丁壩布置形式對(duì)中小河流棲息地影響的數(shù)值模擬研究

魏文杰，張小霞，張新華

(1.貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550002；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

由于河道整治工程的興建，特別是河道渠化和硬化之后，河流已失去了天然的河流形態(tài)，適宜的水生生物棲息地環(huán)境與多樣性遭到嚴(yán)重破壞，生態(tài)功能也大幅度衰退[1]。為改善城市河流水生態(tài)和棲息地現(xiàn)狀，為水生生物提供必要的生存場(chǎng)所，國(guó)內(nèi)外研究人員做了大量工作。Ch.Papadaki[2]等人采用基于一維模型的HEC-RAC模型研究了希臘山區(qū)河流生態(tài)基流對(duì)棲息地的影響。吳瑞賢等人[3]應(yīng)用基于一維模型 (HEC-RAS)和河川棲地二維模型(River 2D)研究了丁壩對(duì)魚(yú)類(lèi)棲地的影響范圍以及丁壩建置要素的影響。N. Poulet等人[4-7]研究了低水頭壩如何改變局域棲息地特征并對(duì)魚(yú)類(lèi)群落結(jié)構(gòu)及其多樣性施加影響。Ali M S[8]等人為研究降低水流流速的建筑物對(duì)河道棲息地的修復(fù)作用進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，成果表明這些建筑物能為幼魚(yú)創(chuàng)造有利的生存環(huán)境。DongkyunIM[9]的研究表明巨石、丁壩和淺灘存在時(shí)的棲息地面積與沒(méi)有時(shí)相比能分別提高2%、7%和131%。

這些研究成果揭示了丁壩對(duì)河道棲息地的改善作用，為進(jìn)一步的研究提供了指導(dǎo)。同時(shí)也存在一些問(wèn)題：從模型計(jì)算的角度來(lái)說(shuō)，如果使用的模型精度較低，比如一維河流模型，由于對(duì)河流進(jìn)行了很大的概化，在河道結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者存在水工構(gòu)筑物的河道，模擬成果難以達(dá)到需要的精度；River2D雖然精度更高，但是由于沒(méi)有考慮泥沙沖淤，對(duì)有丁壩作用下的河道形態(tài)變化及水流結(jié)構(gòu)特征無(wú)法進(jìn)行預(yù)測(cè)。此外，已有研究對(duì)具體構(gòu)筑物改善棲息地的機(jī)理還揭示得不夠，任需進(jìn)一步深入。從丁壩的布置上來(lái)說(shuō)，研究不同布置形式的丁壩對(duì)河流水生生物棲息地影響的相關(guān)研究較少。由于丁壩修建后河流的流動(dòng)形態(tài)將產(chǎn)生明顯改變，水流呈現(xiàn)出強(qiáng)紊動(dòng)特性，引起丁壩周?chē)拥赖乃辰Y(jié)構(gòu)和河床形態(tài)發(fā)生顯著變化，從而也將引起水生生物棲息地及其適宜性改變。

為了探討不同丁壩布置形式對(duì)河流棲息地的影響，本研究以水深平均二維k-ε紊流水沙耦合模型(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為二維k-ε淺水模型)和IFIM魚(yú)類(lèi)棲息地模擬方法相結(jié)合，選用典型的中小河流常見(jiàn)魚(yú)類(lèi)(理科魚(yú)類(lèi))作為指示物種，建立了針對(duì)中小河流典型魚(yú)類(lèi)棲息地適宜性指數(shù)和棲息地加權(quán)可用面積(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為WUA)計(jì)算的水深平均二維水沙棲息地模型，進(jìn)而分析6種不同的丁壩布置形式(單側(cè)單丁壩、對(duì)口丁壩、錯(cuò)口丁壩、單側(cè)雙丁壩、對(duì)口雙丁壩、錯(cuò)口雙丁壩)，運(yùn)用模型分析計(jì)算不同工況下水流流態(tài)和棲息地面積變化情況，探討WUA最大的丁壩布置形式。

