梯形透空丁壩局部水動力特性對底棲動物生境演替的影響機制

常留紅，王瀚銳，章富君，石豪杰，鄭景琦，鄧 涯

(1.長沙理工大學(xué)水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長沙 410114； 2. 長沙理工大學(xué)洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114； 3.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210029； 4.南京水利科學(xué)研究院港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029)

透空丁壩在發(fā)揮航道整治功能的同時，一定程度上改善了底棲動物的棲息地[1-2]。研究表明，河流水動力條件對底棲動物的分布具有顯著影響[3-6]，但透空丁壩局部水動力特性對底棲動物棲息地的影響機制尚不明確，制約了此類丁壩結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。近年來，不少學(xué)者研究了水動力要素對底棲動物棲息地的影響，如班璇等[7]通過建立底棲動物棲息地模型，探討了影響長江中游底棲動物棲息地的水動力因素；馬雅雪等[8]通過調(diào)研分析，認(rèn)為流速是影響長江中下游底棲動物群落結(jié)構(gòu)的主要因素；Friedrichs等[9-10]從底棲動物攝食的角度分析了渦量對底棲動物分布的影響；趙偉華等[11]基于底棲動物棲息地模擬法，分析了適宜底棲動物棲息的生態(tài)流量。還有學(xué)者通過工程現(xiàn)場調(diào)研、底棲動物監(jiān)測等手段研究丁壩結(jié)構(gòu)對底棲動物棲息地的影響。許棟等[12]通過調(diào)研底棲動物生物量、豐度等參數(shù)，分析了水庫影響下底棲動物在河流枯水期的沿程變化；Pan等[13]通過監(jiān)測底棲動物類群、密度和生物量等參數(shù)，探討了丁壩施工后對底棲動物棲息地的影響；黃翠等[14]通過監(jiān)測丁壩施工后產(chǎn)生的懸浮物濃度以及底棲動物等水生生物的生物量，探討了丁壩對底棲動物棲息地的影響；游立新等[15]通過監(jiān)測底棲動物的種類、平均生物量等參數(shù)，根據(jù)公式定量分析了丁壩施工對底棲動物的影響；Li等[16]通過監(jiān)測對比了不同丁壩施工前后底棲動物的種類、豐度和密度，并評估了底棲動物的多樣性。部分學(xué)者通過構(gòu)建評價指標(biāo)體系評估丁壩對底棲動物棲息地的影響，如賈更華等[17]將平原河網(wǎng)地區(qū)底棲動物群落結(jié)構(gòu)等因子作為評價因子，構(gòu)建了平原河網(wǎng)地區(qū)水利工程水生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評估指標(biāo)體系；李增輝等[18]基于多指標(biāo)綜合評價法，從生物完整性、化學(xué)完整性等方面評價了丁壩施工前后對底棲動物棲息地的影響。目前丁壩等整治建筑物對底棲動物棲息地影響的研究大多通過現(xiàn)場監(jiān)測的手段開展，有關(guān)透空丁壩局部水流結(jié)構(gòu)對底棲動物生境演替影響機制的研究尚不多見。

本文依托長江南京以下12.5 m深水航道二期工程，選擇中華絨螯蟹為指示物種，分析不同徑流條件下梯形透空丁壩局部水動力特性對指示物種棲息地的影響規(guī)律，結(jié)合梯形透空丁壩不同時期監(jiān)測數(shù)據(jù)，揭示梯形透空丁壩局部水動力特性對底棲動物生境演替的影響機制，以期為透空丁壩的設(shè)計、施工及推廣應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)概況與指示物種選取

1.1 研究區(qū)概況

長江南京以下12.5 m深水航道二期工程全長約227 km，自下而上分為澄通河段、揚中河段、鎮(zhèn)揚河段和南京河段，如圖1(a)所示。選擇鎮(zhèn)揚河段的儀征水道為研究河段，儀征水道全長31 km，江中世業(yè)洲將水道分為左右兩汊，右汊為主汊，河道彎曲，平均河寬約1 450 m；左汊為支汊，呈順直型，平均河寬約880 m。儀征水道通過工程措施守護世業(yè)洲洲頭低灘，穩(wěn)定汊道分流格局，適當(dāng)調(diào)整右汊進口段流場，增大右汊中上段航槽水流動力，如圖1(b)所示。

