長江上游洛磧航道采砂坑三維水溫結(jié)構(gòu)模擬研究

樊宇奇 李文杰 戴卓 楊威 楊勝發(fā)

摘要：采砂坑是航道整治中經(jīng)常會遇到的一個問題，它的存在不利于航道運(yùn)輸，同時也對魚類生存有著一定影響。利用MIKE 3軟件的水動力模塊對夏季及冬季工況下的長江上游航道洛磧采砂坑區(qū)域三維水溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，取采砂坑兩監(jiān)測點(diǎn)模擬數(shù)值與實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的可靠性。取鄰近區(qū)域非采砂坑兩環(huán)境數(shù)據(jù)點(diǎn)分析其水溫結(jié)構(gòu)，同時將采砂坑環(huán)境與非采砂坑環(huán)境的模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，以探究它們水溫結(jié)構(gòu)的異同。結(jié)果表明：垂向上采砂坑內(nèi)水溫隨水深變化不大，溫度數(shù)值較為恒定，冬季工況下平面上采砂坑水體水溫比非采砂坑水體更高，夏季工況則較低。該模型能夠較好地模擬出采砂坑內(nèi)水溫的變化過程及變化趨勢，具有較好的實(shí)用性和有效性。研究成果可為航道整治的方案選擇及長江魚類的生境保護(hù)提供一定的參考。

關(guān) 鍵 詞：

采砂坑; 水溫結(jié)構(gòu); 航道整治; 魚類生境; 數(shù)值模擬

中圖法分類號： TV853

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.027

河砂是砂石料重要的來源之一，長江上游沿江地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，建筑用砂量增加，采砂量大幅增加[1]。過度的采砂在航道內(nèi)形成大量深淺不一的采砂坑，采砂坑會改變河床地貌，使航道航槽受到影響，危害航道附近河堤及涉水建筑物的安全穩(wěn)定[2]。同時采砂坑會引起周圍水環(huán)境的變化，一定程度上改變了航道內(nèi)的水流流速、水流方向[3]。因而采砂坑的存在會影響航道尺度，對通行船只的航行安全造成威脅[4-6]。

魚類生境主要指的是“三場一通道”——越冬場、產(chǎn)卵場、索餌場、洄游通道。如今，魚類面臨的主要問題是適宜的生境大量減少[7-9]。國外研究表明，采砂坑水體具有一定的生態(tài)功能[10]。在此背景下，利用采砂坑為魚類提供適宜的生境成為了具有可行性的方案。而在衡量魚類生境適宜度的指標(biāo)中，溫度是主要的衡量指標(biāo)[11-13]，因而對采砂坑溫度場的模擬必不可少。

本文針對上述問題，以重慶市洛磧地區(qū)采砂坑水體為研究對象，采用MIKE 3軟件的水動力模塊，研究采砂坑內(nèi)三維水溫的變化情況。首先構(gòu)建了采砂坑的三維水溫結(jié)構(gòu)模型，利用實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的合理、可靠性;然后對比分析不同季節(jié)工況下采砂坑及非采砂坑環(huán)境下的三維水溫變化過程，探究采砂坑環(huán)境三維水溫結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

1 研究區(qū)域概況

洛磧航道位于長江上游航道里程599.3～605.3 km段，處于重慶朝天門至涪陵河段航道中。為了讓未來5 000 t級船舶、4艘3 000 t級駁船組成的萬噸級船隊可以常年滿載直達(dá)朝天門，當(dāng)前長江上游朝天門至涪陵河段航道整治工程計劃將現(xiàn)有航道維護(hù)水深從3.5 m提升到4.5 m，進(jìn)一步提升長江黃金水道功能。本次研究的采砂坑位于洛磧航道的下洛磧研究區(qū)域，該區(qū)域處于洛磧水道航道里程600.0～602.0 km之間。

下洛磧平面形態(tài)較為順直，左岸為下洛磧卵石灘，右岸為中擋壩卵石灘，磧頂?shù)推?，天然情況下枯水期常出現(xiàn)淺包礙航[14]。目前該河段航道維護(hù)水深為3.5 m，航寬100 m，每年庫區(qū)低水位時段滿載的大型船舶航行受限。同時該河段過度采砂后經(jīng)過水流沖刷，逐漸形成了一個連通的、長度約1.2 km、最寬處有230 m的采砂坑。在此處，地形突變引起局部水流條件惡化，造成深坑分流比增大，且形成不良流態(tài)，船舶航行至此處容易受內(nèi)拖水影響而擱淺，對航道船舶航行安全造成不利影響，需對其實(shí)施一定的工程整治措施，初步?jīng)Q定進(jìn)行填埋處理。

