岷江下游铜锣湾段航道三维水温分布特征研究
时间：2023-02-08 18:00:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李文杰，樊宇奇，戴 卓，杨 威，杨胜发
(1. 重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；
2. 重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)
水温是影响鱼类及其栖息地的关键生态因子，会对鱼类的繁殖产生重要的影响[1]。水温的变化对鱼类的生理过程和行为方式有着显著的影响，包括且不限于游泳能力、热耐受、力竭后过量耗氧等方面[2-3]。而水温升高不仅直接对鱼类存在一定的急性致死效应[4]，同时还对水体性质及水生植物存在着重要的影响，从而又间接影响鱼类的生存[5]。因此，水温的模拟研究对于鱼类保护是十分必要的。提升航道等级能够为航道货运的发展提供条件，从而促进区域经济水平的提高，而航道整治是提升航道等级的有效手段之一[6]，航道整治的常用方法包括炸礁、疏浚、守护、筑坝等[7]，将会改变河床形态，进而影响水温、流速等水文条件，可能会对包括鱼类在内的水生生物造成直接或间接的影响[8-10]。如何在进行航道整治的同时，尽可能地降低它对鱼类生境的影响亟待研究。而分析鱼类可能的活动空间，为航道整治提供必要的信息是前期工作。水温作为突出的鱼类生境指标，在一定程度上能够指明鱼类可能的活动空间。
针对上述问题，在岷江进行航道整治，提升航道等级的大背景下，以岷江下游铜锣湾河段为研究主体，利用MIKE 3软件的水动力模块，构建了铜锣湾河段的三维水温模型，利用实测数据验证模型可靠性，通过分析最低设计水位工况下铜锣湾河段的三维水温分布情况，结合岷江主要鱼类适宜水温，探究岷江下游鱼类在空间上的分布可能性。
四川省提出规划整治岷江龙溪口枢纽至宜宾航道，将岷江干流通航标准提高至Ⅲ级[11]。本次研究的铜锣湾河段即位于规划整治航道，由石鸭子至宜宾合江门28 km航段。铜锣湾滩位于长江、金沙江、岷江汇合口上游2.5～10 km范围内，滩长约2.5 km。该段航道总体上属河口型急浅、险滩，河床质为砂卵石；
据2018年11月测得地形图、流速流向图资料可知：施测水位为262.56 m时，滩上段河宽约250 m、中段500 m、下段230 m；
水流最大表面流速3.53 m/s、一般流速2.0 m/s左右，最大比降1.9‰、平均比降1.4‰。
该滩为岷江下段著名浅滩，与上游桥板滩一起形成“S”型河弯。近年来，一方面由于岷江挖沙采石对江心洲和边滩的影响以及近期河床自然演变，该滩枯水期水流一分为三，目前枯水航槽弃左走中，航槽弯曲半径得到改善，航槽线形较原左槽航线好，枯水中槽流量约占70%，施测时滩段内流速一般在2.0 m/s左右，最大流速3.5 m/s出现在下游的羊角石；
另一方面铜锣湾滩因上游瀑布沟等电站和金沙江向家坝电站修建运行后水文条件发生了明显变化，受上游电站调节影响，该滩枯期流量增加约350 m3/s，受向家坝下泄水流对岷江河口水位的影响，该滩枯期水位增加约0.3 m。目前枯水期最小水深0.5 m，因水深不足、弯曲半径小、航宽较窄而碍航。
铜锣湾河段地处月波至宜宾翠屏区段长江上游珍稀鱼类国家级自然保护区内，长江上游珍稀鱼类主要是达氏鲟、白鲟、胭脂鱼，特有鱼类包括重口裂腹鱼、华鲮、长薄鳅、岩原鲤、鲈鲤等。岷江现有大量采砂坑，部分可能为鱼类喜好生境，如达氏鲟、白鲟6至8月从干流洄游至岷江索饵，胭脂鱼2月洄游至岷江产卵。航道整治工程实施后，在改变河床特征的同时，也改变了水温、流速等水文条件，对包括达氏鲟、胭脂鱼在内的珍稀特有鱼类造成一定的影响，因而亟需对水温进行模拟研究以分析鱼类可能的活动空间，为岷江的生态航道建设工作及后续的生态恢复提供一定的理论基础。
图1 岷江下游航道位置示意Fig. 1 Schematic diagram of the location of the downstream channel of the Minjiang River
2.1 数学方程
MIKE 3使用的数学模型本质是雷诺平均化的N-S方程，但在此的基础上考虑了紊流影响以及密度变化，包含了质量守恒、动量守恒等方面。在本研究中主要涉及到以下方程：
