常留紅，徐 斌，張 鵬，湯 薇

（1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù) 湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114）

1 研究背景

丁壩群在發(fā)揮束水攻沙與航道整治功能的同時，也改變了丁壩群周圍的水動力特性［1］，并在一定程度上影響了魚類的生境需求［2-3］。丁壩群周圍的水流特性是決定魚類生存環(huán)境的主要因素之一。因此，整治建筑物周圍的水動力特性成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點問題。在實驗研究方面，蔡喆偉等［1］基于丁壩周圍水流流速與水深的分布規(guī)律開展實驗研究，探討了壩長與淹沒度對丁壩水流力系數(shù)的敏感性。彭靜等［4］針對丁壩間距對壩后回流的強度、尺寸的影響；也有學(xué)者［5-6］采用PIV流速測量技術(shù)，研究了水力坡度對流速和渦量的影響。在數(shù)值計算方面，部分學(xué)者采用有限體積法建立了二維和三維數(shù)學(xué)模型，探討了丁壩下游回流區(qū)長度和寬度的變化及剪切流的沿程變化特征［7-8］。不少學(xué)者基于三維數(shù)值計算，對丁壩周圍的水動力特性和沖淤變化開展研究［9-10］，也有學(xué)者對丁壩周圍的流場分布和丁壩繞流的水力特性進行分析［11-13］；還要部分學(xué)者研究了丁壩附近局部流場、地形沖淤變化以及沖刷坑形態(tài)等［14-16］。

此外，魚類生境對水動力的需求是丁壩群生態(tài)整治效果評價的重要依據(jù)。不少學(xué)者研究表明流速和水深對魚類的影響較大［17-19］。Boavida等學(xué)者認(rèn)為流速和水深對成年魚類棲息以及成年魚類產(chǎn)卵具有較大的影響［20-22］。Shih等［23］采用NETSTARS和TABS-2模擬分析了有無丁壩存在時的水深和流速對魚類的影響。Magoulick等［24］研究了關(guān)于捕食風(fēng)險對底棲魚類或魚類和小龍蝦組合的生境選擇的影響。不少學(xué)者對丁壩周圍的水流特性和影響魚類生存條件的因素進行了深入研究，但研究丁壩群對魚類生存條件影響的研究尚不多見。

儀征水道處于感潮河段區(qū)域，受潮流作用儀征水道水體內(nèi)營養(yǎng)鹽豐富，是長江中下游主要魚類的重要棲息場所和洄游通道，河道魚類索餌場的分布與河道水流條件有較大關(guān)聯(lián)。因此，本研究依托儀征水道航道整治丁壩群工程，分析儀征水道在徑流作用下丁壩群工程實施后對河道魚類生存環(huán)境的作用機理，揭示潮汐河段航道整治丁壩群對魚類的產(chǎn)卵場、索餌場、越冬場和洄游通道，即“三場一通道”的影響及成因，為類似航道整治工程對魚類生態(tài)環(huán)境的保護和改善提供理論基礎(chǔ)。

2 研究河段概況

儀征水道是南京以下河段12.5 m深水航道治理的難點，也是長江口深水航道進一步向上延伸的關(guān)鍵控制河段之一。儀征水道上起三江口，下迄瓜州，全長31 km，為微彎分汊河型。以十二圩為界，上段為順直微彎段，近百年來受進口三江口、礁板磯一對節(jié)點控制，河道穩(wěn)定少變。下段為微彎分汊段，江中世業(yè)洲將水道分為左右兩汊：右汊為主汊，河道彎曲，平均河寬約1450 m；左汊為支汊，呈順直型，平均河寬約880 m。世業(yè)洲右汊為主汊，分流比約58%，也是現(xiàn)行通航主航道所在；左汊為地方小輪航道。

2.1 工程概況長江南京以下12.5 m深水航道二期工程位于南通市—南京市之間，全長約227 km，自下而上整治儀征、口岸直、和暢洲、儀征4個重點礙航水道，儀征水道整治工程，位于鎮(zhèn)江市世業(yè)洲西側(cè)，丁壩群由頭部潛堤、頭部潛堤南北側(cè)丁壩（SR1、SR2、SL1、SL2）、右緣丁壩（Y1、Y2、Y3）組成，共形成堤身長度5.19 km。工程地理位置如見圖1所示。