傳統(tǒng)的航道整治措施是利用炸礁將采砂坑直接填埋[15]，但前期通過采砂坑內(nèi)2個監(jiān)測點(diǎn)利用超聲波魚探儀觀測發(fā)現(xiàn)采砂坑內(nèi)存在一定數(shù)量的魚群，同時采用HACH/Hydrolab公司OTT Quanta多參數(shù)水質(zhì)分析儀進(jìn)行水深、水溫的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)水溫隨著水深的增加有著不同的變化速率，即存在明顯的分層現(xiàn)象。監(jiān)測時間為2019年1月6日（24 h），監(jiān)測時段河段平均流量約為5 310 m3/s，平均水位約為152 m。直接填埋處理將會對采砂坑內(nèi)魚類的生存產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，如何對采砂坑進(jìn)行整治，既達(dá)到工程整治目標(biāo)又盡可能地減小對生態(tài)環(huán)境的影響成為了需要解決的問題。

2 三維水溫模型構(gòu)建與驗(yàn)證

2.1 數(shù)學(xué)方程

MIKE 3使用的數(shù)學(xué)模型本質(zhì)是雷諾平均化的N-S方程，但在此基礎(chǔ)上考慮了紊流影響以及密度變化，包含了質(zhì)量守恒、動量守恒等方面。本次研究中涉及到以下兩個主要方程。

鹽度及溫度平衡方程：

1ρC2spt+ujxj=SS（1）

溫度對流擴(kuò)散方程：

Tt+xjTuj=xjDTTxj+SS（2）

式中：ρ為水的密度;CS為海水中聲音的傳播速度;uj為xj方向的速度分量;p為壓力;T指溫度;DT指相關(guān)的溫度擴(kuò)散系數(shù);t指時間;SS指各自的源匯項（每個方程的均不相同） [16]。

2.2 模型參數(shù)

此次研究基于MIKE 3的水動力模塊，所采用的是非結(jié)構(gòu)化的三角化網(wǎng)格，垂向網(wǎng)格均勻劃分為10層，模擬河段長約3 km，共有27 711個網(wǎng)格，最大基本單元設(shè)置為100 m2，最小允許角度為30°，最大節(jié)點(diǎn)個數(shù)為106個，時間步長為60 s，步長個數(shù)為1 440個，總模擬時間為24 h。

模型中輸入的參數(shù)有開邊界處的地形、溫度條件、氣溫條件、水位分布。地形數(shù)據(jù)來源于實(shí)測地形圖所提取的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，水溫設(shè)置為冬季5 ℃、夏季20 ℃;氣溫設(shè)置為冬季4 ℃、夏季38 ℃且不隨時間和空間變化;流量冬季模擬取2019年1月6日平均流量5 310 m3/s，水位取實(shí)測水位173.9 m，夏季模擬取2018年汛期平均流量29 000 m3/s，水位取183.0 m;流場則設(shè)置為靜止?fàn)顟B(tài)，同時進(jìn)出口邊界的水位、水溫、水深、流速均設(shè)置為不隨時間和空間變化。

此次研究的洛磧采砂坑長約1.2 km，具體地形如圖1所示。模擬完成后，在非采砂坑區(qū)域取點(diǎn)1和點(diǎn)2數(shù)據(jù)進(jìn)行水溫模擬結(jié)果分析。

2.3 模型驗(yàn)證

模擬完成后，提取采砂坑內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)與實(shí)測值進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。洛磧采砂坑的計算值與實(shí)測值擬合關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出，計算值與實(shí)測值吻合較好。同時洛磧采砂坑呈現(xiàn)出典型的深水分層特征，存在明顯的溫躍層。將洛磧采砂坑垂向水溫的計算值與實(shí)測值進(jìn)行對比分析可知，本文所采用的三維模型能準(zhǔn)確模擬出洛磧采砂坑的水溫結(jié)構(gòu)演變過程，該模型具有較高的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

