二維水流數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學模型。將所建立的數學模型應用于大渡河樂山段安谷水電站左岸生態河網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，通過設置生態工程措施，使得魚類產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 發表時間：2021-10-13

　　關鍵詞：多分汊河道;曲線坐標系;平面二維;數學模型;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、河床形態等發生了改變，會引起水環境改變、河道脫水、生境破碎、河岸硬化等生態環境問題，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 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(生態放水閘)在大渡河沙灣區彩虹橋附近，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，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，天然河網演變為庫區、壩下泄洪渠、尾水渠及左側生態河網的相對單一結構。左側生態河網雖然保留，但河網水量將大幅減少，水生生物生境有一定萎縮，嚴重影響區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，利用生態工程措施對左岸河道生態環境及魚類棲息地進行恢復和重建，在系統分析受損魚類生境條件基礎上，通過構建魚坡、河道聯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學模型對工程河段的水流狀態進行模擬，分別計算分析河道天然狀態及工程實施后二種工況下水流狀態，為本次左岸生態河網及魚類產卵場的設計提供依據，并根據計算成果提出本次左岸生態河道規劃、魚類產卵場設置的優化措施。

　　2 二維水流數學模型

　　大渡河樂山段位于河口區域，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，模擬其水流形態與水動力條件難度較大。復雜天然河道水流數值模擬多采用基于曲線網格的坐標變換方法，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格必須嚴格保證正交的限制，網格生成也較靈活[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，平面二維水流數學模型基本方程包括水流連續方程、水流運動方程，根據坐標變換關系，曲線坐標系下平面二維水流數學模型控制方程可表示如下。

　　水流連續方程：