(a) 工程河段

(b) 研究河段圖1 研究區(qū)域位置Fig.1 Location of study area

1.2 指示物種選取

根據(jù)中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心、農(nóng)業(yè)部長江下游漁業(yè)資源環(huán)境科學(xué)觀測實驗站對儀征水道的水生生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的調(diào)查，結(jié)合項目組開展的世業(yè)洲現(xiàn)場調(diào)研和二期工程儀征水道調(diào)查結(jié)果，長江世業(yè)洲江段共采集底棲動物3類21種，其中環(huán)節(jié)動物、軟體動物和節(jié)肢動物各7種，平均生物量為18.75 g/m2。主要底棲動物捕撈品種為中華絨螯蟹和青蝦，其中，中華絨鰲蟹是甲殼類中少有的洄游性種類，主要生存于底床礫石和底泥中。長江徑流量大，河口淺灘廣闊，是中華絨螯蟹得天獨厚的繁殖場，歷來是中華絨螯蟹及其蟹苗的主要產(chǎn)地。因此，選擇中華絨螯蟹為指示物種，分析梯形透空丁壩對其抱卵、育幼、越冬和洄游的影響。影響中華絨螯蟹生境的水動力因子主要包括流速、渦量和紊動能。中華絨螯蟹生存的水體流速應(yīng)不大于1.5 m/s[19]；適宜的渦量使沉積物中的有機質(zhì)顆粒再懸浮于水體中，增加中華絨螯蟹的食物來源[20]；一定強度的紊動能增加水中溶解氧含量，為中華絨螯蟹的越冬活動提供足夠的溶解氧[21-22]。

2 三維水動力數(shù)值模型及工況設(shè)置

2.1 控制方程

水動力學(xué)控制方程采用連續(xù)性方程和不可壓縮黏性流體運動的N-S方程[23]，連續(xù)性方程和動量方程分別為

(1)

(2)

式中：ρ為流體密度；Ai為i方向上的可流動面積分?jǐn)?shù)；ui為i方向上的流速分量；xi為笛卡爾坐標(biāo)系的3個方向；t為時間；VF為可流動的體積分?jǐn)?shù)；p為流體的壓強；Gi為i方向上的體力加速度；fi為i方向上的黏滯力加速度。

基于RNGk-ε紊流模型計算梯形透空丁壩局部三維水流結(jié)構(gòu)，采用流體體積法對自由液面進行捕捉，采用有限差分法對控制方程進行離散。

2.2 模型設(shè)置及網(wǎng)格劃分

根據(jù)實測資料，研究河段寬度約1 156 m，最大水深21 m，丁壩的應(yīng)用長度約600 m，河道寬度和丁壩長度均遠大于5倍水深，可視為二元流問題。因此，基于流帶法原理，為減少丁壩頭部和根部的影響，流帶區(qū)域位于梯形透空丁壩軸向的中部，結(jié)合本次試驗水槽寬度為0.8 m，提出的流帶寬度為20 m，如圖2所示。