1 控制方程及模型建立

1.1 二維k-ε淺水模型

二維k-ε淺水模型包括水動(dòng)力模塊、泥沙輸移和河床演變模塊，具體推導(dǎo)及參數(shù)的選用可參考相關(guān)文獻(xiàn)[10]。模型采用有限差分法對(duì)控制方程組進(jìn)行離散，并利用蛙跳交錯(cuò)網(wǎng)格系統(tǒng)描述相關(guān)參數(shù)和變量[11]，以下對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

(2)泥沙輸移和河床形態(tài)模塊。天然河道中的泥沙運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出三維特性，但在合理假設(shè)下，一些泥沙運(yùn)動(dòng)特性可用二維模型描述。目前，二維泥沙數(shù)學(xué)模型有垂向和平面2種模型，本研究為平面二維模型。泥沙輸移模型可進(jìn)一步分成泥沙輸移方程和河床演變方程。

推移質(zhì)輸沙率：采用Meyer-Peter與Muller提出的方法和Van Rijn提出的方法，具體方程式參考文獻(xiàn)[13,14] 。懸移質(zhì)輸移過(guò)程：可用三維對(duì)流擴(kuò)散方程式來(lái)描述，具體方程式見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。河床演變方程：其實(shí)質(zhì)是單位時(shí)間河床變化量等于推移質(zhì)和懸移質(zhì)所引起的變化量之和，具體方程式見(jiàn)文獻(xiàn)[10,15]。

出入流邊界條件：入流處為第一類(lèi)邊界條件，給定流量；出流處也為第一類(lèi)邊界條件，固定水深；泥沙輸移在入流處給定泥沙濃度邊界條件。

1.2 棲息地模擬

IFIM (Instream Flow Incremental Methodology)即河道內(nèi)流量增加方法，是目前常用的棲息地研究方法，該方法最先應(yīng)用來(lái)模擬流量和水生生物棲息地可利用性之間的定量關(guān)系，現(xiàn)常用于評(píng)價(jià)河道生態(tài)修復(fù)的效果。本研究采用自編的二維k-ε淺水模型程序計(jì)算河道流場(chǎng)、地形等參數(shù)變化，再利用微棲息地標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算可用微棲息地適宜性及面積，最后將可用微棲息地面積加權(quán)求和得到WUA，參考針對(duì)特定物種及生命期的棲息地評(píng)價(jià)方法(HEP)[15]，WUA計(jì)算公式對(duì)于淺水模型可按下式計(jì)算：

(1)

式中：WUA為評(píng)價(jià)某物種、某些物種或某一生命期的生物棲息地加權(quán)可用面積；Ai,j為網(wǎng)格i,j處的單元表面面積；n、m分別為x、y方向的單元總數(shù)量；CSFij為網(wǎng)格i,j處的棲息地綜合適宜性指數(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為CSF)，其值為網(wǎng)格處的流速適宜性指數(shù)[以下簡(jiǎn)稱(chēng)為HSI(U)]、水深適宜性指數(shù)[以下簡(jiǎn)稱(chēng)為HSI(H)]和基質(zhì)適宜性指數(shù)[以下簡(jiǎn)稱(chēng)為HSI(C)]3者的乘積。

1.3 指示物種及其適宜性曲線(xiàn)

為探討不同丁壩布置形式對(duì)城市中小河流水生生物棲息地的影響，并且定量描述其改變值大小，選擇河流生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈頂層的魚(yú)類(lèi)作為指示物種，本研究選擇4大家魚(yú)中常見(jiàn)的鯉魚(yú)作為棲息地適宜性的指示物種。采用單變量適宜性曲線(xiàn)分別考慮水深、流速及基質(zhì)不同時(shí)的魚(yú)類(lèi)適宜性。單變量適宜性曲線(xiàn)定義魚(yú)類(lèi)棲息地的適宜性值在0～1，本研究也參考了孫嘉寧[16]的魚(yú)類(lèi)適宜性曲線(xiàn)，給出本研究采用的流速和水深適宜性曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。

圖1 流速、水深適宜性曲線(xiàn)

