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唱扬羊
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1 年月第卷第期ＭＶＮ水库调度影响下中华鲟产卵场的水动力特征毛劲乔李智戴会超柯云河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京河海大学水利水电学院江苏南京毛劲乔摘要三峡工程试验性蓄水于年成功蓄至ｍ开始逐渐进入正常运行期在此背景下分析近年来三峡葛洲坝实际联合调度运行对坝下中华鲟产卵场水动力时空特征的影响对加深理解中华鲟产卵适应性对水利工程调控的动态响应有重要意义针对葛洲坝至宜昌江段的中华鲟产卵场建立了三维水动力模型以出现次鲟鱼产卵繁殖的年产卵日为代表性工况开展了水利工程调度运行影响下的产卵场短期水动力特征模拟研究研究表明对鲟鱼自然繁殖起直接作用的河段底层流场较规则稳定但在水流交汇处和地形突变处会出现局部紊乱变化上下产卵区的流速为ｍ在大江电厂与二江电厂下游均有流速较大的分布区流速最大值出现在二江电厂泄水处下游适宜中华鲟繁殖的流速范围出现在大江下游导流墙尾段至江心隔流堤前段处与江心隔流堤尾端至下游约ｍ内关键词中华鲟产卵场水库调度水动力数值模拟中图分类号ＳＴＶ文献标志码Ａ文章编号毛劲乔李智戴会超等水库调度影响下中华鲟产卵场的水动力特征排灌机械工程学报ＳｍｍＣｗＭＪＬＺＤＨＫＹＳＫＬＨＷＲＨＥＨＵＮＪＣＣＷＣＨｗＥＨＵＮＪＣＡＴｗＴＧＲＴＧＲｍｗｍＣｗｗｍＧｍｍｗＳｍｍＣｍＣｗＡｍｍｍＣｗｍｇＹＴｍｍｗｍｍｗｗｗｗｗｗＩｗｍｗｗｍＣｍｗｍｍｍＴｍｍｍ收稿日期网络出版时间网络出版地址ｗｗｗｍｍ基金项目国家计划项目ＣＢ国家自然科学基金资助项目长江学者和创新团队发展计划ＲＴＩ作者简介毛劲乔男江苏常州人教授博士生导师ｍｍ主要从事水利水电及水环境研究戴会超男河北保定人教授博士生导师通信作者主要从事水利水电工程研究

在大江电厂与二江电厂下游均有流速较大的分布区流速最大值出现在二江电厂泄水处下游适宜中华鲟繁殖的流速范围出现在大江下游导流墙尾段至江心隔流堤前段处与江心隔流堤尾端至下游约ｍ内关键词中华鲟产卵场水库调度水动力数值模拟中图分类号ＳＴＶ文献标志码Ａ文章编号毛劲乔李智戴会超等水库调度影响下中华鲟产卵场的水动力特征排灌机械工程学报ＳｍｍＣｗＭＪＬ

