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

　　摘 要：多分汊河道匯合或分流口水流流態(tài)復雜，常常存在河口灘及深槽，復雜多樣的水文水力條件為魚類提供了良好的進食及休憩場所。針對多分汊型河道邊界復雜的特點，建立了基于一般曲線坐標系下的平面二維水流數(shù)學模型。將所建立的數(shù)學模型應用于大渡河樂山段安谷水電站左岸生態(tài)河網(wǎng)建設和魚類棲息地設計，對工程前后河段的水深、流速、流場、分流比進行模擬和對比分析，通過設置生態(tài)工程措施，使得魚類產(chǎn)卵場河段水流特性仍滿足魚類棲息地要求。從安谷水電站運行效果看，設計的生態(tài)措施對河道魚類棲息改善取得了較好的實踐效果。

　　楊彥龍; 程開宇; 施家月; 盛晟， 長江科學院院報 發(fā)表時間：2021-10-13

　　關鍵詞：多分汊河道;曲線坐標系;平面二維;數(shù)學模型;魚類棲息地

　　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，進而可能影響到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(nèi)，是大渡河下游最后一個梯級水電站，總裝機容量 772MW。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 398.00m，相應回水長度約 11.4km，相應水庫面積為 5.55km2 ，相應庫容 6330 萬 m 3 。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 20km，天然主干河道寬度 340m~750m 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(cè)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(cè)生態(tài)河網(wǎng)的相對單一結構。左側(cè)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(zhì)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個點的水位，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)及工程實施后二種工況下水流狀態(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，中枯水時初露，在洪水期淹沒水下，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)曲線變換方法是兩種最常用的方法。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 算法對方程進行離散和求解[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：