3 水溫模擬結(jié)果分析

鄰近區(qū)域非采砂坑環(huán)境的水溫模擬結(jié)果（即水溫隨水深變化關(guān)系）如圖3～4所示。非采砂坑環(huán)境中，冬季工況下洛磧河段水溫隨水深增加而增加，在夏季工況下，洛磧河段水溫隨水深的增加而減小。一開始水深不大時，水溫隨水深急劇變化，到達(dá)某一深度后，水溫隨水深變化速率減小。雖然存在溫度分層現(xiàn)象，但水溫沒有二次分層的情況，并不能看出明顯的溫躍層。同時非采砂坑環(huán)境下水溫隨水深的變化關(guān)系與時間無明顯關(guān)系，溫度分層的現(xiàn)象并不隨模擬時間增加存在明顯變化，水溫隨水深的變化關(guān)系接近一次函數(shù)。對于同一點(diǎn)來說，隨著水深的變化，溫度的變化范圍較大。但從總體來說，溫度的變化范圍與采砂坑區(qū)域數(shù)據(jù)相比較小。

非采砂坑斷面溫度分布如圖5所示，兩種工況下水溫在斷面上均呈分層分布，冬季工況下水溫由上至下非線性逐漸遞增，夏季工況下水溫由上至下非線性逐漸遞減。兩種工況下水體均為上部分層密集，下部分層趨向稀疏，但是并未出現(xiàn)明顯的溫躍層。其中冬季斷面?。?97 090，3 269 714）至（398 131，3 289 473），夏季斷面?。?97 098，3 289 701）至（398 140，3 289 540）。

采砂坑環(huán)境下的水溫模擬結(jié)果如圖6～7所示，4個點(diǎn)水溫隨水深變化對比如圖8所示。可以看出：采砂坑水體水溫變化趨勢大體與非采砂坑水體一致，均為冬季工況下水溫隨水深的增加而增加，夏季工況下水溫隨水深的增加而減小。兩種工況下采砂坑表層水體均會接收太陽輻射并與大氣接觸傳導(dǎo)熱量[17]，因而采砂坑表層水溫接近大氣溫度，冬季工況下水溫較低，夏季工況下水溫較高。冬季工況下隨著水深的增加，水體散失熱量減少，其水溫大幅增加[18]，而夏季工況下隨著水深的增加，水體傳遞熱量減少，其水溫大幅降低。但與非采砂坑環(huán)境不同的是水溫隨水深變化的速率——即一開始水深不大時，水溫隨水深急劇變化，到達(dá)某一深度后，水溫隨水深變化速率減小。與非采砂坑環(huán)境水溫隨水深的變化關(guān)系接近一次函數(shù)不同，采砂坑環(huán)境下水溫隨水深的變化關(guān)系更接近二次函數(shù)曲線。采砂坑環(huán)境下的水體存在明顯的溫躍層，同時還存在水溫二次分層的現(xiàn)象。從水溫隨水深變化的范圍來看，采砂坑環(huán)境下的水體水溫變化范圍較非采砂坑環(huán)境下的水體更大。由于不同的魚類適宜生長的水溫存在一定差異，而一定程度上更大的水溫變化范圍可以為魚類提供更多的選擇，有利于魚類的生存。

采砂坑斷面溫度分布如圖9所示，其中冬季斷面?。?97 165，3 290 531）至（398 401，3 290 087），夏季斷面取（397 065，3 290 340）至（398 327，3 289 838）。水溫在斷面上呈分層分布，冬季工況下水溫由上至下非線性逐漸遞增，夏季工況下水溫由上至下非線性逐漸遞減，與溫度分層型水庫有一定的可比性[19-21]。兩種工況下水體均為上部分層密集，下部分層趨向稀疏，溫躍層較為明顯。由圖9（b）可知，在一定程度上深度更大（即深坑特征更為明顯）的區(qū)域，水溫分層情況更為復(fù)雜，不僅在垂向上存在分層情況，同時在水平方向上也存在分層情況。同時采砂坑水體在斷面上的溫度分層情況較非采砂坑水體更為密集明顯。將采砂坑與非采砂坑水體進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，可以看出在垂向斷面上，相同水溫下的采砂坑水體面積高于非采砂坑水體（即同一水溫的水體體積，采砂坑水體較非采砂坑水體更大），而更大空間的恒溫水體在一定程度上能為魚類提供更好的生存環(huán)境。