2 400 排灌机械工程学报第 32 卷 downstreamofdajiangpowerstationanderjiangpowerstation,butthehighestvelocityisfoundinthe downstreamofaterjiangpowerstation.thefluiddomainswithastream velocitysuitableforchinese sturgeonspawningarerangedrespectivelyfromtheendofthetrainingleveeinthedownstreamofdajiang PowerStationtothefirst1/3portionofthecentralseparationleveeintheriver,andfromtheendofthe centralseparationleveeto700mextensioninthedownstreamoftheseparationlevee. Keywords:Chinesesturgeon;spawningground;reservoiroperation;hydrodynamics; numericalsimulation 中华鲟是我国特有的溯河洄游性底栖鱼类, 主要活动范围是东海黄海大陆架浅海海域, 但在繁殖期又会洄游进入长江上游产卵繁殖 [1]. 中华鲟自然繁殖易受环境干扰.20 世纪 80 年代之前, 中华鲟传统产卵场主要分布在金沙江下游新市至长江上游涪陵江段内的 10 多个区域 ; 但由于葛洲坝水利工程的修建, 中华鲟洄游线路受阻, 大量种群聚集于葛洲坝下, 连续多年的强化捕捞造成种群数量锐减,1988 年被列为国家一级保护动物.1982 年的监测表明, 中华鲟在葛洲坝下游形成了一处新的产卵场进行自然繁殖, 产卵位置限于坝下至古老背长约 30km 的江段, 每年都有自然繁殖活动发生 [2-3]. 产卵场水动力条件是中华鲟自然繁殖重要控制性因素, 一定大小的流速刺激可促进中华鲟亲鲟性腺发育, 同时还起到床底卵石缝隙间泥沙和杂物的清理作用, 创造有利于受精卵黏附孵化的自然环境 [4-5]. 三峡与葛洲坝工程的调度运行, 改变了坝下河段径流量及流场时空分布特征, 进而对中华鲟自然繁殖产生着深远影响. 三峡水库一般在 10 月间水库蓄水抬高至正常蓄水位 175m 运行, 在 11 月至次年 4 月尽量维持在较高水位, 改变了葛洲坝下游江段的水文节律 ; 中华鲟的产卵期一般在每年 10 月中旬至 11 月上旬, 此时段与三峡水库的蓄水期重合, 坝下流量的减少会对中华鲟自然产卵造成不利影响 ; 自 2003 年三峡蓄水运行以来, 除在 2011 与 2012 这 2 年内观测到了中华鲟的 2 次繁殖活动外, 其他年份均只有 1 次产卵记录. 有学者针对中华鲟栖息地开展了相关水文水动力特征分析和数值模拟研究, 但一般主要考虑葛洲坝工程对产卵场的直接影响 [6-8]. 三峡工程已于 2010 年成功试验性蓄至 175m 的目标水位, 标志着三峡水利枢纽工程逐渐进入正常运行期, 开始全面发挥综合效益. 三峡 - 葛洲坝梯级水电工程实施联合调度后, 葛洲坝下游中华鲟产卵场的水动力变化特征及其对中华鲟自然繁殖的适宜性影响趋势, 是需要深入研究的议题. 文中建立葛洲坝至宜昌江段中华鲟产卵场三维水动力数学模型, 以出现 2 次鲟鱼产卵繁殖的 2011 年为代表性工况条件, 针对中华鲟产卵日的实际流量条件, 重点开展水利水电工程调度运行影响下产卵场流场结构中华鲟繁殖适宜流速区空间分布等数值模拟研究. 1 中华鲟产卵场水动力模型 1 1 研究区域及控制方程对当前中华鲟仅存的稳定产卵场区域开展数值模拟研究, 所建水动力模型范围自葛洲坝坝下至宜昌水文站江段 ( 见图 1), 纵向长约 7 5km, 平均宽度约为 960m, 最大宽度在胭脂坝处约为 1 6km, 最小宽度在庙咀处约为 600m, 最大水深在二江泄水闸与大江电厂尾水混合位置的深潭处 ( 长约 1 km, 宽 25~130m, 深 38~40m), 其余部分水深大部分在 30m 以下. 图 1 中华鲟产卵场研究区域平面示意图 Fig.1 Two dimensionalsketchofchinesesturgeonspawning groundinterested 中华鲟产卵场水域垂向尺度远小于水平尺度, 可基于 Bousinesq 近似和静水压力分布假设, 采用三维浅水方程描述其水流运动. 针对河道地形变化以及水面波动的实际情况, 沿水深方向采用量纲为一的 σ 坐标系变换, 将水深定义为 -1 到 0 之间固定计算域, 以提高浅水区的垂向分辨率, 避免因水位修正所带来的附加计算量. 所建水动力模型的基本控制方程主要包括连续方程和动量方程, 对于此工况的充分发展紊动条件, 可采用广泛使用的 k-ε 紊流模型方程求解紊动黏性系数 [9-10]. 在 σ 坐标下, 上述控制方程组表述如下.

PowerStationtothefirst1/3portionofthecentralseparationleveeintheriver,andfromtheendofthe centralseparationleveeto700mextensioninthedownstreamoftheseparationlevee.

