二維水流數(shù)學模型在多分汊河道魚類棲息地設計中的應用

楊彥龍，程開宇，施家月，盛 晟

(1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，杭州 311122； 2.華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122)

1 研究背景

水電工程建設導致河流水文情勢、水動力學條件、河床形態(tài)等發(fā)生了改變，會引起水環(huán)境改變、河道脫水、生境破碎、河岸硬化等生態(tài)環(huán)境問題，進而影響野生魚類等水生生物的生存與繁殖[1-2]。越來越多的研究表明，魚類產(chǎn)卵場所處河段具有獨特的水力學特性[3-4]，不同學者采用不同的水力學參數(shù)對其進行描述。構建適合魚類繁殖的水力生境條件，是魚類生境修復及魚類資源保護亟待解決的問題[5-6]。魚類棲息地與河道水深、流速、河流斷面形態(tài)等直接相關，而對于特定的魚類而言，其喜好是相對確定的，河道水力要素的變化將對魚類棲息繁殖條件產(chǎn)生影響[7]。

安谷水電站位于四川省樂山市境內，是大渡河下游最后一個梯級水電站，總裝機容量772 MW。樞紐從左至右依次布置非溢流面板壩、左儲門槽壩段、泄洪沖沙閘、主廠房、船閘、右岸接頭壩等，樞紐右岸通過船閘上引航道右邊墻與岸坡相接，左岸通過非溢流面板壩與庫區(qū)副壩相接。水庫正常蓄水位398.00 m，相應回水長度約11.4 km，相應水庫面積為5.55 km2，相應庫容6 330萬m3。電站樞紐工程位于大渡河、青衣江交匯口附近河段，上游(生態(tài)放水閘)在大渡河沙灣區(qū)彩虹橋附近，下游至青衣江大渡河匯合口(電站尾水渠)，影響河段長約20 km，天然主干河道寬度340～750 m之間。工程區(qū)域河谷開闊，水流漸趨平緩，形成了許多漫灘、河心灘，河道呈網(wǎng)狀，河道水流復雜、水量豐沛、生境多樣，是大渡河下游重要的魚類產(chǎn)卵場，如胭脂魚、白甲魚、南方鲇、鲇、大鰭鱯等魚類大量繁殖。

電站樞紐工程建設將占用該河段右側河網(wǎng)，工程建設使河段水面面積減少，淺水濕地萎縮，生物棲息地功能有所降低，天然河網(wǎng)演變?yōu)閹靺^(qū)、壩下泄洪渠、尾水渠及左側生態(tài)河網(wǎng)的相對單一結構。左側生態(tài)河網(wǎng)雖然保留，但河網(wǎng)水量將大幅減少，水生生物生境有一定萎縮，嚴重影響區(qū)域魚類棲息生境質量。針對工程建設對魚類棲息生境的影響，利用生態(tài)工程措施對左岸河道生態(tài)環(huán)境及魚類棲息地進行恢復和重建，在系統(tǒng)分析受損魚類生境條件基礎上，通過構建魚坡、河道聯(lián)通及地形局部改造重塑等措施改善河道水文水力條件，進而改善魚類棲息地生境[8-9]。工程所處河段為典型的多分汊河段，河段魚類棲息地構建及恢復，需要營造合理的水深、流速、流態(tài)等水力要素，二維水動力學模型不僅可以模擬河道各點的水位，還可以模擬河道流場及水深分布[10-11]。

本文采用平面二維水流數(shù)學模型對工程河段的水流狀態(tài)進行模擬，分別計算分析河道天然狀態(tài)及工程實施后2種工況下水流狀態(tài)，為本次左岸生態(tài)河網(wǎng)及魚類產(chǎn)卵場的設計提供依據(jù)，并根據(jù)計算成果提出本次左岸生態(tài)河道規(guī)劃、魚類產(chǎn)卵場設置的優(yōu)化措施。

2 二維水流數(shù)學模型

大渡河樂山段位于河口區(qū)域，河心洲眾多，在枯水期露出，洪水期淹沒水下，屬于典型的分汊型河道，模擬其水流形態(tài)與水動力條件難度較大。復雜天然河道水流數(shù)值模擬多采用基于曲線網(wǎng)格的坐標變換方法，其中正交曲線變換和一般(非正交)曲線變換方法是2種最常用的方法。與正交曲線變換相比，一般曲線變換不受計算網(wǎng)格必須嚴格保證正交的限制，網(wǎng)格生成也較靈活[12]。

