基于MIKE11的長(zhǎng)江上游一維水動(dòng)力學(xué)模型研究

摘 要：金沙江下游梯級(jí)水電站的建設(shè)，對(duì)長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類保護(hù)區(qū)內(nèi)魚類的繁殖生境產(chǎn)生巨大影響。文章運(yùn)用MIKE11軟件構(gòu)建了長(zhǎng)江上游宜賓-朱沱江段一維水動(dòng)力模型，并利用2007年日序列水文站水文數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定，結(jié)果表明，模型在率定和驗(yàn)證期模擬效果良好。利用模型輸出結(jié)果對(duì)建模江段的水動(dòng)力特征進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為保護(hù)區(qū)魚類棲息地研究和保護(hù)提依據(jù)。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)江上游；MIKE11；水動(dòng)力模型；水動(dòng)力特征評(píng)價(jià)

1 研究背景

長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類保護(hù)區(qū)始建于1994年，最早為宜賓市珍稀魚類保護(hù)區(qū)，2000年經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)晉升為國(guó)家級(jí)保護(hù)區(qū)。2005年，由于金沙江一期工程范圍涉及保護(hù)區(qū)核心區(qū)，故對(duì)保護(hù)區(qū)進(jìn)行了范圍和功能區(qū)調(diào)整，并更名為“長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)”。保護(hù)區(qū)具體范圍：由向家壩開(kāi)始，下游延伸至重慶松溉溪，支流赤水河干流和部分支流、岷江下游和越溪河支流，以及南廣河、長(zhǎng)寧河、沱江和永寧河河口區(qū)河段。其中長(zhǎng)江干流部分長(zhǎng)364.56km；赤水河干支流628.23km，其中干流436.5km，上游河源支流191.73km；納入保護(hù)區(qū)的其它長(zhǎng)江一級(jí)支流總長(zhǎng)度為147.32km （包括岷江、沱江、南廣河、永寧河、長(zhǎng)寧河）（見(jiàn)圖1）。主要保護(hù)對(duì)象包括白鱘、達(dá)氏鱘、胭脂魚三種珍稀魚類和圓口銅魚、裂腹魚、白甲魚等66種特有魚類，占長(zhǎng)江特有魚類的44%，具有生物多樣性的典型代表意義。

水庫(kù)大壩的修建將河流攔腰截?cái)?，大壩尤其是梯?jí)電站聯(lián)合運(yùn)營(yíng)后巨大的調(diào)度功能對(duì)河流的徑流起到巨大的調(diào)節(jié)作用，改變了下游天然的水文循環(huán)和泥沙輸送過(guò)程。水沙變異破壞了河流原有的平衡，引起下游河道河床演變：河道沖刷、河床粗化、河床整體下切、灘槽演化、側(cè)向沖蝕和河道擺動(dòng)等。而河床地形是決定魚類產(chǎn)卵場(chǎng)條件和水文條件的首要因素，河床形態(tài)決定了流速場(chǎng)特征，影響著流速，并在某種程度上決定水流對(duì)河床的沖刷進(jìn)而影響著河床質(zhì)的組成。因此，對(duì)保護(hù)區(qū)江段進(jìn)行一維水動(dòng)力模擬，能夠?yàn)榉治龊哟惭葑儗?duì)保護(hù)區(qū)典型魚類生境的影響提供依據(jù)，也能為今后進(jìn)行局部江段二維、三維模擬提供給邊界條件。

圖1 長(zhǎng)江上游保護(hù)區(qū)調(diào)整后功能區(qū)劃圖[1]

2 MIKE11一維水動(dòng)力模型

2.1 模型原理及基本方程

MIKE11水動(dòng)力（HD）模型包含Muskingum和Muskingum-Cunge方法用于簡(jiǎn)化的河道演算，可自動(dòng)匹配次臨界流和超臨界流計(jì)算，可模擬多種水工建筑物的操作。一維水動(dòng)力模型的基本方程采用Saint-Venant方程組，其離散采用Abbott六點(diǎn)隱式格式，可在相當(dāng)大的Courant數(shù)下保持計(jì)算穩(wěn)定。其數(shù)值計(jì)算采用傳統(tǒng)的追趕法，該離散格式在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)并不同時(shí)計(jì)算水位和流量，而是按順序交替計(jì)算[2]。

MIKE11一維水動(dòng)力模型控制方程如下：

式中，Q為流量（m3/s）；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m2）；q為區(qū)間入流或分流量（m2/s）；？琢為動(dòng)量分布系數(shù)；h為水位；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑。