2 模型驗(yàn)證

2.1 模型水動(dòng)力驗(yàn)證

采用經(jīng)典的Rajaratnam與Nwachukwu丁壩繞流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[17]驗(yàn)證水動(dòng)力模塊。上述實(shí)驗(yàn)條件及工況為：計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)6 m，寬0.9 m，丁壩距離入口斷面2 m，見(jiàn)圖2。計(jì)算采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為準(zhǔn)確模擬丁壩周?chē)那闆r，對(duì)丁壩周?chē)W(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，網(wǎng)格數(shù)為220×50，最小網(wǎng)格Δxmin=0.001 5 m，Δymin=0.001 5 m；曼寧系數(shù)采用光滑水槽底床值0.01 s/m1/3；采用冷態(tài)啟動(dòng)，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取Δt=0.000 3 s，計(jì)算時(shí)間取為15 min；上游單寬流量取為0.047 8 m2/s，下游水深取為0.189 m。模擬結(jié)果中的流線(xiàn)圖見(jiàn)圖3，丁壩回流區(qū)長(zhǎng)度為1.433 m，實(shí)驗(yàn)所測(cè)回流區(qū)長(zhǎng)度為1.9 m。

圖2 丁壩繞流計(jì)算網(wǎng)格劃分

Rajaratnam與Nwachukwu測(cè)量了y/b=1.0、1.5、2.0、3.0、4.0(b表示丁壩的長(zhǎng)度，y表示斷面在y方向的坐標(biāo)值)5個(gè)縱斷面的合速度值，采用U0=0.253 m/s進(jìn)行無(wú)量綱化處理以便于比較。5個(gè)斷面合速度的實(shí)驗(yàn)值和模擬值見(jiàn)圖4。從圖4可知，合速度的模擬值和實(shí)驗(yàn)值較為吻合，模型很好地模擬出了丁壩壩頭處流速增加的現(xiàn)象。在y/b=2.0斷面的后半部分，模擬值和實(shí)驗(yàn)值有一定的出入，這可能是因?yàn)楹蟀氩糠智『锰幱谥髁鲄^(qū)和回流區(qū)的分界部分，容易引起測(cè)量誤差所致。

圖3 丁壩繞流流線(xiàn)圖

圖4 典型斷面合流速的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

2.2 模型泥沙運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證

由于實(shí)驗(yàn)資料的限制，本研究通過(guò)地形變化來(lái)檢驗(yàn)?zāi)嗌尺\(yùn)動(dòng)模型的適用性。實(shí)驗(yàn)采用Michiue和Hinokidani的動(dòng)床試驗(yàn)[19]資料。Michiue和Hinokidani的動(dòng)床試驗(yàn)數(shù)值設(shè)置為：計(jì)算區(qū)域取 7.0 m，原點(diǎn)定義在丁壩迎流面上游3 m處，丁壩為長(zhǎng)0.1 m，寬0.01 m的薄直板，泥沙粒徑0.6 mm，其他參數(shù)均按照原物理實(shí)驗(yàn)設(shè)置。采用非均勻網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域，見(jiàn)圖5，最小網(wǎng)格尺寸為0.01 m，網(wǎng)格數(shù)為282×27，時(shí)間步長(zhǎng)取0.001 s。

圖6中從左至右依次為Michiue和Hinokidani測(cè)量的沖刷平衡時(shí)的地形圖、崔占峰[18]采用三維紊流模型模擬得到的地形圖以及采用本研究的二維k-ε淺水模型計(jì)算平衡后得到的丁壩周?chē)匦螆D。計(jì)算得到的最大沖深為8 cm，與原物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近且稍微偏小，最大沖坑位于壩頭靠上游側(cè)，沖刷范圍相比要小一些，在壩后未發(fā)生沖刷，其原因可能在于模擬試驗(yàn)的水流較模型試驗(yàn)來(lái)說(shuō)紊動(dòng)強(qiáng)度低一些。丁壩與河槽相連位置上游附近有微量淤積，壩后最大淤積厚度更小，位置往丁壩下游方向偏移更遠(yuǎn)一些，總體而言還算比較合理。