本文建立了一般曲線坐標系下平面二維水流模型，對控制方程采用控制體積法與SIMPLE算法進行離散和求解[13-14]，并運用實測資料對模型進行了較為系統(tǒng)的驗證。

2.1 控制方程及求解方法

一般曲線坐標系下，平面二維水流數(shù)學模型基本方程包括水流連續(xù)方程、水流運動方程，根據(jù)坐標變換關系，曲線坐標系下平面二維水流數(shù)學模型控制方程可表示如下。

水流連續(xù)方程為

(1)

河道主流方向運行方程為

(2)

垂直主流方向(河寬方向)水流運動方程為

(3)

模型計算物理量采用同位(非交錯)網(wǎng)格布置，采用控制體積法，將控制方程對所示的控制體積沿時間和空間進行積分，可得出控制方程的通用離散形式。求解過程中，為避免水位波動，控制體交界面上的流速采用動量插值處理；為避免計算迭代過程中出現(xiàn)溢出，采用了Patankar 和Spalding 提出的欠松弛技術，即在離散方程式中引入欠松弛因子，以改善離散方程式中系數(shù)的對角占優(yōu)程度[15]。

2.2 計算區(qū)域及網(wǎng)格布置

綜合考慮擬建工程所在位置的河勢、工程修建后可能的影響范圍及水文資料情況等，選取安谷電站庫尾彩虹橋處至大渡河鷹嘴崖(大渡河大橋下游500 m處)之間約23.5 km河段作為數(shù)學模型的計算區(qū)域。

本次模型計算區(qū)域地形采用2005年1月實測的安谷電站工程影響河段1∶2 000河道地形圖，計算河道工程前天然地形如圖1所示，模型率定計算和天然情況水流模擬均采用工程前地形。根據(jù)安谷電站修建后推薦的樞紐布置方案、施工渣場布置、移民造地規(guī)劃及左岸生態(tài)河道生態(tài)工程措施，對現(xiàn)狀地形進行重塑，作為工程投運后計算地形。

圖1 計算河段天然河道地形Fig.1 Topographic map of natural channel on calculated reach of Dadu River

模型計算區(qū)域共生成480×180個網(wǎng)格，其中沿水流方向布置480個網(wǎng)格，平均間距約為28～79 m，沿河寬方向網(wǎng)格數(shù)為180個，網(wǎng)格寬度多為5～19 m。

2.3 模型率定及驗證

模型率定及驗證的目的在于檢驗數(shù)學模型計算方法的可行性，并對模型中的相關參數(shù)進行率定以及對數(shù)學模型精度進行檢驗，模型驗證主要內容有水面線、斷面流速分布驗證等。本文采用天然情況下水位水面線及洪痕資料對模型糙率進行率定，并根據(jù)物理模型流速及分流比成果[16]對模型進行率定。

2.3.1 水位對比

根據(jù)計算河段2006年7月21日實測水面線資料(大渡河福祿站流量Q=2 430 m3/s)及1998年洪痕水位資料(大渡河福祿站流量Q=7 664 m3/s)，對建立模型糙率進行率定。計算成果(見表1)顯示，水位計算結果與實測資料吻合較好，誤差在±0.10 m以內，河段糙率為0.026～0.042。

表1 各流量下的計算水位與實測水位對比

2.3.2 流速對比

為進一步驗證數(shù)學模型，以大渡河福祿站流量Q=2 200 m3/s時模擬計算流速分布與開展的物理模型實測流速分布進行對比，如圖2所示，數(shù)學模型計算結果能正確反映水流流態(tài)，流速分布基本相符，觀察點流速大小差別在±0.2 m/s內。各觀察點計算流速值與物理模型實測點流速比較見表2。

圖2 數(shù)學模型計算流場示意圖(Q=2 200 m3/s)Fig.2 Flow fields of mathematical model calculation (Q=2 200 m3/s)

表2 數(shù)學模型計算流速與物理模型實測值比較

2.3.3 分流比對比

在計算域內選取沐東壩所在的兩個汊道A1、A2及馮壩、徐壩所在處的3個汊道B1、B2、B3進行分流比驗證，A1、A2、B1、B2、B3位置見圖2，表3為汊道分流比計算值與實測值對比。從表3可看出，數(shù)學模型計算的汊道分流比誤差在6%以內。

