人工壩體對(duì)長(zhǎng)江上游魚(yú)類棲息地流域水動(dòng)力學(xué)特性的影響

張 俊，車(chē) 軒，賈廣臣，田昌鳳，陳曉龍

人工壩體對(duì)長(zhǎng)江上游魚(yú)類棲息地流域水動(dòng)力學(xué)特性的影響

張 俊1,2，車(chē) 軒2※，賈廣臣1，田昌鳳2，陳曉龍2

（1. 上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306； 2. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092）

長(zhǎng)江上游魚(yú)類棲息地的水動(dòng)力學(xué)研究對(duì)于棲息地生態(tài)治理與恢復(fù)、評(píng)估水生物的生境條件有重要科學(xué)意義。該研究以長(zhǎng)江上游四川省瀘州市江段人工修復(fù)魚(yú)類棲息地為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工圖、水下地形測(cè)繪圖和航拍圖，等比例建立了三維流場(chǎng)模型?；贑FD數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)勘測(cè)，研究了6種不同流速下的棲息地水動(dòng)力學(xué)特性，分析了多個(gè)人工壩體對(duì)該江段水流環(huán)境的影響機(jī)制、湍流/渦結(jié)構(gòu)的演化與發(fā)展規(guī)律，利用了水流均勻性指數(shù)、傅汝德數(shù)、局部斷面流速等水力指標(biāo)對(duì)修復(fù)后的棲息地水環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，并與現(xiàn)場(chǎng)地形和流速測(cè)繪、魚(yú)群調(diào)查等試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析。研究表明：在該江段試驗(yàn)區(qū)形成多個(gè)大漩渦區(qū)，渦流形態(tài)基本不隨來(lái)流速度的變化而改變，逆時(shí)針?shù)鰷u區(qū)的上升流現(xiàn)象明顯，且流速稍高于順時(shí)針?shù)鰷u區(qū)；試驗(yàn)區(qū)的水流速度偏低，流動(dòng)均勻性差，流態(tài)紊亂復(fù)雜，而對(duì)照區(qū)的流速相對(duì)較快，流動(dòng)均勻性好，水流方向變化不明顯；隨來(lái)流速度增加，傅汝德數(shù)不完全呈線性增加趨勢(shì)，不同水深截面上的水流均勻性指數(shù)的變化趨勢(shì)相近；現(xiàn)場(chǎng)魚(yú)群調(diào)查相同測(cè)繪距離內(nèi)，對(duì)照區(qū)域?yàn)?.714尾/1 000呯，試驗(yàn)區(qū)域?yàn)?.157尾/1 000呯，說(shuō)明流動(dòng)不均勻的低速渦流區(qū)有利于聚集魚(yú)群，經(jīng)修復(fù)后的棲息地能夠?yàn)樗锾峁┝己玫臈?、繁衍、庇護(hù)等生存條件；當(dāng)來(lái)流速度為2 m/s時(shí)，試驗(yàn)區(qū)域兩條測(cè)試路徑的平均流速分別為0.53和0.79 m/s，在同一魚(yú)群探測(cè)試驗(yàn)測(cè)繪路徑上，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差約10%，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。研究結(jié)果對(duì)于大水面漁業(yè)生態(tài)工程的水動(dòng)力學(xué)研究有重要的參考意義。

水動(dòng)力學(xué)；流場(chǎng)；長(zhǎng)江上游保護(hù)區(qū)；魚(yú)類棲息地；人工壩體；魚(yú)礁

0 引 言

近年來(lái)，隨著長(zhǎng)江流域自然河流的大規(guī)模梯級(jí)水電、防洪護(hù)岸、橋梁、碼頭等大型建筑設(shè)施的開(kāi)發(fā)建設(shè)，造成了部分河道與河岸自然生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致適合水生物生存的空間正逐漸減少甚至消失，使岸線生態(tài)功能大幅退化，特別是金沙江工程引起了長(zhǎng)江上游珍稀魚(yú)類國(guó)家自然保護(hù)區(qū)長(zhǎng)江干流江段的水文條件發(fā)生了巨大變化[1-2]。因此，針對(duì)長(zhǎng)江上游珍稀魚(yú)類棲息地受損現(xiàn)狀，充分利用生態(tài)學(xué)和工程學(xué)原理，建造魚(yú)礁和壩體等設(shè)施來(lái)降低水流速度，創(chuàng)造紊流、上升流等水流環(huán)境，對(duì)改善水生物的棲息、繁殖、索餌等生境條件，維持長(zhǎng)江上游生態(tài)適宜度、提高水生物的多樣性具有重要意義[3-5]。