3 第 5 期毛劲乔, 等水库调度影响下中华鲟产卵场的水动力特征 401 连续性方程为 x 方向水流动量方程为 ζ t + (h u) 珔 x + (h v) 珋 =Q, (1) y u t +u u x +v u y +ω u h σ =fv- 1 ρ P x+f x + 1 h 2 σ ν u σ ), (2) y 方向水流动量方程为 v t +u v x +v v y +ω v h σ =-fu- 1 ρ P y+f y + 1 h 2 σ ν v σ ), (3) k 输运方程为 k t +u k x +v k y +ω k h σ = 1 σ D k σ ) +P k+b k -ε, (4) h 2 ε 输运方程为 ε t +u ε x +v ε y +ω ε h σ = 1 h 2 σ D ε σ ) +P +B -C ε 2 ε ε 2ε k, (5) 上述式中 :ζ 为水位波动高度 ;h 为总水深 ;Q 为单位面积源汇项 ;( u, 珔 v) 珋为水深平均流速分量 ;(u,v,ω) 为空间坐标 x,y,σ 方向上的速度分量 ;ρ 为水体密度 ;(F x,f y ) 为雷诺应力项, 近似可表达为 F i = xj (ν H xj u i ), 其中 x i 表示 x,y 方向,ν H 为水平紊动黏性系数,u i 为 (x,y) 方向上的流速分量 ;(P x,p y ) 为水平压力项, 在忽略环境影响对密度变化的作用时, 该项可表示为 P i =ρg xi (ζ);ν V 为垂向紊动黏性系数,ν V =0 09(k 2 /ε);d V 为垂向扩散系数 ;k 为紊流脉动动能 ;ε 是紊流脉动动能耗散率 ; 源项 P j,b j 的经验表达式可参考相关文献 [11]. 1 2 模型求解与验证水动力模型的边界条件一般包括自由水面岸边界河床开边界和水利工程. 中华鲟产卵场明渠流动中, 径流起主导作用. 忽略风对表层流动的影响, 固岸采用滑移边界条件, 河床底剪应力为 (τ b,x,τ b,y )=ρc b 槡 u 2 b+v 2 b(u b,v b ), (6) 式中 :c b 为底部应力系数 ;(u b,v b ) 为近底层流速分量. 在河道上游开边界, 设定实测流量数据以及下游出口边界的水位数据作为求解的边界条件. 初始条件采用冷启动方式, 即在初始时刻产卵场的流速假设为 0. 模型验证工况设定为仅大江电厂中部 6 台机组开启的情景, 每台机组下泄流量为 1000m 3 /s. 下游开边界采用宜昌站实测水位流量曲线. 如图 1 所示, 选取上下产卵区设定的 6 个监测断面, 各断面等间距布设若干个监测点, 以底层流速实测数据对水动力模型进行验证. 如图 2 所示, 经对比分析, 所建模型较准确地模拟了产卵场水域的流速空间变化与断面流速分布 : 在大江电厂泄流江心隔离堤等水利建筑物的双重作用影响下, 近坝水域 ( 断面 1#, 2#,3#) 局部流场较复杂, 流速 u 的峰值为 2 0~2 4 m/s; 河道中段弯道处 ( 断面 4#,5#,6#) 的流态较为规则, 流速为 0 6~1 5m/s. 图 2 中华鲟产卵场断面流速分布模拟与实测验证比较 Fig.2 ComparisonofsimulatedandobservedvelocitydistributionsinChinesesturgeonspawningground

2 σ D ε σ ) +P +B -C ε 2 ε ε 2ε k, (5) 上述式中 :ζ 为水位波动高度 ;h 为总水深 ;Q 为单位面积源汇项 ;( u, 珔 v) 珋为水深平均流速分量 ;(u,v,ω) 为空间坐标 x,y,σ 方向上的速度分量 ;ρ 为水体密度 ;(F x,f y ) 为雷诺应