表3 模型計算河汊分流比與模型實測值對比

3 左岸生態(tài)河網(wǎng)及魚類棲息地設計

3.1 安谷電站生態(tài)河網(wǎng)及魚類棲息地設計

根據(jù)安谷水電站工程樞紐布置方案，大渡河在該河段分成左、右兩側格局，右側為庫區(qū)、大壩、泄洪渠、電站尾水渠，左側為生態(tài)河網(wǎng)。根據(jù)生態(tài)環(huán)境保護總體布局，左側生態(tài)河網(wǎng)自起始段依次分布有豐都廟、魏壩、馮壩、揚子壩、羅漢鎮(zhèn)、峨眉河匯合口、青衣江匯合口等魚類產(chǎn)卵場及棲息地。工程總體布置如圖3所示。左側生態(tài)河網(wǎng)通過安谷水電站庫尾生態(tài)放水閘控制下泄流量，根據(jù)運行調度原則，左側生態(tài)河網(wǎng)枯水期下泄100 m3/s，汛期泄洪期間最大可下泄600 m3/s。

圖3 安谷水電站及左岸生態(tài)河網(wǎng)布置示意圖Fig.3 Angu hydropower station and ecological river network on the left bank

魚類產(chǎn)卵場水流要求加高，不僅要求有一定流速、水深，且水流流態(tài)要復雜多變。由于水電工程建設，天然河網(wǎng)結構改變，工程建設對區(qū)域魚類棲息地及產(chǎn)卵場有一定影響。結合左岸生態(tài)河網(wǎng)配水規(guī)劃及魚類生境保護需求，根據(jù)水力模型計算成果，采取了設置分水堰壩、連通工程、河道分汊口及產(chǎn)卵場處局部地形重塑等措施，滿足左岸生態(tài)河網(wǎng)下泄流量為100 m3/s的情況下各主要河段不斷流，通過調度等手段形成多樣化魚類生境條件，確保魚類棲息地適宜生境的要求。

3.2 左岸生態(tài)河網(wǎng)水動力模擬

為保證枯水期左岸生態(tài)河網(wǎng)不斷流，河道流量能滿足水環(huán)境及生態(tài)需求，本文選取大渡河該河段最枯月份的工程投運前后水流流態(tài)進行分析。

2月份大渡河安谷河段、青衣江河道平均流量分別為403、152 m3/s，出口鷹咀崖水位為359.25 m。工程前天然河道沿程水深如圖4(a)所示，由于屬于最枯月份，大渡河河網(wǎng)部分河段斷流。工程投運后，相應2月份的徑流條件下，左岸生態(tài)河網(wǎng)通過放水閘下泄100 m3/s，電站泄洪渠下泄50 m3/s供生態(tài)機組發(fā)電，發(fā)電尾水渠通過機組下泄253 m3/s，工程投運后河道沿程水深如圖4(b)所示。

圖4 天然狀態(tài)河道和工程投運后生態(tài)河網(wǎng)水深示意圖Fig.4 Water depth of natural channel and ecological river channel after the project

由于左岸生態(tài)河網(wǎng)移民造地、河道地形重塑及上游來水減少等原因，河道水動力學特征有較大變化，工程投運前后各分河汊處水力要素變化對比見表4。工程投運后，雖然上游生態(tài)放水閘下泄流量小于天然來流，但是河網(wǎng)中右側主要河道已經(jīng)成為庫區(qū)，右岸生態(tài)河網(wǎng)過水斷面較工程投運前已大為減少，左岸生態(tài)河網(wǎng)沒有斷流現(xiàn)象，左岸生態(tài)河道主要斷面的水流水深、流速等要素大部分河段好于工程投運前2月份情況。

表4 工程投運前后水動力要素變化(2月份)

3.3 魚類產(chǎn)卵場水動力模擬

以生態(tài)放水閘下游豐都廟魚類產(chǎn)卵場為例進行分析，該產(chǎn)卵場位于沫東壩大橋下游約30 m，經(jīng)沐東壩分為左右兩條汊河，分流口為河心淺灘，底質為卵石和礫石，水流較急，適合在急流水淺灘產(chǎn)黏性卵的魚類產(chǎn)卵繁殖，現(xiàn)狀位置如圖5所示。