研究區(qū)域整體平面溫度分布如圖10～13所示，水溫在平面上呈不均勻分布。同時將采砂坑區(qū)域與非采砂坑區(qū)域進(jìn)行對比可以看出，在平面水溫分布上，圍繞深坑區(qū)域，水溫呈現(xiàn)明顯差異，冬季工況下相同分層的采砂坑區(qū)域水溫明顯高于非采砂坑區(qū)域，而夏季工況下相同分層的采砂坑區(qū)域水溫明顯低于非采砂坑區(qū)域。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合洛磧地區(qū)的自然地理位置、主要?dú)夂驐l件，采用MIKE 3水動力模塊建立了采砂坑三維水溫模型。對洛磧采砂坑區(qū)域的三維水溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行兩種工況下的數(shù)值模擬，并利用實(shí)測數(shù)據(jù)對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，分析了采砂坑環(huán)境三維水溫結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其與非采砂坑環(huán)境三維水溫結(jié)構(gòu)的異同。

（1） 洛磧采砂坑水體為典型水溫分層水體，可參照溫度分層型水庫。從模型的模擬結(jié)果來看，本文所建立的洛磧采砂坑三維水溫結(jié)構(gòu)模型能夠明顯地表現(xiàn)出采砂坑水體的水溫分層特征，同時也能夠較好地模擬出水溫分層的水深及溫躍層的位置，與實(shí)測數(shù)據(jù)有較好的擬合結(jié)果。

（2） 從采砂坑流場的模擬與實(shí)測溫度數(shù)據(jù)可以看出，垂向上采砂坑水體水溫變化區(qū)間相對更大，采砂坑內(nèi)溫度數(shù)值較為恒定。同一深度上采砂坑水體水溫與非采砂坑水體相比，冬季工況下采砂坑內(nèi)水體的水溫數(shù)值更高，夏季工況下采砂坑內(nèi)水體的水溫數(shù)值較低，同時采砂坑水體水溫數(shù)值較為穩(wěn)定。

（3） 本次研究雖然利用MIKE 3的水動力模塊對洛磧采砂坑區(qū)域的三維水溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，并在數(shù)據(jù)驗(yàn)證后進(jìn)行采砂坑環(huán)境與非采砂坑環(huán)境三維水溫結(jié)構(gòu)的比較分析，探究采砂坑三維水溫結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，但影響模型模擬準(zhǔn)確性的因素除文中考慮到的之外還有許多，如科氏力、水質(zhì)等，同時該模型的應(yīng)用仍有待擴(kuò)展，關(guān)于這些問題將在后續(xù)研究中加以討論。

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（編輯：胡旭東）

3D numerical simulation for water temperature in sand mining pit in Luoqi

waterway of Upper Yangtze River

FAN Yuqi1，LI Wenjie1，2，DAI Zhuo1，YANG Wei2，YANG Shengfa2

（1.Key Laboratory of Ministry of Education for Hydraulic and Water Transport Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China; 2.National Inland Waterway Improvement Engineering Research Center，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：

Sand mining pit is a common problem in waterway regulation，which is not only adverse to waterway transportation，but also has a certain impact on fish habitat.In this paper，the 3D water temperature structure of mining pit area in the Luoqi waterway was simulated by using the hydrodynamic module of MIKE 3 software under summer and winter condition.The reliability of this model was verified by measured data at two monitoring points in the sand mining pit.The temperatures in non-sand mining pits of adjacent area were simulated，and its water temperature structure was analyzed.At the same time，the simulation results of the sand mining pit environment and the non-sand mining pit environment were compared and analyzed to explore the similarities and differences of their water temperature structure.The results showed that the water temperature in vertical profile changed little in the sand mining pit，almost a constant.In the plane，the water temperature in the sand mining pit was higher than that in the non-sand mining pit in winter，and it was lower in summer.This model can well simulate the change process and trend of water temperature in sand mining pits，and has good practicability and effectiveness.The research results can provide certain reference for the selection of waterway regulation scheme and the fish habitat protection in the Yangtze River.

Key words：

sand mining pit;water temperature structure;;waterway regulation;fish habitat;numerical simulation