1)水流连续性方程
(1)
2)水流动量方程
(2)
3)温度对流扩散方程
(3)
4)k-ε方程
(4)
5)Smagorinsky方程
(5)
上述各式中：ρ为水的密度；
cs为水的状态参数；
ui为xi方向的速度；
gi为重力矢量；
p为压力；
vt为垂向紊动粘性系数；
δ为克罗内克函数；
β为热膨胀系数；
k为紊动动能；
t为时间；
T为温度；
l为求解涡运动的长度比尺；
σT为普朗特数；
Ωij为克氏张量；
Sij为拉伸率张量；
SS为各自的源汇项(每个方程均不相同)[12]。
2.2 模型参数
本次研究所基于的是非结构化的三角形网格，采用utm48坐标系和1956年黄海高程系，在垂向上由上至下均匀划分网格，分层数为10层，模拟范围内河段长约3 km，具体地形见图2，网格数为36 196个，节点数为18 454个，最大基本单元设置为100 m2，最小允许角度为30°，时间步长为15 s，步长数量为5 760。模拟完成后，在河段边滩区域取点1和点3，在航道区域取点2，同时取S1和S2两个地形起伏较大的断面数据进行水温模拟结果分析。
模型中输入的参数有开边界处的地形、温度条件、气温条件、水位分布。地形数据来源于实测地形图所提取高程点数据，初始水温设置为岷江下游主要鱼类适宜水温20 ℃，气温设置为25 ℃且不随时间和空间变化。最小通航流量为龙溪口枢纽最小下泄流量900 m3/s，铜锣湾河段对应设计水位为264 m，流场则设置为静止状态，同时进出口边界的水位、水温、水深、流速均设置为不随时间和空间变化，以使其模拟结果最终达到稳定状态。
本次研究中采用的模拟工况是龙溪口枢纽设计最小通航流量下对应的流量-水位工况，采取此流量及其对应水位为模拟工况的目的在满足船舶最低正常航行需求下，考虑水温影响，探究适宜鱼类生存的活动空间。
图2 铜锣湾河段地形Fig. 2 Topographic map of Tongluowan section
2.3 模型验证
按照最低设计水位工况模拟完成后，分别取边滩水深较大点1、航道中心点2及边滩水深较小点3的模拟数据与实测数据进行分析比较，以验证模型可靠性。各点模拟值与实测值的拟合关系如图3。由各图3可知，除个别点存在一定的偏差外，模拟值与实测值拟合情况较优，两者有较高的吻合度。同时可知铜锣湾河段水体呈现较为突出的深水分层特征，存在明显的2次分层现象。将铜锣湾河段3点垂向水温的计算值与实测值进行对比分析可知，所建立采用的三维模型能准确模拟出铜锣湾河段水体的水温结构变化过程，模型具有较高的准确性与实用性。
图3 3点水温模拟结果验证Fig. 3 Verification of three-point water temperature simulation results
由图3可知，点1变化区间较大，落在20.2～21.0 ℃之间，最大温差约为0.8 ℃。点2和点3变化区间较点1小，同时最大温差相近，约为0.3 ℃。但点2和点3的变化区间相差较大，点2的变化区间在19.7～20.0 ℃，而点3的变化区间在20.7～21.0 ℃。
3点水温均随水深的增加而增加，升温速率均随着水深的增加而减小，但减小幅度3点有所不同。点1和点3水温升温速率随水深的增加而急剧减小，深水区域水温近乎保持不变，表现显著的深水分层特征。点2在水深增加至一定程度后，水温升温速率近乎保持不变，只表现出一次分层的情况。
铜锣湾河段3点垂向上水温变化情况如图3。点1变化区间较大，落在20.2～21.0 ℃之间，铜锣湾河段垂向上S1、S2断面水温分布情况如图4～图5。从水温数值大小上看，S1断面温度较高区表现在左右两侧边滩区域，温度区间大致在20.40～20.96 ℃，中央航道区域相对而言温度较低，温度区间在19.84～20.12 ℃。S2断面温度较高区域表现在左侧边滩，温度分布在20.30～20.9 ℃，中央航道区域相对而言温度较低，温度分布在19.70～20.10 ℃。由图4～图5可知，两断面在不同区域均有密集的水温分层现象，呈现典型的深水分层特征。S1断面水温分层区主要集中左右两侧边滩区域，S2断面主要集中在左侧边滩区域，两断面中央的航道区域未表现出2次分层特征。同时边滩区域水体升温速率在浅水层较大，随着水深增加，升温速率不断减小，在深水层接近零即水温在水深达到一定深度后近乎保持不变。河段中央航道区域水体升温速率在浅水层较边滩区域小，而后随着水深增加，升温速率在减小到一定程度后近乎保持不变即水温在水深达到一定深度后仍按固定速度增加。