圖5 泥沙模塊驗(yàn)證 數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分

圖6 物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果、崔占峰模擬結(jié)果及淺水模型模擬結(jié)果 (單位：cm)

3 不同布置形式的丁壩對(duì)棲息地的改善作用

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

作為前期機(jī)理研究的需要，為了避免天然河道中因地形、環(huán)流等干擾影響，采用順直河槽與城市中小河流建立一定比尺關(guān)系，通過(guò)數(shù)值模擬分析順直河槽中布置不同形式丁壩情況進(jìn)行研究。岷江流經(jīng)成都市華陽(yáng)鎮(zhèn)螺絲灘河段屬于典型城市中小河流，且該河段原有3個(gè)丁壩群。如圖7所示，河段多年平均水深約1.3 m，河段河床比降平均值約為萬(wàn)分之一，基質(zhì)以淤泥質(zhì)為主并混合有砂卵石。為有針對(duì)性的分析中小河流棲息地受丁壩布置形式的影響特性及程度，體現(xiàn)城市中小河流尺度，本研究暫不考慮河道斷面及河道彎曲變化，簡(jiǎn)單地采用順直水槽進(jìn)行數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)水槽與華陽(yáng)丁壩河段水平長(zhǎng)度比尺35，水深比尺26，流速比尺12.25。

圖7 岷江流經(jīng)成都市華陽(yáng)鎮(zhèn)螺絲灘河段原丁壩群分布

以岷江流經(jīng)成都市華陽(yáng)鎮(zhèn)螺絲灘河段為背景設(shè)置模擬試驗(yàn)水槽，見(jiàn)圖8，模擬試驗(yàn)水槽長(zhǎng)12 m、寬2 m、高2 m，水流從水槽左端流入，流量0.012 m3/s，泥沙粒徑0.8 mm。為了比較不同布置形式的丁壩對(duì)WUA的影響，先進(jìn)行無(wú)丁壩清水沖刷模擬試驗(yàn)，河道糙率n取0.014，粗糙系數(shù)ks取0.013，計(jì)算區(qū)域采用均勻網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為0.05 m×0.05 m，網(wǎng)格數(shù)為242×42，時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，模擬時(shí)長(zhǎng)為1h(水沙運(yùn)動(dòng)均達(dá)到平衡穩(wěn)定)。

有丁壩實(shí)驗(yàn)共分為6種布置形式，見(jiàn)圖8,左半邊依次為單側(cè)單丁壩、對(duì)口單丁壩、錯(cuò)口單丁壩，右半邊依次為單側(cè)雙丁壩、對(duì)口雙丁壩、錯(cuò)口雙丁壩，當(dāng)兩側(cè)都有丁壩時(shí)，壩長(zhǎng)為0.25 m，僅單側(cè)有丁壩時(shí)，壩長(zhǎng)為0.5 m，使得丁壩縮窄度保持不變，而僅改變丁壩的布置形式。

3.2 模擬結(jié)果分析

無(wú)丁壩時(shí)，水流十分平順，流速約為0.22 m/s，可視為均勻流，水深為0.052～0.053 m，水槽中部發(fā)生極為微小的沖刷，沖刷深小于1×10-7m，在水槽邊壁附近出現(xiàn)不連續(xù)的微小淤積，且淤積厚度小于1×10-7m。另外發(fā)現(xiàn)在水槽邊壁進(jìn)水口處有沖刷深小于1×10-5m的邊壁進(jìn)口沖刷，在水槽邊壁出水口處有厚度小于1×10-5m的邊壁出口淤積，這可能是邊界條件及邊壁假設(shè)造成的。由于泥沙視為均勻沙，流速分布和水深分布都較均勻，故可知微棲息地適宜性指數(shù)分布均勻。根據(jù)本研究采用的比尺，按照棲息地適宜性曲線(xiàn)及基質(zhì)對(duì)應(yīng)的棲息地適宜性指數(shù)計(jì)算得到HSI(C)為0.9、HSI(U)為0.46、HSI(H)為1，相應(yīng)比尺下的河道棲息地WUA值為9 233.62。