圖2 流帶區(qū)域示意圖Fig.2 Schematic diagram of stream band area

梯形透空丁壩原型構(gòu)件為鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)，單個原型構(gòu)件長5 m、高5 m、上底寬1.7 m、下底寬5 m，采用錯孔的開孔方式，迎水面開11孔，背水面開10孔，開孔率為15%。考慮到梯形透空丁壩附近水流三維特性顯著，模型以幾何比尺為1∶25的正態(tài)比尺設(shè)計。模型長0.8 m、高0.2 m、上底寬0.068 m、下底寬0.2 m，開孔方式與開孔率與原型一致(圖3)。模型滿足幾何相似、水流運動相似和動力相似。數(shù)值水槽(20.0 m×0.8 m×1.0 m)以梯形透空丁壩側(cè)邊底部中心為原點，以水流方向為x軸正方向、梯形透空丁壩寬度方向為y軸正方向、豎直方向為z軸正方向建立空間直角坐標(biāo)系。數(shù)值計算區(qū)域采用笛卡爾網(wǎng)格劃分，在梯形透空丁壩周圍設(shè)置邊長為1～2 cm漸變的嵌套網(wǎng)格，以保證流場求解的穩(wěn)定性，并在梯形透空丁壩表面生成厚度為5 mm的邊界層網(wǎng)格，以保證其附近流場求解的精確性，數(shù)值水槽上邊界設(shè)置為速度邊界，下邊界設(shè)置為恒壓出流邊界，水槽邊壁和丁壩表面為固壁無滑移邊界，如圖4所示。

圖3 梯形透空丁壩模型(單位：m)Fig.3 Trapezoidal hollow spur dike model (unit: m)

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division

2.3 模型驗證

驗證試驗在長沙理工大學(xué)水利實驗中心的風(fēng)浪水槽中進行，試驗水槽長45 m、寬0.8 m、高1 m，水槽布置如圖5所示。采用水深0.4 m、流速0.1 m/s的水流條件開展驗證試驗。考慮到梯形透空丁壩周圍三維水流特征顯著，采用三維剖面流速儀分別測量水槽中軸線上壩前0.1 m、壩上、壩后0.1 m和壩后0.3 m 4個位置(圖6中的①②③④)的垂線流速。三維剖面流速儀單次測量剖面長度為35 mm，分辨率為1 mm，采樣頻率為25 Hz。

圖5 水槽試驗布置(單位：m)Fig.5 Water flume test layout(unit: m)

圖6 試驗測點位置(單位：m)Fig.6 Location of test measuring points(unit: m)

各測點垂線流速驗證結(jié)果如圖7所示，(圖中流速正負(fù)表示方向)。可見，壩前0.1 m和壩上的模擬值與試驗水槽實測值吻合較好；而由于壩后水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，渦動劇烈，其模擬值與試驗水槽實測值存在部分偏差，但分布特性與趨勢一致，表明數(shù)值模型能較好地模擬梯形透空丁壩周圍三維水流特征。

(a) 壩前0.1 m垂線流速

(b) 壩上垂線流速

(c) 壩后0.1 m垂線流速

(d) 壩后0.3 m垂線流速圖7 各測點垂線流速驗證結(jié)果Fig.7 Verification results of vertical flow velocity at each measuring point

2.4 工況設(shè)置

根據(jù)指示物種中華絨螯蟹不同生命時期的生境特征，選取汛期不同徑流條件以分析梯形透空丁壩對指示物種繁殖、早期發(fā)育和索餌洄游的影響。考慮到每年汛期之后，研究河段是中華絨螯蟹幼體的重要育肥場所，選取多年平均流量徑流條件分析梯形透空丁壩對中華絨螯蟹幼體育肥以及生殖洄游的影響，同時，選取枯季徑流條件以分析梯形透空丁壩對中華絨螯蟹越冬活動的影響。因此，試驗采用多年平均洪峰流量57 500 m3/s、多年平均流量28 500 m3/s和枯季平均流量16 500 m3/s 3級流量作為水流條件，通過研究河段二維數(shù)學(xué)模型計算得到流帶區(qū)域的流量作為數(shù)值水槽的試驗流量，試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況Table 1 Test conditions

3 監(jiān)測結(jié)果

交通運輸部長江航務(wù)管理局環(huán)境監(jiān)測中心站受長江南京以下深水航道建設(shè)指揮部的委托分別在2017年3月、2017年12月、2018年5月和2018年12月開展了梯形透空丁壩建成后的第一次、第二次、第三次和第四次生態(tài)監(jiān)測，主要監(jiān)測內(nèi)容包括沉積物粒徑、有機質(zhì)含量和底棲動物群落結(jié)構(gòu)。監(jiān)測位置見圖8。