图4 S1断面水温模拟结果Fig. 4 Water temperature simulation results of S1 section
图5 S2断面水温模拟结果Fig. 5 Water temperature simulation results of S2 section
铜锣湾河段水体平面区域由上至下水温分布情况如图6。垂向上由上至下来看，铜锣湾河段水体水温随着水深的增加而增加。分层来看，除第1层水温较低外，其余各层水温分布在19.80～21.00 ℃之间。从数值大小上看，在同一层上的水温分布呈现区域性特点即边滩区域水温明显高于航道区域水温，初步分析这可能是由于两者的水域连通性、河床地形起伏不同，导致流速、水体成分、水生生物等差异，最终影响水温的分布。
图6 铜锣湾河段各层平面水温分布Fig. 6 Distribution of water temperature in each layer of the Tongluowan section
岷江下游主要生长鱼类为四大家鱼即青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼及达氏鲟、胭脂鱼、长薄鳅、中华沙鳅等[13-14]。其中达氏鲟已被列入国家一级保护动物，胭脂鱼被列为国家二级保护动物。岷江下游主要鱼类的适宜水温如表1。
表1 岷江下游主要鱼类适宜水温Table 1 Suitable water temperature for main fish in the lower reaches of Minjiang River
考虑水温变化幅度及数值大小，岷江下游铜锣湾河段左右两侧边滩区域二次分层水体相比其他区域水体或非二次分层水体更适宜鱼类活动，鱼类在此进行活动、觅食、栖息的可能性较大。从水体分层深度来看，边滩区域深坑(如采砂坑等)的水体温度更为恒定且水温也更接近岷江下游主要鱼类适宜水温，同时水体底部环境更利于底栖鱼类觅食产卵。
航道整治期间及整治后，疏浚、筑坝、护岸等工程将对鱼类及其生境造成较大的直接影响，特别是可能改变铜锣湾河段的鱼类产卵场、索饵场和越冬场的水域水温、流速等指标，可能造成鱼类产卵规模减小等不良影响。建议对整治范围、整治方案、施工工艺及保护措施等进行优化，尽量减少对边滩区域的炸礁、开挖等工程措施，同时结合珍稀鱼类意外伤害救护、风险事故防范、资源与生态环境监测、增殖放流、水生生物资源保护和加强监督管理等保护措施，可进一步减轻航道整治工程对水生生物和生境的影响。
根据岷江下游铜锣湾河段的自然地理位置、主要气候条件，建立了铜锣湾河段水体的三维水温模型，对铜锣湾河段区域的三维水温结构进行最低设计水位工况下的数值模拟，并利用实测数据对模拟数据进行可靠性验证，探究了铜锣湾河段水体三维水温结构的分布变化特点，同时结合岷江下游主要鱼类适宜水温，分析了较为适宜鱼类生存活动的空间区域。
铜锣湾河段水体具有显著的深水分层特征，在不同区域均有二次分层现象的存在。由模拟结果可知，所构建的铜锣湾河段三维水温结构模型能够较好地体现出该河段水体的水温分层情况，展现水温的三维变化过程，与实测数据拟合较好。
从模拟结果和实测数据看，铜锣湾河段两侧边滩区域水体存在二次分层情况，水温数值恒定，与河段中央航道区域相比水温较高，在一定程度上更适宜岷江下游主要鱼类生存。对于边滩区域水体，深坑处水体属于二次分层水体，水温数值恒定且与岷江下游主要鱼类适宜水温趋近，较为适宜鱼类生存。
初步建议尽量减少对铜锣湾河段边滩区域的炸礁、开挖等工程措施，同时对整治范围、整治方案、施工工艺及保护措施等进行优化，以降低对鱼类生境的影响。
虽然基于MIKE 3软件的水动力学模块构建了岷江下游铜锣湾河段水体的三维水温结构模型，在利用实测数据对模拟数据进行验证后，分析铜锣湾河段水体的三维水温变化过程并在此基础上结合岷江下游主要鱼类适宜水温，探究鱼类可能的活动空间，但影响模型准确性的因素还有很多，如河床糙率、波浪力等，同时鱼类的活动空间也不仅仅只受水温这一指标的影响，关于上述问题将在以后的研究中加以完善讨论。
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