丁壩存在時(shí)，河道水流結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8～圖12。

水深及HSI(H)值分析：由圖8可知，對(duì)于單丁壩而言，單側(cè)、對(duì)口布置時(shí)，在丁壩壩頭、下游及下游一定距離處將依次出現(xiàn)水深增加區(qū)、第1個(gè)水深降低區(qū)和第2個(gè)水深降低區(qū)，并且對(duì)口布置時(shí)水深分布有很強(qiáng)的對(duì)稱(chēng)性，錯(cuò)口布置時(shí)僅有水深增加區(qū)和第1個(gè)水深降低區(qū)。由圖9可知，HSI(H)值受丁壩影響較小，僅在各丁壩壩頭小范圍內(nèi)降低，其他區(qū)域HSI(H)均為1。對(duì)于雙丁壩而言，單側(cè)布置時(shí)水深變幅略大(尤其是壩頭處)；而對(duì)口、錯(cuò)口布置時(shí)水深變幅較??；同時(shí)，在每側(cè)的第1個(gè)丁壩壩頭處的HSI(H)值較低，其他區(qū)域HSI(H)值均為1。

流速及HSI(U)值分析：由圖10和圖11可知，對(duì)于單丁壩而言，單側(cè)、對(duì)口、錯(cuò)口布置時(shí)，水流紊動(dòng)強(qiáng)度依次降低，流速分布不均勻性依次降低；HSI(U)值在丁壩附近上下游一定區(qū)域內(nèi)較高，遠(yuǎn)離丁壩區(qū)域和主流區(qū)的HSI(U)值較低；同時(shí)，單側(cè)、對(duì)口、錯(cuò)口布置時(shí)，HSI(U)較高值區(qū)域和較低值區(qū)域的面積依次減小。對(duì)于雙丁壩而言，對(duì)口和錯(cuò)口布置時(shí)，水流紊動(dòng)強(qiáng)度比單側(cè)布置小很多，且對(duì)口布置時(shí)流速對(duì)稱(chēng)性很強(qiáng)；HSI(U)值在丁壩附近上下游一定區(qū)域內(nèi)較高，遠(yuǎn)離丁壩區(qū)域和主流區(qū)的HSI(U)值較低。

圖8 不同丁壩數(shù)量及布置形式的具體水深分布

圖9 不同丁壩數(shù)量及布置形式的HSI(H)值分布

圖10 不同丁壩數(shù)量及布置形式的流速分布

圖11 不同丁壩數(shù)量及布置形式的HSI(U)值分布

圖12 不同丁壩數(shù)量及布置形式的CSF值分布

CSF值分析：由圖12可知，對(duì)單丁壩而言，單側(cè)、對(duì)口、錯(cuò)口布置時(shí)，CSF較高值區(qū)域和較低值區(qū)域的面積依次減小。對(duì)雙丁壩而言，CSF較低值的區(qū)域面積明顯大于單丁壩，而CSF較高值的區(qū)域面積在丁壩之間有所增加。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)模型模擬計(jì)算獲得了不同丁壩布置形式的WUA值成果，見(jiàn)表1。對(duì)于本研究中設(shè)置的6種工況，總體來(lái)說(shuō)在河流中布設(shè)丁壩對(duì)水生生物棲息地的改善效果均比較明顯，WUA的增加值為26.1%～30.4%。具體情況為：河道兩側(cè)布設(shè)的丁壩數(shù)量相同時(shí)，對(duì)口布置優(yōu)于錯(cuò)口布置，錯(cuò)口布置優(yōu)于單側(cè)布置。 綜合來(lái)看，對(duì)口丁壩布置形式具有最優(yōu)的WUA值，相比無(wú)丁壩時(shí)增加了30.4%，該種布置形式對(duì)河流棲息地有最好的改善作用。從圖8和圖10也可看出，對(duì)口丁壩布置時(shí)流場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性好，紊動(dòng)強(qiáng)度較單側(cè)布置小，整個(gè)流場(chǎng)的流態(tài)也較好。

表1 不同丁壩布置形式模擬結(jié)果

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