魚(yú)類棲息地的水動(dòng)力學(xué)研究對(duì)于河道生態(tài)治理與恢復(fù)、評(píng)估水生物的生存條件等研究有極為重要的科學(xué)意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)魚(yú)類棲息地的水動(dòng)力學(xué)特性開(kāi)展了大量研究[6-9]。Sempeski等[10-11]通過(guò)對(duì)2條河流的茴魚(yú)產(chǎn)卵場(chǎng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，流速是魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)眾多水動(dòng)力學(xué)因素中極為重要的條件；Crowder等[12-13]選取動(dòng)能梯度和動(dòng)能強(qiáng)度2個(gè)量化指標(biāo)，采用量化產(chǎn)卵時(shí)所需水流特征因子的方法分析了流速特性；Baril等[14]對(duì)奧瓦爾魯河進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬的流速和水深用于確定場(chǎng)地的適用性并評(píng)估河道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，研究表明，河道結(jié)構(gòu)不符合提高水位的預(yù)期，對(duì)河流速度無(wú)明顯影響；Almeida等[15]采用二維數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)研究了魚(yú)類棲息地各種河道結(jié)構(gòu)的流速適宜性指數(shù)，為魚(yú)類棲息地的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考；Zhang等[16]應(yīng)用水動(dòng)力和污染輸送的棲息地模型進(jìn)行數(shù)值模擬，選擇流速、水深、河床底物和污染濃度作為適宜性指標(biāo)，研究表明水壩建設(shè)嚴(yán)重影響了墨頭魚(yú)的棲息環(huán)境；杜浩等[17]通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江江口至涴市天然河道的魚(yú)類行為試驗(yàn)，研究了天然河道中的流速、水位2個(gè)水力學(xué)指標(biāo)對(duì)魚(yú)類的適應(yīng)范圍，為評(píng)價(jià)河流棲息地適宜性及生態(tài)功能提供了重要借鑒；孫嘉寧等[18]對(duì)白鶴灘水庫(kù)回水支流黑水河進(jìn)行水動(dòng)力模擬和魚(yú)類棲息地模擬，分析了蓄水前后棲息地?cái)?shù)量變化，研究發(fā)現(xiàn)流速和水位是影響棲息地分布的主要因素；李洋[19]以錦屏大河灣河段為研究對(duì)象，采用原位觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值模擬等手段，研究了流速、流量等水動(dòng)力特性對(duì)魚(yú)類產(chǎn)卵行為的影響，并提出了魚(yú)類產(chǎn)卵的生態(tài)流量確定技術(shù)方法；李倩[20]對(duì)長(zhǎng)江上游保護(hù)區(qū)魚(yú)類棲息地進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，得到了該河段流速、水深、傅汝德數(shù)等水動(dòng)力指標(biāo)，建立了描述魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)地貌的指標(biāo)體系；陳炳宇[21]建立了長(zhǎng)江上游保護(hù)區(qū)銅魚(yú)產(chǎn)卵的地形地貌、水文特征、水動(dòng)力特征、水質(zhì)特征和河床底質(zhì)5大類水環(huán)境特征的指標(biāo)體系，為評(píng)價(jià)保護(hù)區(qū)水環(huán)境特征提供了理論依據(jù)；文獻(xiàn)[22-25]模擬研究了明渠丁壩附近的流場(chǎng)分布特性，主要分析了不同丁壩長(zhǎng)度與間距條件下的局部流動(dòng)特性、壩體附近的流動(dòng)結(jié)構(gòu)以及壩根處的渦系演化特征、丁壩引起的剪切流沿程變化規(guī)律等，為河道生態(tài)治理與恢復(fù)奠定了理論基礎(chǔ)。