4 402 排灌机械工程学报第 32 卷 2 产卵日水动力特征分析原先中华鲟的自然产卵时间一般在每年 10 月份, 自 2003 年后逐渐推迟到 11 月下旬. 近 10 多年来, 中华鲟自然繁殖记录多为每年 1 次产卵, 但在近期的 2011 年 11 月观测到了 2 次自然繁殖, 其后在 2012 年的 11 月下旬和 12 月上旬也分别观测到自然产卵. 葛洲坝水库为日调节水库, 其下泄流量受上游三峡水库下泄流量的控制, 分析研究三峡水库 175m 试验性蓄水后产卵当日的短期水动力条件变化特征, 有助于加深理解中华鲟自然繁殖环境适宜性对上游水利水电工程调度动态变化的响应机制. 以出现 2 次产卵繁殖的 2011 年为代表性工况, 模拟分析水库调度运行影响下的产卵当日河段水动力短期动态变化. 表 1 为 2011 年 11 月发生 2 次自然产卵当日的下游宜昌站水位 H yc, 以及上游葛洲坝大江电厂二江电厂及总下泄流量. 具体计算模拟时, 上游边界网格流量分配按照大江电厂与二江电厂的装机容量进行调整. 表年 2 次产卵当日的下泄流量及下游水位数据 Tab.1 Dischargeandwaterleveldataoftwo spawningdaysin2011 Q/(m 3 s -1 ) 时期 H yc /m 总下泄大江电厂二江电厂 11 月 21 日月 24 日由表 1 可见 2 个产卵当日的大坝下泄流量分别为 8721m 3 /s 与 7992m 3 /s, 模拟结果的对比表明中华鲟发生自然繁殖当日的底层流场结构与流速分布特征较为类似. 图 3 为研究区域内 2 次产卵当日的近床底流场结构, 呈较典型的弯曲河道流动形态, 整体流动方向较为规则稳定, 河道中间水流速度略大于两边近岸水体流速 ; 同时, 坝下局部流态受到水利工程及地形突变的干扰大江及二江电厂下游水流交汇和二江泄水闸区域附近出现了部分回流 ; 在二江电厂下游河道转向处, 受深潭地 [12] 形影响同样出现回流区 ; 大坝泄流水体流经江心隔流堤尾端后, 水体流动方向逐渐恢复均匀稳定状态从而形成了适合中华鲟繁殖的下产卵区. 图 4 为第 1,2 次产卵日底层流速大小空间分布情况. 由图可知底层流速大小空间分布, 在近坝下游水域, 高速与低速水流分布区间隔明显, 受大江及二江电厂机组高速泄水直接影响, 电站泄水口下游对应区域的流速较大 ( 最大值约为 2 2m/s); 而受导流墙的影响, 大江泄水闸和二江泄水闸下游水体流速一般小于 0 5m/s. 在大江电站出水口至江心隔流堤前端的区域, 流速值一般在 1 4m/s 以上 ; 在江心隔离堤导流作用下, 大江电站泄水高流速分布区整体呈长条状分布, 大江电站下泄水体被分为左右两部分, 江心堤左侧水体流速迅速下降至 0 8 m/s 左右, 堤右侧的水体流速纵向梯度变化较小. 二江电站下游至河道转向处为流速较大的区域, 速度范围为 1 0~2 2m/s, 下泄水体流经河道转向后与周围水体交汇, 流速明显降低. 沿水流方向, 江心隔离堤后半段的两侧水体流速均较小, 在弯道受地形影响, 部分区域内水体流速增大至 0 8~1 4m/s, 即下产卵区域. 上述数值分析结果表明 : 中华鲟发生自然繁殖当日的水动力因子其空间分布之间有着一定的规律性, 受地形与上游水利工程调控影响, 中华鲟产卵水动力适宜区易出现在特定水域内. 图 3 底层流场矢量分布 Fig.3 Botomlayerflowfieldvectors 图 4 底层流速空间分布 Fig.4 Botomlayerfluidvelocitydistributions 葛洲坝下游河段生态水文变化较为复杂, 采用文中所述的三维产卵场水动力数值分析方法, 为深入研究产卵场生态水文特征, 尤其是产卵当日河段水动力短期动态变化规律提供了一种有效手段, 有助于加深理解水利工程短期调控作用下的中华鲟产卵适应性变化规律. 另一方面, 研究结果还可用

葛洲坝水库为日调节水库, 其下泄流量受上游三峡水库下泄流量的控制, 分析研究三峡水库 175m 试验性蓄水后产卵当日的短期水动力条件变化特征, 有助于加深理解中华鲟自然繁殖环境适宜性对上游水利水电工程调度动态变化的响