圖8 梯形透空丁壩監(jiān)測位置及測點布置Fig.8 Trapezoidal hollow spur dike monitoring location and measuring point arrangement

表2為沉積物粒徑和有機質(zhì)含量監(jiān)測結(jié)果。可見，第二次監(jiān)測中沉積物的極值范圍大于第一次監(jiān)測，由原來只有較大粒徑的石塊發(fā)展到有各粒徑的沉積物；第三次和第四次監(jiān)測中梯形透空丁壩內(nèi)的沉積物最大和最小粒徑較前兩次監(jiān)測相差較大，但已趨于穩(wěn)定。丁壩內(nèi)流速較小，沉積物在通過壩身孔洞進入壩內(nèi)時由于流速變小發(fā)生沉積。4次監(jiān)測中梯形透空丁壩外測點的有機質(zhì)含量較不穩(wěn)定，尤其是第二次監(jiān)測與其他幾次監(jiān)測結(jié)果相差較大，原因在于第二次監(jiān)測處于汛期，受水流影響較大，但丁壩外有機質(zhì)含量總體呈增加趨勢。丁壩內(nèi)有機質(zhì)含量呈增加趨勢，說明丁壩內(nèi)水流條件穩(wěn)定，受外界條件影響較小，適合底棲動物棲息。梯形透空丁壩內(nèi)底部和壩后緩流區(qū)流速較小，有利于保持有機質(zhì)的含量，并且隨著時間的推移，水流中攜帶的有機物經(jīng)過丁壩內(nèi)和緩流區(qū)時由于流速減小而發(fā)生沉降，會增加其附近的有機質(zhì)含量。

表2 沉積物粒徑和有機質(zhì)含量監(jiān)測結(jié)果Table 2 Monitoring results of sediment particle size and organic matter content

采用Shannon-Wiener指數(shù)H′和Simpson多樣性指數(shù)Ds表征研究區(qū)底棲動物群落結(jié)構(gòu)，結(jié)果見表3。4次監(jiān)測中，Y1傳統(tǒng)拋石丁壩測點底棲動物H′和Ds均先降低后增大再降低，波動較大；Y2梯形透空丁壩測點底棲動物H′和Ds均呈遞增趨勢并趨于穩(wěn)定；Y3傳統(tǒng)拋石丁壩測點底棲動物H′先降低后增大，Ds則基本穩(wěn)定。同時，后3次監(jiān)測Y2梯形透空丁壩測點的底棲動物H′高于Y1和Y2傳統(tǒng)拋石丁壩測點，說明隨著生境的慢慢恢復(fù)，梯形透空丁壩能夠為底棲動物提供更好的棲息場所。

表3 4次監(jiān)測各測點生物多樣性指數(shù)Table 3 Biodiversity index of each dam measured point monitored for four times

4 梯形透空丁壩局部水動力特性對中華絨螯蟹生境的影響

根據(jù)梯形透空丁壩的結(jié)構(gòu)特點，分別選擇迎流面開2孔(切面1)、無孔(切面2)和開1孔(切面3)的切面分析梯形透空丁壩不同區(qū)域三維水動力特性變化對中華絨螯蟹生境的影響，切面位置如圖9所示。

圖9 梯形透空丁壩切面位置Fig.9 Location of cut surfaces in trapezoidal hollow spur dike

4.1 汛期徑流條件

中華絨螯蟹的抱卵蟹一般于4月底、5月初孵出溞狀幼體，溞狀幼體先后經(jīng)過5次蛻皮，于5月底、6月初發(fā)育成為大眼幼體(俗稱蟹苗)，開始進行索餌洄游，此時為研究河段的汛期。中華絨螯蟹的抱卵蟹對流速和紊動能有一定需求，因此，重點分析汛期徑流條件(工況1)下梯形透空丁壩周圍流速場和紊動能變化對中華絨螯蟹繁殖和索餌洄游的影響。