綜上，國(guó)內(nèi)外針對(duì)魚(yú)類棲息地的水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究，得到了影響不同魚(yú)類生存的流速、水深、傅汝德數(shù)等水動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，而關(guān)于人工修復(fù)魚(yú)類棲息地的水動(dòng)力學(xué)模擬與試驗(yàn)研究較少，尤其是針對(duì)適合魚(yú)類生存的紊流、上升流、水力均勻性指數(shù)等問(wèn)題需進(jìn)一步研究。本文基于CFD數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了人工壩體對(duì)長(zhǎng)江上游地區(qū)魚(yú)類棲息地流域水動(dòng)力學(xué)特性的影響，對(duì)比分析了流速、傅汝德數(shù)、水力均勻指數(shù)、湍流渦結(jié)構(gòu)的演化與發(fā)展規(guī)律等，并與現(xiàn)場(chǎng)地形、流速測(cè)繪、魚(yú)群探測(cè)等試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果對(duì)于維持長(zhǎng)江上游地區(qū)珍稀特有魚(yú)類棲息地的生態(tài)適宜度、大水面漁業(yè)生態(tài)工程的水動(dòng)力學(xué)等研究有極為重要的參考意義。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

針對(duì)長(zhǎng)江上游地區(qū)珍稀特有魚(yú)類國(guó)家自然保護(hù)區(qū)四川省瀘州市江段的魚(yú)類棲息地受損現(xiàn)狀，利用生態(tài)學(xué)和工程學(xué)原理，人工建造7個(gè)壩體。根據(jù)項(xiàng)目施工圖、實(shí)測(cè)地形圖和現(xiàn)場(chǎng)航拍圖，等比例建立三維幾何模型。地形測(cè)繪采用美國(guó)LinkQuset 公司生產(chǎn)的EchoSeep 300多波束地形掃測(cè)設(shè)備，通過(guò)分析可知，該水域平均水深約為4.0 m，測(cè)繪區(qū)域中部水深約為5.0 m，其余水域底部地形較為平坦。在流場(chǎng)模型中，考慮了流域腹部、人造壩體等部位的不規(guī)則坡度和高度差。

圖1為流場(chǎng)幾何模型，取平面建立直角坐標(biāo)系，方向?yàn)樗鞣较?，方向?yàn)樗罘较?，z方向?yàn)樗驅(qū)挾确较?。流?chǎng)模型長(zhǎng)為801.3 m，寬為486.76 m。為了便于和試驗(yàn)測(cè)繪路徑上的流速對(duì)比分析，取AA′、BB′、CC′、DD′ 4個(gè)水面橫向截線。為了對(duì)比分析流場(chǎng)中的傅汝德數(shù)和水流均勻性指數(shù)，在主流區(qū)進(jìn)出水口、主流區(qū)中段、靠近壩體內(nèi)側(cè)入口、壩體內(nèi)側(cè)中段以及靠近壩體內(nèi)側(cè)末段出水口位置共設(shè)置6個(gè)縱向監(jiān)測(cè)斷面，如圖1所示。

1.2 計(jì)算方法

將流場(chǎng)中的液相、氣相、固相視為具有不可壓縮性和連續(xù)性的混合流體相，其三維非穩(wěn)態(tài)復(fù)雜流動(dòng)過(guò)程滿足連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程[8]。湍流模型采用重整化群（RNG）兩方程模型，該模型考慮了渦流和低雷諾數(shù)對(duì)湍流的影響，提高了存在旋渦流動(dòng)的計(jì)算精度，尤其適用于描述具有大應(yīng)變率剪切流、有旋流、分離等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。

將圖1所示流場(chǎng)區(qū)域劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)不規(guī)則壩體及流域腹部岸堤等流動(dòng)變化劇烈的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，在網(wǎng)格交接處采用網(wǎng)格交接面，并在貼近壁面的區(qū)域添加邊界層網(wǎng)格，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證計(jì)算，確定網(wǎng)格總量約為2 000萬(wàn)。

采用FLUENT求解器進(jìn)行數(shù)值模擬，流場(chǎng)中的江岸、江底及人造壩體部位定義為無(wú)滑移固壁邊界條件，河道糙率取0.03。流場(chǎng)出口定義為壓力出口邊界條件，混合流體連續(xù)相的密度為1 052 kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)為1.056 5×106m2/s。采取基于壓力耦合的SIMPLEC算法，使速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的迭代同步進(jìn)行，湍流動(dòng)能及湍流耗散率均采用二階迎風(fēng)格式，收斂精度為10-6。

