圖4～圖5。從水溫數值大小上看，S1斷面溫度較高區表現在左右兩側邊灘區域，溫度區間大致在20.40～20.96 ℃，中央航道區域相對而言溫度較低，溫度區間在19.84～20.12 ℃。S2斷面溫度較高區域表現在左側邊灘，溫度分布在20.30～20.9 ℃，中央航道區域相對而言溫度較低，溫度分布在19.70～20.10 ℃。由圖4～圖5可知，兩斷面在不同區域均有密集的水溫分層現象，呈現典型的深水分層特征。S1斷面水溫分層區主要集中左右兩側邊灘區域，S2斷面主要集中在左側邊灘區域，兩斷面中央的航道區域未表現出2次分層特征。同時邊灘區域水體升溫速率在淺水層較大，隨著水深增加，升溫速率不斷減小，在深水層接近零即水溫在水深達到一定深度后近乎保持不變。河段中央航道區域水體升溫速率在淺水層較邊灘區域小，而后隨著水深增加，升溫速率在減小到一定程度后近乎保持不變即水溫在水深達到一定深度后仍按固定速度增加。

圖4 S1斷面水溫模擬結果Fig. 4 Water temperature simulation results of S1 section

圖5 S2斷面水溫模擬結果Fig. 5 Water temperature simulation results of S2 section

銅鑼灣河段水體平面區域由上至下水溫分布情況如圖6。垂向上由上至下來看，銅鑼灣河段水體水溫隨著水深的增加而增加。分層來看，除第1層水溫較低外，其余各層水溫分布在19.80～21.00 ℃之間。從數值大小上看，在同一層上的水溫分布呈現區域性特點即邊灘區域水溫明顯高于航道區域水溫，初步分析這可能是由于兩者的水域連通性、河床地形起伏不同，導致流速、水體成分、水生生物等差異，最終影響水溫的分布。

圖6 銅鑼灣河段各層平面水溫分布Fig. 6 Distribution of water temperature in each layer of the Tongluowan section

4 魚類活動空間分析

岷江下游主要生長魚類為四大家魚即青魚、草魚、鰱魚、鳙魚及達氏鱘、胭脂魚、長薄鰍、中華沙鰍等[13-14]。其中達氏鱘已被列入國家一級保護動物，胭脂魚被列為國家二級保護動物。岷江下游主要魚類的適宜水溫如表1。

表1 岷江下游主要魚類適宜水溫Table 1 Suitable water temperature for main fish in the lower reaches of Minjiang River

考慮水溫變化幅度及數值大小，岷江下游銅鑼灣河段左右兩側邊灘區域二次分層水體相比其他區域水體或非二次分層水體更適宜魚類活動，魚類在此進行活動、覓食、棲息的可能性較大。從水體分層深度來看，邊灘區域深坑(如采砂坑等)的水體溫度更為恒定且水溫也更接近岷江下游主要魚類適宜水溫，同時水體底部環境更利于底棲魚類覓食產卵。

航道整治期間及整治后，疏浚、筑壩、護岸等工程將對魚類及其生境造成較大的直接影響，特別是可能改變銅鑼灣河段的魚類產卵場、索餌場和越冬場的水域水溫、流速等指標，可能造成魚類產卵規模減小等不良影響。建議對整治范圍、整治方案、施工工藝及保護措施等進行優化，盡量減少對邊灘區域的炸礁、開挖等工程措施，同時結合珍稀魚類意外傷害救護、風險事故防范、資源與生態環境監測、增殖放流、水生生物資源保護和加強監督管理等保護措施，可進一步減輕航道整治工程對水生生物和生境的影響。

5 結 語

根據岷江下游銅鑼灣河段的自然地理位置、主要氣候條件，建立了銅鑼灣河段水體的三維水溫模型，對銅鑼灣河段區域的三維水溫結構進行最低設計水位工況下的數值模擬，并利用實測數據對模擬數據進行可靠性驗證，探究了銅鑼灣河段水體三維水溫結構的分布變化特點，同時結合岷江下游主要魚類適宜水溫，分析了較為適宜魚類生存活動的空間區域。

銅鑼灣河段水體具有顯著的深水分層特征，在不同區域均有二次分層現象的存在。由模擬結果可知，所構建的銅鑼灣河段三維水溫結構模型能夠較好地體現出該河段水體的水溫分層情況，展現水溫的三維變化過程，與實測數據擬合較好。

從模擬結果和實測數據看，銅鑼灣河段兩側邊灘區域水體存在二次分層情況，水溫數值恒定，與河段中央航道區域相比水溫較高，在一定程度上更適宜岷江下游主要魚類生存。對于邊灘區域水體，深坑處水體屬于二次分層水體，水溫數值恒定且與岷江下游主要魚類適宜水溫趨近，較為適宜魚類生存。

初步建議盡量減少對銅鑼灣河段邊灘區域的炸礁、開挖等工程措施，同時對整治范圍、整治方案、施工工藝及保護措施等進行優化，以降低對魚類生境的影響。

雖然基于MIKE 3軟件的水動力學模塊構建了岷江下游銅鑼灣河段水體的三維水溫結構模型，在利用實測數據對模擬數據進行驗證后，分析銅鑼灣河段水體的三維水溫變化過程并在此基礎上結合岷江下游主要魚類適宜水溫，探究魚類可能的活動空間，但影響模型準確性的因素還有很多，如河床糙率、波浪力等，同時魚類的活動空間也不僅僅只受水溫這一指標的影響，關于上述問題將在以后的研究中加以完善討論。