工況1條件下，梯形透空丁壩局部流速場如圖10所示。由圖10可見，梯形透空丁壩迎流面產(chǎn)生上升流，將主流引導(dǎo)至丁壩后上方區(qū)域，該區(qū)域的模型流速達到0.4 m/s，對應(yīng)原型流速達到2 m/s。而壩前近底處、壩內(nèi)以及壩后則形成緩流區(qū)，模型流速在0.1 m/s以下，對應(yīng)原型流速在0.5 m/s以下，緩流區(qū)的流速范圍為中華絨螯蟹繁殖的適宜流速。工況1條件下，梯形透空丁壩局部紊動能分布如圖11所示。由圖11可見，受到上升流的影響，丁壩后上方的紊動能強度較大，沿水流方向呈射流狀擴散，而壩內(nèi)和壩后的紊動能則相對較小，促進了丁壩前后水體的交換，在為中華絨螯蟹提供庇護的同時，增加了水中的溶解氧濃度，為中華絨螯蟹抱卵蟹提供氧氣。

(a) 切面1

(b) 切面2

(c) 切面3圖10 工況1流速場Fig.10 Flow velocity field of working condition 1

(a) 切面1

(b) 切面2

(c) 切面3圖11 工況1紊動能分布Fig.11 Distribution of turbulent kinetic energy of working condition 1

中華絨螯蟹的大眼幼體具有較強的游泳能力，兼營浮游及底棲生活，且在水體表層的數(shù)量遠多于深層。結(jié)合圖10和圖11可知，布置梯形透空丁壩后，流速較大的區(qū)域主要在中層水體，且紊動能分布的范圍基本與梯形透空丁壩壩高持平，在丁壩后上方以水平傳輸為主，在垂向上的影響范圍并未達到水體表層。因此，梯形透空丁壩對中華絨螯蟹大眼幼體的索餌洄游影響較小。

4.2 多年平均徑流條件

汛期之后，研究河段是中華絨螯蟹幼體的重要肥育場所，且中華絨螯蟹每年10—12月在長江上游淡水河流中完成生殖蛻殼后向河口進行生殖洄游。中華絨螯蟹的發(fā)育對流速有一定要求，且適宜的渦量能增加中華絨螯蟹的食物來源，因此，重點分析多年平均徑流條件(工況2)下梯形透空丁壩周圍流速場和渦量場變化對中華絨螯蟹幼體發(fā)育和生殖洄游的影響。

工況2條件下，梯形透空丁壩局部流速場如圖12所示。由圖12可見，工況2條件下梯形透空丁壩周圍流速場分布與工況1相似。工況2條件下，丁壩上升流區(qū)域的模型流速達到0.25 m/s，對應(yīng)原型流速達到1.25 m/s。壩前近底處、壩內(nèi)以及壩后緩流區(qū)的模型流速在0.05 m/s左右，對應(yīng)原型流速為0.25 m/s以下。考慮中華絨螯蟹的索餌需求，其主要以水生植物和有機碎屑為食，上升流區(qū)域以及壩身開孔處水流湍急，水體垂向交換強烈，急緩流差異明顯，促進了丁壩附近上下層水體以及丁壩內(nèi)外水體的交換，將浮游生物、有機物和懸浮泥沙引導(dǎo)到丁壩內(nèi)和丁壩后富集，擴大了營養(yǎng)鹽和基礎(chǔ)餌料的分布水平，為中華絨螯蟹尤其是其幼體提供了索餌場和育幼場。圖13為梯形透空丁壩在工況2條件下不同切面的渦量場。由于梯形透空丁壩的阻水作用，丁壩壩頂以及壩身開孔處產(chǎn)生較大的渦量值，局部渦量值達到±25 s-1以上，而其他區(qū)域的渦量值基本穩(wěn)定在-5～5 s-1之間。壩內(nèi)和壩后的渦量分布使沉積物中的有機質(zhì)顆粒再懸浮于水體中，易于誘集中華絨螯蟹形成索餌場。