2.2 計(jì)算區(qū)域與斷面提取

根據(jù)收集到的地形資料，為長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局2005年1月全站儀配合電子平板數(shù)字化測(cè)圖，采用1954年北京坐標(biāo)系，1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)，等高距為5.0m。地形資料比例尺為1：5000，斷面間距約為100m，每個(gè)斷面上測(cè)點(diǎn)間距約為40m。數(shù)據(jù)范圍從保護(hù)區(qū)上游的宜賓（岷江入口處）至朱沱約234km江段。斷面的提取位置參考危起偉通過(guò)考察所確定的107處產(chǎn)卵場(chǎng)中心坐標(biāo)[3]，通過(guò)對(duì)第二章所確定的代表性魚類的產(chǎn)卵場(chǎng)中心點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共獲取30個(gè)代表性魚類產(chǎn)卵場(chǎng)中心坐標(biāo)。其余斷面的間距約為1km，其中在彎道、江心洲處斷面適當(dāng)加密；在無(wú)產(chǎn)卵場(chǎng)的順直微彎河道，斷面剖面較為相似，故所選間距較大，一般間距為1.5km左右；而在支流入?yún)R和有水文站點(diǎn)的地方均設(shè)斷面。最終在宜賓-朱沱江段選取183個(gè)斷面。

考慮到設(shè)定的上游邊界水文站為屏山站，而且屏山-宜賓江段長(zhǎng)約65km的河道為金沙江下游深切河曲，氣候、地形條件幾乎未改變，故通過(guò)搜集到的60年代數(shù)字化的航道圖，通過(guò)tecplot生成2D圖形，然后切剖面獲得了31個(gè)斷面。

故一維模型的計(jì)算區(qū)域?yàn)槠辽?朱沱江段，長(zhǎng)約298.125km。共設(shè)立214個(gè)斷面。

2.3 邊界條件

上邊界選擇屏山水文站，采用屏山水文站的日流量過(guò)程；下邊界選擇朱沱水位站，采用朱沱水位站的日水位過(guò)程。中間支流入?yún)R以“點(diǎn)源”計(jì)，綜合考慮各支流徑流量大小、洪水特點(diǎn)及支流洪水與干流洪水的關(guān)系，以及實(shí)測(cè)水文資料的限制，設(shè)置橫江、岷江、南廣河、沱江、赤水河五條支流入?yún)R。在研究河段分布有若干水文站，除上邊界屏山水文站和下邊界朱沱水位站，中間還有宜賓水位站、李莊水位站、瀘州水位站和合江水位站四個(gè)水位站點(diǎn)。模型邊界及水文站點(diǎn)、支流入?yún)R里程表見(jiàn)表1。

表1 模型邊界及水文站點(diǎn)、支流入?yún)R里程表

2.4 模型率定與驗(yàn)證

文章中MIKE11水動(dòng)力模型的率定主要是通過(guò)對(duì)河床糙率（Bed Resiet）n進(jìn)行調(diào)參。文章通過(guò)對(duì)收集干流水文站的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并對(duì)相應(yīng)支流的實(shí)測(cè)水文資料提相應(yīng)的日平均流量過(guò)程。對(duì)水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型采用數(shù)據(jù)最全的2007年的實(shí)測(cè)日平均水位流量過(guò)程進(jìn)行率定。

將支流的入?yún)R視為點(diǎn)源處理時(shí)，由于已搜集到2007年五條支流匯入干流前各自的控制水文站的實(shí)測(cè)日平均流量過(guò)程，因此直接使用該流量過(guò)程為源項(xiàng)。率定后計(jì)算得到的水位及流量過(guò)程和實(shí)測(cè)資料符合較好。

對(duì)河道一維數(shù)學(xué)模型而言，對(duì)模型的率定主要是率定河道阻力，或者說(shuō)是河道的沿程水位。對(duì)2007年的流量過(guò)程進(jìn)行的數(shù)值模擬表明，洪水期和枯水期河道具有不同的糙率，一般洪水期河道糙率較小而枯水期河道糙率較大?？菟坏母叩蛯?duì)珍稀水生動(dòng)物保護(hù)十分重要。為使數(shù)學(xué)模型能統(tǒng)一適用于洪水期和枯水期，在進(jìn)行模型率定時(shí)，利用MIKE11軟件的功能，將每一過(guò)水?dāng)嗝嫜厮罘较蚍譃槿齻€(gè)部分，從下往上糙率逐步減小。采用以上處理后使用2007年金沙江干流徑流過(guò)程，從下游往上游對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分段率定。結(jié)果表明：屏山～宜賓河段河道糙率一般大于0.058；宜賓～瀘州河段糙率一般大于0.046；瀘州～朱沱河段糙率一般大于0.035。

圖2為長(zhǎng)江干流相應(yīng)水文站的計(jì)算水位和實(shí)測(cè)資料的比較。從圖可知，在合江和李莊站計(jì)算得到的水位和實(shí)測(cè)結(jié)果符合均較好；在宜賓和瀘州站，非汛期水位符合較好，而汛期的計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果有一定差別，差別主要出現(xiàn)在幾次洪峰值，計(jì)算得到的水位略高。這可能與支流入?yún)R有關(guān)，瀘州和宜賓分別對(duì)應(yīng)沱江和岷江入?yún)R，而這兩個(gè)支流入?yún)R的控制站均離入?yún)R口有一定距離，所套用的水位流量關(guān)系存在相對(duì)誤差。