2 結(jié)果與分析

2.1 流場(chǎng)特征分析

根據(jù)該江段在不同季節(jié)平均流速的試驗(yàn)值定義來(lái)流速度0，取1、2、3、4、5、6 m/s共6種入口流速條件。不同流速下的流場(chǎng)速度矢量圖相近，以0=6 m/s為例分析說(shuō)明流場(chǎng)特征，圖2為水面速度矢量云圖。結(jié)果表明：水流經(jīng)過(guò)壩體時(shí)出現(xiàn)了明顯的分流現(xiàn)象，一部分流向壩體外側(cè)對(duì)照區(qū)，水流繞動(dòng)急驟、流速較快，局部最高流速達(dá)到10 m/s左右，而另一部分進(jìn)入壩體內(nèi)側(cè)試驗(yàn)區(qū)，流速降低，集中在3 m/s左右；漩渦在流場(chǎng)中隨流體的對(duì)流和黏性擴(kuò)散，壩體與壩體之間形成了明顯的小渦流結(jié)構(gòu)和尾跡流現(xiàn)象，其流速明顯偏低；從水流方向上看，分別形成了順時(shí)針、逆時(shí)針、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的3個(gè)大漩渦區(qū)，均位于試驗(yàn)區(qū)；對(duì)比分析不同來(lái)流速度下的速度矢量云圖可以得出，旋渦的結(jié)構(gòu)形態(tài)基本上不隨來(lái)流速度的改變而改變，流場(chǎng)特征基本相近；結(jié)合流場(chǎng)不同部位的流速對(duì)比曲線也可以看出，由于壩體阻水作用，速度場(chǎng)的變化梯度較大，試驗(yàn)區(qū)的平均水流流速偏低，但水流的方向變化較快，而對(duì)照區(qū)的水流速度變化相對(duì)較快，但水流方向變化不明顯。目前的研究表明[18-20]：由于漩渦具有場(chǎng)特征和吸收物質(zhì)性，使得低速渦流區(qū)有利于聚集魚(yú)群。

2.2 渦流黏度分析

為了對(duì)比分析壩體內(nèi)外兩側(cè)水流運(yùn)動(dòng)所引起的湍流特性，圖3給出了AA′、BB′、CC′、DD′ 4條水面橫向截線上的渦流黏度在不同來(lái)流速度下的分布云圖。渦流黏度是指當(dāng)流動(dòng)處于湍流狀態(tài)時(shí)，由于隨機(jī)脈動(dòng)所造成的強(qiáng)烈渦團(tuán)擴(kuò)散和級(jí)聯(lián)散列，是表征流場(chǎng)特性的重要參數(shù)，其機(jī)理是漩渦帶動(dòng)流體質(zhì)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致強(qiáng)烈的動(dòng)量傳遞速率，使得表觀黏度遠(yuǎn)大于分子水平的黏度。對(duì)比分析圖3的計(jì)算結(jié)果可知：越靠近壩體區(qū)域，流場(chǎng)中的渦流黏度越大，BB′線上的渦流黏度最高，表明壩體附近的流態(tài)紊亂復(fù)雜；在不同來(lái)流速度下，試驗(yàn)區(qū)的渦流黏度變化幅度較大，而對(duì)照區(qū)的渦流黏度數(shù)值和變化幅度相對(duì)較?。浑S著來(lái)流速度的增加，渦流黏度基本呈線性增加趨勢(shì)。