圖5 豐都廟魚類產(chǎn)卵場Fig.5 Fish spawning ground in Fengdumiao

3.3.1 天然河道水力學特性

該區(qū)域魚類產(chǎn)卵季節(jié)主要為4—7月份，工程投運前豐都廟產(chǎn)卵場所處河段水動力學要素特征見表5，水深及流場分布示意圖見圖6。

表5 天然河道豐都廟產(chǎn)卵場水動力學特性

圖6 天然河道豐都廟產(chǎn)卵場水深及流場分布Fig.6 Distribution of water depth and flow field in Fengdumiao fish spawning ground of natural river channel

3.3.2 優(yōu)化措施建議

工程建成后，依據(jù)模型試算結果，放水閘下泄100 m3/s情況下豐都廟魚類產(chǎn)卵場水位流速小于天然河道魚類產(chǎn)卵期流量最小的4月份工況。魚類棲息需要適合水深和流速要求，且復雜的流速分布和水深交替變化對魚類產(chǎn)卵有積極作用[17]。工程投運后部分河道渠道化，水流條件較單一，且上游來流明顯減小，產(chǎn)卵場處水力要素不利于魚類繁殖棲息。但放水閘下泄流量變化較大，對魚類繁殖產(chǎn)生一定影響。工程采用局部優(yōu)化措施布置，主要措施有：投放石塊從而創(chuàng)造復雜水流條件；高程394.0～394.1 m處種植水生植物，為魚類提供產(chǎn)卵的淺灘；局部開挖形成深潭，增加產(chǎn)卵場局部流態(tài)；在左岸設置長1 414 m人工魚巢，為產(chǎn)黏性卵的魚類提供產(chǎn)卵附著物。并設置魚類繁殖期產(chǎn)卵場的水文條件監(jiān)測設施，在魚類產(chǎn)卵季節(jié)(4—7月份)，根據(jù)天然流場變化特征，優(yōu)化放水閘調度方式，根據(jù)上游來水情況周期性加大下泄流量，營造魚類產(chǎn)卵適宜水動力學特征，以滿足魚類的繁殖。

3.3.3 工程建成后河道水力學特性

工程建成后，放水閘下泄100 m3/s時，豐都廟魚類產(chǎn)卵場分汊處橫斷面流速為0.12～0.40 m/s，水深0.67～1.60 m，該產(chǎn)卵場水力學特征發(fā)生了較為明顯變化，橫斷面流速明顯降低，且橫斷面變化較?。谎雌谙滦?00 m3/s時，豐都廟產(chǎn)卵場處分汊處橫斷面流速為0.25～1.21 m/s，水深為1.34～3.80 m，流速及水深均增加明顯。工程投運后豐都廟產(chǎn)卵場水深及流場分布見圖7。

圖7 工程投運后豐都廟產(chǎn)卵場水深及流場分布Fig.7 Distribution of water depth and flow field in Fengdumiao fish spawning ground after the project

由計算成果可知，在產(chǎn)卵場河段通過相關生態(tài)修復工程措施，以及魚類產(chǎn)卵期放水閘不定期加大下泄流量，魚類產(chǎn)卵場仍具備多種魚類繁殖的水力條件。從投運后調查效果看，左岸生態(tài)河網(wǎng)生態(tài)環(huán)境及水量分配滿足設計要求，采用魚類棲息地生境優(yōu)化措施后，一定程度上改善了魚類棲息繁殖生境[18]。

4 結 論

安谷水電站開發(fā)方式較為特殊，針對電站建設及運行對區(qū)域河道生態(tài)及魚類棲息地的影響，本文建立了一般曲線坐標系平面二維水流模型，為生態(tài)河網(wǎng)及魚類棲息地修復設計提供水動力學依據(jù)。主要結論如下：

(1)采用大渡河樂山河段實測水位資料、物理模型流速及分流比成果對模型進行了較為系統(tǒng)的驗證，模型驗證結果與實測資料吻合良好，表明模型能夠較合理反映天然分汊河道水流運動規(guī)律。

(2)安谷水電站上游生態(tài)放水閘常下泄100 m3/s的情況下，魚類產(chǎn)卵繁殖水力學要素條件較差，通過魚類產(chǎn)卵場優(yōu)化措施及放水閘優(yōu)化調度，可一定程度上改善魚類產(chǎn)卵場水力條件。

(3)工程投運后，安谷水電站左岸生態(tài)河網(wǎng)生態(tài)環(huán)境、水量分配和設計吻合較好；有關魚類調查結果顯示，左岸生態(tài)河網(wǎng)有關魚類產(chǎn)卵場具備一定的魚類棲息繁殖條件。