二维水流数学模型在多分汊河道鱼类栖息地设计中的应用

　　摘 要：多分汊河道汇合或分流口水流流态复杂，常常存在河口滩及深槽，复杂多样的水文水力条件为鱼类提供了良好的进食及休憩场所。针对多分汊型河道边界复杂的特点，建立了基于一般曲线坐标系下的平面二维水流数学模型。将所建立的数学模型应用于大渡河乐山段安谷水电站左岸生态河网建设和鱼类栖息地设计，对工程前后河段的水深、流速、流场、分流比进行模拟和对比分析，通过设置生态工程措施，使得鱼类产卵场河段水流特性仍满足鱼类栖息地要求。从安谷水电站运行效果看，设计的生态措施对河道鱼类栖息改善取得了较好的实践效果。

　　杨彦龙; 程开宇; 施家月; 盛晟， 长江科学院院报 发表时间：2021-10-13

　　关键词：多分汊河道;曲线坐标系;平面二维;数学模型;鱼类栖息地

　　1 研究背景

　　水电工程建设导致河流水文情势、水动力学条件、河床形态等发生了改变，会引起水环境改变、河道脱水、生境破碎、河岸硬化等生态环境问题，进而可能影响到野生鱼类等水生生物的生存与繁殖[1-2]。越来越多的研究表明，鱼类产卵场所处河段具有独特的水力学特性[3-4] ，不同学者采用不同的水力学参数对其进行描述，构建适合鱼类繁殖的水力生境条件，是鱼类生境修复及鱼类资源保护亟待解决的问题[5-6] 。鱼类栖息地与河道水深、流速、河流断面形态等直接相关，而对于特定的鱼类而言，其喜好是相对确定的，河道水力要素的变化将对鱼类栖息繁殖条件产生影响[7] 。

　　安谷水电站位于四川省乐山市境内，是大渡河下游最后一个梯级水电站，总装机容量 772MW。枢纽从左至右依次布置非溢流面板坝、左储门槽坝段、泄洪冲沙闸、主厂房、船闸、右岸接头坝等，枢纽右岸通过船闸上引航道右边墙与岸坡相接，左岸通过非溢流面板坝与库区副坝相接。水库正常蓄水位 398.00m，相应回水长度约 11.4km，相应水库面积为 5.55km2 ，相应库容 6330 万 m 3 。电站枢纽工程位于大渡河、青衣江交汇口附近河段，上游(生态放水闸)在大渡河沙湾区彩虹桥附近，下游至青衣江大渡河汇合口(电站尾水渠)，影响河段长约 20km，天然主干河道宽度 340m~750m 之间。工程区域河谷开阔，水流渐趋平缓，形成了许多漫滩、河心滩，河道呈网状，河道水流复杂、水量丰沛、生境多样，是大渡河下游重要的鱼类产卵场，如胭脂鱼、白甲鱼、南方鲇、鲇、大鳍鱯等鱼类大量繁殖。

　　电站枢纽工程建设将占用该河段右侧河网，工程建设使河段水面面积减少，浅水湿地萎缩，生物栖息地功能有所降低，天然河网演变为库区、坝下泄洪渠、尾水渠及左侧生态河网的相对单一结构。左侧生态河网虽然保留，但河网水量将大幅减少，水生生物生境有一定萎缩，严重影响区域鱼类栖息生境质量。针对工程建设对鱼类栖息生境的影响，利用生态工程措施对左岸河道生态环境及鱼类栖息地进行恢复和重建，在系统分析受损鱼类生境条件基础上，通过构建鱼坡、河道联通及地形局部改造重塑等措施改善河道水文水力条件，进而改善鱼类栖息地生境[8-9] 。工程所处河段为典型的多分汊河段，河段鱼类栖息地构建及恢复，需要营造合理的水深、流速、流态等水力要素，二维水动力学模型不仅可以模拟河道个点的水位，还可以模拟河道流场及水深分布[10-11] 。本文采用平面二维水流数学模型对工程河段的水流状态进行模拟，分别计算分析河道天然状态及工程实施后二种工况下水流状态，为本次左岸生态河网及鱼类产卵场的设计提供依据，并根据计算成果提出本次左岸生态河道规划、鱼类产卵场设置的优化措施。

　　2 二维水流数学模型

　　大渡河乐山段位于河口区域，河心洲众多，中枯水时初露，在洪水期淹没水下，属于典型的分汊型河道，模拟其水流形态与水动力条件难度较大。复杂天然河道水流数值模拟多采用基于曲线网格的坐标变换方法，其中正交曲线变换和一般(非正交)曲线变换方法是两种最常用的方法。与正交曲线变换相比，一般曲线变换不受计算网格必须严格保证正交的限制，网格生成也较灵活[12] 。

　　本文建立了一般曲线坐标系下平面二维水流模型，对控制方程采用控制体积法与 SIMPLE 算法对方程进行离散和求解[13-14] ，并运用实测资料对模型进行了较为系统的验证。

　　2.1 控制方程及求解方法

　　一般曲线坐标系下，平面二维水流数学模型基本方程包括水流连续方程、水流运动方程，根据坐标变换关系，曲线坐标系下平面二维水流数学模型控制方程可表示如下。

　　水流连续方程：