2.3 沿水流方向上的流速分析

圖4給出了AA′、BB′、CC′、DD′ 4條水面橫向截線上的流速在不同來(lái)流速度下的變化曲線。結(jié)果表明：由于人工壩體的阻水作用，位于試驗(yàn)區(qū)監(jiān)測(cè)線上的速度明顯小于對(duì)照區(qū)的速度；靠近壩體附近監(jiān)測(cè)線上的水流速度差異較大，且隨著位置不同其速度變化幅度較大；來(lái)流速度越高，位于試驗(yàn)區(qū)附近監(jiān)測(cè)線上的流速變化幅度越大，而對(duì)照區(qū)的水流速度基本不變，其大小和來(lái)流速度基本保持一致。結(jié)合圖2和圖3可以看出：對(duì)照區(qū)內(nèi)的水流流速集中在6 m/s，流動(dòng)均衡、穩(wěn)定、有序，其流速和渦流黏度變化幅度較小，而試驗(yàn)區(qū)的流速集中在3m/s，流動(dòng)不穩(wěn)定，受不規(guī)則壩體和岸堤的影響，存在明顯的回流和環(huán)流現(xiàn)象，使得該區(qū)域的流動(dòng)復(fù)雜、紊亂，其流速和渦流黏度的變化幅度相對(duì)較大。

2.4 沿水深方向上的流速分析

圖5為4條水面橫向截線AA′、BB′、CC′、DD′沿水深方向上的速度分布規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明：在同一截線、不同深度的水流流速分布規(guī)律不同，在深度方向上總體呈降低趨勢(shì)，但在AA′、DD′線上的流速沿水深方向基本呈單調(diào)遞減趨勢(shì)，而在靠近壩體區(qū)域的BB′、CC′線上，距水面約一定范圍內(nèi)的流速遞減幅度較小，從水深約3.5 m到水底的流速基本呈線性衰減規(guī)律，且衰減速率較快；隨著來(lái)流速度的增加，距水底約1 m范圍內(nèi)的流速變化梯度不大，這是由于河道底部粗糙，接近河道底部的水流除了受到流體之間的黏性力還受到了河道底部的摩擦阻力，導(dǎo)致底部水流速度相對(duì)較小。綜合分析可知，人工壩體在不改變壩體外側(cè)對(duì)照區(qū)水流速度的情況下，改變了魚(yú)類棲息地的水動(dòng)力學(xué)環(huán)境，在壩體內(nèi)側(cè)試驗(yàn)區(qū)，水流速度明顯降低，且存在較大梯度差，紊流、上升流現(xiàn)象明顯。

2.5 平均流速和傅汝德數(shù)分析

描述魚(yú)類生存條件的水動(dòng)力學(xué)指標(biāo)主要包括流速、水深、流速梯度、傅汝德數(shù)、水流均勻性指數(shù)等。其中，水深是魚(yú)類等水生物生存空間的反映，流速也是關(guān)鍵的生境因子之一，因?yàn)閷?duì)于產(chǎn)漂流性卵的魚(yú)類，魚(yú)卵和魚(yú)苗需一定流速以防止其下沉到水底。傅汝德數(shù)則反映了流速和水深的共同影響，是表征水流狀態(tài)的重要參數(shù)，在數(shù)值上的意義為流體內(nèi)的慣性力與其重力的比值，定義為

圖6a為6個(gè)縱向監(jiān)測(cè)面在不同來(lái)流速度下的平均速度變化規(guī)律，圖6b為6個(gè)縱向監(jiān)測(cè)面在不同來(lái)流速度下的傅汝德數(shù)變化規(guī)律，其中，縱向監(jiān)測(cè)面1、5、6為對(duì)照區(qū)內(nèi)3個(gè)不同位置上的監(jiān)測(cè)面，縱向監(jiān)測(cè)面2、3、4為試驗(yàn)區(qū)內(nèi)3個(gè)不同位置上的監(jiān)測(cè)面，見(jiàn)圖1。從圖6的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出：經(jīng)過(guò)對(duì)照區(qū)監(jiān)測(cè)面上的平均流速和傅汝德數(shù)明顯大于試驗(yàn)區(qū)的監(jiān)測(cè)面，即對(duì)照區(qū)的水體流動(dòng)比試驗(yàn)區(qū)更為湍急；傅汝德數(shù)和平均速度的變化趨勢(shì)基本一致，隨著來(lái)流速度增加，6個(gè)監(jiān)測(cè)面上的平均流速和傅汝德數(shù)基本呈線性增加趨勢(shì)。對(duì)比分析可知，監(jiān)測(cè)面4上的平均流速和傅汝德數(shù)不符合線性關(guān)系，這是由于監(jiān)測(cè)面4位于渦流區(qū)內(nèi)的水流出口部位，該斷面面積小且流速變化幅度大，且6個(gè)監(jiān)測(cè)面上的平均水深不同，因此，隨著來(lái)流速度的增加，流場(chǎng)不同部位的平均流速和傅汝德數(shù)的變化趨勢(shì)略有差異。