(a) 切面1

(b) 切面2

(c) 切面3圖12 工況2流速場Fig.12 Flow velocity field of working condition 2

(a) 切面1

(b) 切面2

(c) 切面3圖13 工況2渦量場Fig.13 Vortex field of working condition 2

中華絨螯蟹一般在每年的10—12 月進行生殖洄游。結(jié)合圖12和圖13可知，工況2條件下梯形透空丁壩局部原型流速達到1.25 m/s，但其影響區(qū)域主要在中層水體，且該流速仍然處于中華絨螯蟹適宜的流速范圍，梯形透空丁壩在河道斷面上也并未形成物理阻隔。因此，梯形透空丁壩對中華絨螯蟹的生殖洄游影響較弱。

4.3 枯季平均徑流條件

枯季徑流(工況3)條件下，研究河段是中華絨螯蟹重要的越冬場所，隨著溫度的降低，中華絨螯蟹減少攝食開始越冬。中華絨螯蟹的越冬活動對流速和紊動能有一定要求，因此，重點分析工況3條件下梯形透空丁壩周圍流速場和紊動能變化對中華絨螯蟹越冬活動的影響。

圖14為工況3條件下梯形透空丁壩不同切面的流速場。由圖14可見，枯季流速較小，丁壩上升流區(qū)域的模型流速達到0.12 m/s，對應(yīng)原型流速達到0.6 m/s，壩前近底處、壩內(nèi)以及壩后的模型流速基本在0.04 m/s左右，對應(yīng)原型流速為0.2 m/s左右，為中華絨螯蟹的抱卵及越冬提供其所需的緩流或靜水環(huán)境。同時，丁壩的開孔結(jié)構(gòu)也促進了丁壩周圍水體的交換，避免了枯季因水流流動較差引起的水生生態(tài)系統(tǒng)惡化[24]。圖15為梯形透空丁壩在工況3條件下不同切面的紊動能分布。由圖15可知，梯形透空丁壩周圍紊動能變化主要出現(xiàn)在壩后，水流在垂向的紊動范圍略高于壩頂，且在壩后沿水流方向呈散射狀傳播，使得壩后始終處于水流低紊動區(qū)域，為中華絨螯蟹和青蝦的越冬活動提供溶解氧。

(a) 切面1

(b) 切面2

(c) 切面3圖14 工況3流速場Fig.14 Flow velocity field of working condition 3

(a) 切面1

(b) 切面2

(c) 切面3圖15 工況3紊動能分布Fig.15 Distribution of turbulent kinetic energy of working condition 3

5 結(jié) 論

a.梯形透空丁壩迎流面產(chǎn)生的上升流將主流引導(dǎo)至丁壩后上方，在汛期為中華絨螯蟹提供了避洪場所；丁壩周圍流速場呈現(xiàn)壩前、壩上流速變化復(fù)雜，壩內(nèi)、壩后流速相對較小的分布規(guī)律，為中華絨螯蟹的繁殖和抱卵蟹的發(fā)育提供了有利條件。

b.梯形透空丁壩迎流面產(chǎn)生的上升流可以促進上下層水體的交換，將浮游生物、有機物等餌料引導(dǎo)至壩內(nèi)和壩后富集，壩內(nèi)和壩后的渦量分布也使餌料再懸浮于水體中，在汛期后為中華絨螯蟹提供了索餌場和育幼場。

c.梯形透空丁壩壩內(nèi)和壩后較小的流速在枯季為中華絨螯蟹提供了越冬所需的緩流環(huán)境，壩內(nèi)和壩后的紊動能為中華絨螯蟹提供了越冬所需的溶解氧，從而為中華絨螯蟹提供適宜的越冬場。

d.梯形透空丁壩壩內(nèi)有機質(zhì)含量呈增大趨勢，底棲動物多樣性指數(shù)呈增大趨勢并趨于穩(wěn)定，為底棲動物提供了索餌場、育幼場和越冬場，增加底棲動物的多樣性，實現(xiàn)其生境的恢復(fù)與重建。