5 第期毛劲乔等水库调度影响下中华鲟产卵场的水动力特征于量化上游水库调度运行与产卵适宜区的相关关卵场水库渔业系为开展有利于中华鲟自然繁殖的水库生态调度ＹＺＬＷＴＣ提供了辅助手段但应指出要形成具有共性的产ｗｗｍＧ卵适宜生态水文及水动力特征结论尚需进一步针对历年产卵日的实际工况开展系统分析与规律性研究ＲＦＣＤｍＷＹＸＺＷＤＣＣＡｗＹＲ结论ＨＰ三峡工程试验性蓄水至ｍ的目标水位后ＹＹＺＳＷＺＴ开始进入正常运行期葛洲坝坝下河段的中华鲟产ｍｍＣｗ卵场生态环境可能会做出新的动态响应ＹＲＩＪＳｍ构建了葛洲坝至宜昌水文站江段的中华鲟产卵场水动力数学模型以年次产卵当日的实际工况为边界条件重点开展了水动力环境短期变化特征的数值模拟研究在大江及二江电厂全部机组开启且均匀泄流情况下中华鲟产卵当日整体流ＲＷＹＸＺＷＤＡＳＬＰＣＡｗＹＲＣＡＥ动顺河道分布均匀在大江电厂及二江电厂尾水交ＹＹＷＺＹＺＴｗｍ汇混合处江心堤尾端两侧水体混合处出现流态较ｍＣｗ为紊乱的回水区域流速较高区域具体范围为大江ＥＭ电厂至江心堤前端二江电厂下游至河道转向处二江深潭江段根据统计分析的中华鲟产卵时的流速ＹＭＬＱＬＧＩ偏好范围此工况条件下中华鲟上产卵区域范围ｍＧＴＧ约在大江电厂下游导流墙尾段至江心隔流堤前段ＲｗｍＹＲ处隔流堤右侧下产卵区的范围约在江心隔ＨＥ流堤尾端两侧水体混合处以下长约ｍ内的河道中部偏左岸研究结果可为开展有利于中华鲟栖息地保护的三峡葛洲坝联合调度运行提供科学参考参考文献Ｒ刘兴平太湖波浪过程的数值模拟江苏大学学报自然科学版ＬＸＮｍｍｗＴＬＪＵＮＳＥＣＳＳＬＸＧＭＨＴｍＤＨＷＣＹＷＱＷＤｍｍＣＲＩｍｍＣＥｍＦＭＡＧＴＧＲｍｗＹＬＢＥＳＤＢＴｍｍＲＡｗＣｍＭＡＡＩＭＥ胡德高柯福恩张国良等葛洲坝下中华鲟产卵张辉危起伟杨德国等葛洲坝下游中华鲟淡水渔业场的第二次调查Ａ产卵场地形分析生态学报ＨＤＫＦＺＧＴＺＨＷＱｗＹＤＴＣｗＧｗＡＤｍＦｗＦＡＥＳｗｇＤｍＣＣ余志堂李万洲葛洲坝枢纽下游发现了中华鲟产责任编辑张文涛

组开启且均匀泄流情况下中华鲟产卵当日整体流ＲＷＹＸＺＷＤＡＳＬＰＣＡｗＹＲＣＡＥ动顺河道分布均匀在大江电厂及二江电厂尾水交ＹＹＷＺＹＺＴｗｍ汇混合处江心堤尾端两侧水体混合处出现流态较ｍＣｗ为紊乱的回水区域流速较高区域具体范围为大江ＥＭ电厂至江心堤前端二江电厂下游至河道转向处二江深潭江段

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一开放性的政策与法规二两岸共同的文化传承三两岸高校各自具有专业优势远见杂志年月日河北师范大学学报新时期海峡两岸高校开放招生问题探讨郑若玲王晓勇海峡两岸高校开放招生是新时期推进海峡两岸高等教育交流与合作的重要尝试系统梳理改革开放以来两岸招生政策与就学人数发展变化的历史进程可发现促进两

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400 排灌机械工程学报第 32 卷 downstreamofdajiangpowerstationanderjiangpowerstation,butthehighestvelocityisfoundinthe downstreamofaterjiangpowerstation.t