2.6 水流均勻性指數(shù)分析

水流均勻性指數(shù)是表征水體流動(dòng)復(fù)雜程度的重要指標(biāo)，也是評(píng)估水流多樣性的重要參數(shù)，數(shù)值越大表示流動(dòng)均勻性越好，流動(dòng)越穩(wěn)定，而越小則表示流動(dòng)越復(fù)雜，水流具有多樣性和不穩(wěn)定性。水流均勻性指數(shù)的定義式為

圖7為不同水深截面上的壩體兩側(cè)水流均勻性指數(shù)變化規(guī)律，其中虛線表示壩體內(nèi)側(cè)水流均勻性指數(shù)，實(shí)線為壩體外側(cè)水流均勻性指數(shù)，監(jiān)測(cè)面1、2、3、4、5分別對(duì)應(yīng)5種不同水深的流場(chǎng)全域，對(duì)應(yīng)的水深分別為0、1、2、3、4 m。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，在水深分別為0、1、2 m的截面上，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的水流均勻性性指數(shù)均比對(duì)照區(qū)的小，說(shuō)明壩體內(nèi)側(cè)的水流相對(duì)不均勻、流態(tài)更加復(fù)雜，有較好的水流多樣性；而在水深分別為3、4 m的截面上，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的水流均勻性性指數(shù)均比對(duì)照區(qū)的大，這是由于河道底部的地形復(fù)雜且流速偏低，以至于表現(xiàn)出和其他水深截面上不同的流動(dòng)特征。從整體上來(lái)看，隨來(lái)流速度增加，在不同水深的截面上，壩體兩側(cè)水流均勻性指數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致。說(shuō)明人工壩體提高了該流域的流動(dòng)多樣性和不穩(wěn)定性，能夠?yàn)槎喾N水生物提供多樣化的生境條件，有利于提高棲息地水生物的多樣性，對(duì)于修復(fù)棲息地的生態(tài)環(huán)境有重要作用。

2.7 模擬結(jié)果驗(yàn)證

采用聲學(xué)超聲波流速儀測(cè)試壩體兩側(cè)的水流速度，測(cè)試路徑如圖1中的AA′、BB′、CC′、DD′，測(cè)試路徑1、2位于對(duì)照區(qū)，測(cè)試路徑3、4位于試驗(yàn)區(qū)。表1為數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)對(duì)比。

試驗(yàn)表明：4條測(cè)繪路徑上的水流流速較緩，對(duì)照區(qū)測(cè)試路徑1、2的平均流速分別為1.66和1.53 m/s，試驗(yàn)區(qū)測(cè)試路徑3、4的平均流速為0.79和0.53 m/s；對(duì)照區(qū)的水流流速偏快，部分區(qū)域存在向壩體內(nèi)部流動(dòng)的趨勢(shì)；壩體內(nèi)側(cè)流域腹部的整體流速偏低，但水流的方向變化較快，這是由于多個(gè)壩體引起的渦流區(qū)改變了流場(chǎng)環(huán)境。對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果得出：4條試驗(yàn)測(cè)繪路徑與數(shù)值計(jì)算的AA′、BB′、CC′、DD′的位置接近，以來(lái)流速度為2 m/s為例，流速數(shù)值計(jì)算結(jié)果與測(cè)繪結(jié)果相差約10%，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的有效性。修復(fù)后的魚(yú)類棲息地主河道流速穩(wěn)定，壩體內(nèi)側(cè)流態(tài)復(fù)雜、紊亂，回流和環(huán)流流動(dòng)特征明顯，水深和流速條件適宜，能夠?yàn)轸~(yú)類等水生物提供良好的棲息、索餌、繁衍、庇護(hù)等生境條件。