總體上看，文章建立的水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型經(jīng)率定后，模擬得到的水位實(shí)測(cè)資料符合較好，本模型用于本河段的水動(dòng)力學(xué)模擬是可靠的。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 深泓線

河道中生物的多樣性的維持、水生動(dòng)物的生活和繁衍均需要河道內(nèi)流量和水位保持一定的變幅。流量的改變導(dǎo)致水位變化，水流流速和河寬（近岸區(qū)域）也會(huì)隨之變化。水位的變幅是影響水生生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的重要因素。圖3給出了數(shù)值模擬得到的長(zhǎng)江上游宜賓-朱沱江段深泓線及在2007年沿程所能達(dá)到的最高和最低水位。

圖3 長(zhǎng)江上游宜賓-朱沱江段深泓線及最高最低水位示意圖

3.2 斷面平均流速

河道水流的流速，尤其是魚類繁殖期間的流速對(duì)魚類生活十分重要。宜賓-朱沱江段位于長(zhǎng)江上游保護(hù)區(qū)內(nèi)，是眾多珍稀、特有魚類的重要棲息地。其中，四大家魚魚卵安全漂浮所需最小斷面平均流速約為0.25m/s[4]；達(dá)氏鱘的產(chǎn)卵場(chǎng)位置一般在主河道的礫石灘上，流速1.2-1.5m/s[5]。因此，獲取斷面的平均流速對(duì)于分析保護(hù)區(qū)內(nèi)魚類棲息地特征具有重要意義。保護(hù)區(qū)內(nèi)產(chǎn)粘沉性卵魚類產(chǎn)卵期一般在3-4月，產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵期一般在5-6月為產(chǎn)卵高峰期。文章通過(guò)對(duì)2007年不同產(chǎn)卵類型的魚類產(chǎn)卵期的斷面平均流速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以10km的江段為單位，計(jì)算得到了各江段在不同產(chǎn)卵期的斷面平均流速（圖4）。

圖4 長(zhǎng)江上游宜賓-朱沱江不同產(chǎn)卵期斷面平均流速

3.3 斷面平均河寬

河寬體現(xiàn)了某個(gè)特定流量下的斷面寬度，而不同水位下的河寬隨著斷面的形態(tài)有著不同的變化趨勢(shì)，也反映了斷面近岸區(qū)的分布范圍。河流近岸區(qū)是河流靠近岸邊、水深相對(duì)較淺、流速相對(duì)較小、水溫、光照、水生生物分布都有其特性的水域。產(chǎn)粘性卵魚類的繁殖往往在近岸區(qū)，而魚類早期發(fā)育階段幼魚的索餌往往也在近岸區(qū)，成魚的索餌場(chǎng)也往往在近岸區(qū)，近岸區(qū)可與河流生態(tài)系統(tǒng)的若干關(guān)鍵過(guò)程建立起聯(lián)系。分析斷面不同時(shí)期斷面平均河寬有助于對(duì)近岸區(qū)的研究提供一定借鑒意義。圖5為研究區(qū)域不同產(chǎn)卵期斷面平均河寬。

圖5 長(zhǎng)江上游宜賓-朱沱江不同產(chǎn)卵期斷面平均河寬

4 結(jié)束語(yǔ)

文章建立了長(zhǎng)江上游保護(hù)區(qū)宜賓-朱沱江段一維水動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，結(jié)果表明，模型模擬得到的水位實(shí)測(cè)資料符合較好，本模型用于本河段的水動(dòng)力學(xué)模擬是可靠的。通過(guò)對(duì)河段內(nèi)深泓線、斷面平均流速、斷面平均河寬進(jìn)行分析，為進(jìn)行保護(hù)區(qū)內(nèi)魚類棲息地生境特征的研究提供了依據(jù)和基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部.長(zhǎng)江上游珍稀、特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)綜合考察報(bào)告[R].北京：中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部，2004.

[2]徐祖信，盧士強(qiáng)，林衛(wèi)青.蘇州河干流防洪水位的數(shù)值計(jì)算[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2006，34（2）.

[3]危起偉.長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)科學(xué)考察報(bào)告[R].北京：科學(xué)出版社，2012.

[4]唐明英，黃德林.草，青，鰱，鳙魚卵水力學(xué)特性試驗(yàn)及其在三峽庫(kù)區(qū)孵化條件初步預(yù)測(cè)[J].水利漁業(yè)，1989（4）：26-30.

[5]四川省長(zhǎng)江水產(chǎn)資源調(diào)查組.長(zhǎng)江鱘魚類生物學(xué)及人工繁殖研究[M].四川科技出版社，1988.

作者簡(jiǎn)介：閆龍（1987-），男，湖北襄陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事生態(tài)水力學(xué)研究。