表1 平均流速數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：0=2 m·s-1。

3 討 論

采用BIOSONICS系列DT-X多功能回聲儀對(duì)該江段的魚(yú)群數(shù)量探測(cè)評(píng)估。結(jié)果表明：在相同測(cè)繪距離內(nèi)，在對(duì)照區(qū)測(cè)速路線1、2區(qū)域內(nèi)為5尾/7 000呯次= 0.714尾/1 000呯，在試驗(yàn)區(qū)測(cè)速路線3、4區(qū)域?yàn)?尾/1 900呯次=3.157尾/1 000呯，呯次表示回聲儀的掃描次數(shù)。由此可見(jiàn)，試驗(yàn)區(qū)的魚(yú)群數(shù)量約為對(duì)照區(qū)的4.4倍。研究表明[18]：小規(guī)格魚(yú)類喜好選擇較小的流速、較寬的流速范圍和水深范圍；較大規(guī)格的魚(yú)類趨向于選擇較高的流速、較窄的流速范圍和水深范圍。從魚(yú)類分布情況來(lái)看，魚(yú)類分布密度較高的區(qū)域在試驗(yàn)區(qū)，這與該區(qū)域的水動(dòng)力環(huán)境密切相關(guān)。

長(zhǎng)江中上游地區(qū)水流湍急、地形復(fù)雜，試驗(yàn)研究的危險(xiǎn)性大、時(shí)間周期長(zhǎng)，人力成本高。CFD數(shù)值模擬作為一種重要的科學(xué)研究方法，對(duì)于確定人工修復(fù)區(qū)域的施工方案、評(píng)估施工后的流域水動(dòng)力學(xué)環(huán)境有重要指導(dǎo)意義。文中忽略了水下砂石對(duì)流場(chǎng)環(huán)境的影響，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在差別，有待于進(jìn)一步研究。綜合以上分析得出，人工壩體改善了魚(yú)類的生境條件，對(duì)于提高長(zhǎng)江上游魚(yú)類棲息地的生境適宜度、維持水生物多樣性等研究有重要意義。

4 結(jié) 論

通過(guò)模擬研究長(zhǎng)江上游人工修復(fù)魚(yú)類棲息地的水流宏觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、局部渦流結(jié)構(gòu)特征、壩體附近的湍流/渦結(jié)構(gòu)發(fā)展與演化規(guī)律，利用水流均勻性指數(shù)、傅汝德數(shù)、典型斷面流速等水力指標(biāo)對(duì)人工修復(fù)后的魚(yú)類棲息地水環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，并與流速測(cè)繪、魚(yú)群探測(cè)等試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

1）人工建造的壩體在不影響主流區(qū)流速的條件下使試驗(yàn)區(qū)的流速降低，當(dāng)水流經(jīng)過(guò)壩體時(shí)出現(xiàn)了明顯的分流現(xiàn)象，對(duì)照區(qū)的水流急驟，流速變化梯度??；在試驗(yàn)區(qū)形成了多個(gè)大漩渦區(qū)，該渦流結(jié)構(gòu)的形態(tài)基本不隨來(lái)流速度的變化而改變；逆時(shí)針?shù)鰷u區(qū)的上升流現(xiàn)象明顯，且流速稍高于順時(shí)針?shù)鰷u區(qū)。

2）在不同來(lái)流速度下，試驗(yàn)區(qū)的湍流黏度變化幅度較大，湍流黏度隨來(lái)流速度增加而增大；漩渦在流場(chǎng)中隨流體的對(duì)流和黏性擴(kuò)散，在壩體與壩體之間形成了明顯的小渦流結(jié)構(gòu)和尾跡流現(xiàn)象，其水流流速明顯偏低；隨著來(lái)流速度的增加，平均流速和傅汝德數(shù)基本呈線性增加趨勢(shì)；在不同的深度下，壩體兩側(cè)的水流均勻性指數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，試驗(yàn)區(qū)的魚(yú)群試驗(yàn)探測(cè)數(shù)量明顯高于對(duì)照區(qū)。

3）當(dāng)來(lái)流速度為2 m/s時(shí)，試驗(yàn)區(qū)的平均流速約為0.6 m/s，在同一測(cè)繪路徑上，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)繪值相差約10%，說(shuō)明了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的有效性；流速在深度方向上總體呈降低趨勢(shì)，但在靠近壩體區(qū)域、距水面一定范圍內(nèi)的流速遞減幅度較小，而遠(yuǎn)離壩體區(qū)域的流速基本呈線性衰減規(guī)律；隨來(lái)流速度增加，距河道底部約1 m范圍內(nèi)的流速變化梯度較小。

4）經(jīng)修復(fù)后的魚(yú)類棲息地流速均衡、穩(wěn)定、有序，多個(gè)壩體處的流態(tài)復(fù)雜紊亂、流動(dòng)不均勻、回流和環(huán)流特征明顯，試驗(yàn)區(qū)形成的水環(huán)境具有多樣性和不穩(wěn)定性，能為魚(yú)類等水生物提供良好的棲息、索餌、繁衍、庇護(hù)等生存條件。本文對(duì)于評(píng)估人工壩體對(duì)魚(yú)類棲息地水環(huán)境等研究有極為重要的科學(xué)意義和參考價(jià)值。

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Effects of artificial dams on hydrodynamic characteristics of fish habitats in upper reaches of Yangtze River

Zhang Jun1,2, Che Xuan2※, Jia Guangchen1, Tian Changfeng2, Chen Xiaolong2

(1.,,201306;2.,,200092,)

Habitat of fish species has been an essential component of riverine ecosystems in natural rivers. However, a series of ecological problems have posed a practical challenge on fish habitats and blocks migration routes, particularly in the upstream reach of the Yangtze River, mostly due to the construction of hydroelectric dams rapidly increased in recent years in China. Therefore, it is necessary to explore the hydrodynamic characteristics of fish habitats for the ecological management and restoration, especially for the rare and unique fish, and thereby to evaluate the habitat conditions of aquatic organisms in the upper reaches of the Yangtze River. In this study, a three-dimensional model of flow field was established, corresponding to the artificial restoration of rare fish habitats in the river section of Yangtze River upstream, in Luzhou city, Sichuan province, China. The hydrodynamic characteristics of different flow velocities were investigated, based on the Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical simulation combined with an experimental survey. The evolution and development of the turbulence/vortex structure were analyzed, in order to obtain the influence mechanisms of several artificial dams on the abdominal flow law of the basin, compared with the experimental data, including the site topography, flow mapping of the habitats, and the survey of fish shoal. The results showed that the large vortex areas were formed in the test area of the habitat basin, where the shape of vortex was almost invariant with the change of the stream speed. The upwelling occurred obviously in the anticlockwise vortex region, of which the velocity was slightly higher than that in the clockwise vortex region.The flow velocity of the habitat basin in the test area is lower than the control area, but the uniformity of water flow is baddish. The Froude number does not increase linearly with the inflow velocity, and the variation trends of flow uniformity index on different water depth sections of the habitat basin are similar. By the field survey of fish shoal in the same mapping distance, the area outside the dam was 0.714 in 1 000 scanning times, while, the area inside the dam was 3.157 in 1 000 scanning times, revealing that the low-velocity turbulence/vortex structure in the test area of the habitat basin can gather fish better, and thereby the artificial restoration of fish habitat can provide suitable living conditions for aquatic organisms to roost, breed, and shelter. Specifically, the average flow velocity of two test routes in the abdomen of the basin was 0.53 and 0.79 m/s, when the flow velocity was 2 m/s. The difference between the numerical simulation results and the test data is about 10% on the same mapping path, which verify the reliability of the numerical calculation method. The findings can offer a sound theoretical reference for the hydrodynamics of large-water fishery ecological projects.

hydrodynamics; flow field; Yangtze River upstream reserve; fish habitat; artificial dams; artificial fish-reefs

張俊，車(chē)軒，賈廣臣，等. 人工壩體對(duì)長(zhǎng)江上游魚(yú)類棲息地流域水動(dòng)力學(xué)特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(5)：140-146.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.016 http://www.tcsae.org

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2020-05-03

2021-02-18

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“藍(lán)色糧倉(cāng)”科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2020YFD0900502）；上海市科委創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（17050502000）；上海海洋大學(xué)科技發(fā)展專項(xiàng)基金（A2-2006-20-200210）

張俊，副教授，研究方向?yàn)闈O業(yè)工程水動(dòng)力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)。Email：zhangjun@shou.edu.cn

車(chē)軒，副研究員，研究方向?yàn)榇笏鏉O業(yè)生態(tài)工程。Email：chexuan@fmiri.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.016

V211.3; TJ410

A

1002-6819(2021)-05-0140-07