圖1 工程地理位置示意圖

2.2 研究河段生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀研究河段河道水流特性變化復(fù)雜，相比中上游河段水流條件較緩，儀征水道魚類江湖定居性偏多，以淡水魚類為主，不做長距離洄游，游泳能力相對江海洄游性魚類較弱。因此魚類的種群組成與中上游河段有較大差別，喜流性魚類相比緩流或靜水性魚類較少，并且主要以洄游性、生活在中下層水域的淡水魚類為主。本江段沒有集中性大規(guī)模的漂流性魚類產(chǎn)卵場，多為洲灘、岸邊河灣緩流水草豐富的產(chǎn)黏性卵的產(chǎn)卵場（如鯉魚、鯽魚等在），以及在沙質(zhì)洲灘上產(chǎn)沉性卵的產(chǎn)卵場。但研究河段仍存在有部分產(chǎn)漂流性魚卵的非洄游性魚類。在2013年7月對研究河段進行了調(diào)查，儀征江段共采集到幼魚漁獲物27種，分別隸屬于6目9科25屬，以江河定居性、中下層為主，食性多為雜食或肉食性，其中刀鱭作為長江主要經(jīng)濟性魚類由于過度捕撈，刀鱭正在逐年減少，同時其為洄游型魚類，研究刀鱭能夠在考慮三場的情況下，也能研究洄游通道的主要路線，所以本文選取刀鱭作為整治丁壩群工程對魚類生境影響的代表性魚類。

2.3 工程后魚類及其他生物監(jiān)測范圍及布置生態(tài)堤身布設(shè)于儀征水道世業(yè)洲右汊Y2#，從丁壩根部向外約200 m的位置，其余兩個丁壩和Y2#后半段位置均為傳統(tǒng)拋石丁壩。在A3點位即Y2#生態(tài)堤身位置設(shè)置了壩體內(nèi)部點位（A3壩內(nèi)）和壩體外部后方點位（A3壩外）的采集（圖2），并分別在施工完成后1個月（2017年3月產(chǎn)卵期）、9個月（2017年12月洄游期）、14個月（2018年5月產(chǎn)卵期），通過漁獲物調(diào)查和彼得森采泥器等方法對生態(tài)堤身建成后的魚類種類、數(shù)量、組成以及完整性，沉積物、底棲生物和浮游生物濃度，進行了第一次、第二次和第三次監(jiān)測。

圖2 生態(tài)堤身研究區(qū)域示意圖

3 數(shù)值模型建立與驗證

3.1 控制方程MIKE 21的控制方程為二維淺水方程，屬于平面二維自由表面流模型，忽略了垂向水流加速度，以垂向平均水流要素為研究對象。當(dāng)垂直尺度遠小于水平尺度時，因流速、水深等水力參數(shù)沿水平方向的變化要比垂直方向的變化大得多，故忽略沿水深積分三維流動的控制方程，并取平均水深，可得到沿平均水深的二維淺水流動質(zhì)量和動量守恒控制方程組。

3.2 模型范圍及網(wǎng)格劃分為了較好地滿足水流運動相似，本數(shù)學(xué)模型計算范圍上迄三江口，下至六圩河口，模擬河段全長約40 km，見圖3。模型采用儀征水道二期整治工程實施前2015年11月實測地形，地形測圖比例均為1∶10000。

圖3 模型計算范圍

二維平面網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，模型網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為42 320個，單元總數(shù)為83 295個。河道主槽內(nèi)網(wǎng)格尺寸在45～65 m之間，邊灘區(qū)域網(wǎng)格稀疏，在65～80 m之間不等。工程區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格進行了加密，以模擬出整治丁壩形狀，網(wǎng)格最小尺寸為10 m。工程區(qū)局部網(wǎng)格示意圖見圖4。

3.3 模型參數(shù)選擇模型底床糙率為0.020～0.028，邊灘糙率為0.028～0.03。對于儀征水道南北兩岸岸灘及世業(yè)洲南側(cè)邊灘，考慮生長有植被，糙率加大至0.035，世業(yè)洲北側(cè)面糙率加大至0.033，與前期二維長河段平面數(shù)學(xué)模型相一致。考慮到河段范圍較大，給模型引入科氏力。時間步長取為Δt＝30 s。

3.4 模型驗證采用2014年8月洪季大潮實測水文資料對模型進行驗證，計算時上游進口邊界由穩(wěn)定時刻實測流量控制，下游出口邊界由穩(wěn)定時刻實測水位控制，計算河段內(nèi)的已建橋梁作為固有邊界考慮。儀征水道內(nèi)布置的水文測量斷面和水位測站，其位置如圖3所示。數(shù)學(xué)模型驗證計算內(nèi)容包括汊道分流比、沿程測站水位、斷面流速分布。

圖4 工程區(qū)局部網(wǎng)格示意圖

水文測驗在模型范圍內(nèi)河道兩側(cè)共布置了7個臨時水位站、4條測流斷面，涵蓋了各個汊道，以及分流口和匯流口，驗算結(jié)果見圖5、圖6和表1。

圖5 水位驗證結(jié)果

表1 世業(yè)洲左右汊道分流比驗證

圖6 流速驗證結(jié)果

3.5 研究工況在研究航道整治工程對魚類生境影響時，應(yīng)該選取河道魚類密集產(chǎn)卵期的洪季流量條件以分析對魚類繁殖、早期發(fā)育和育幼的影響，選取枯季徑流量條件以分析對越冬活動的影響，同時考慮到每年洪季魚類繁殖季節(jié)之后，研究河段是幼魚的重要肥育場所，應(yīng)該選取多年平均流量條件以分析對幼魚肥育的影響。因此，整治工程研究河段模型上游來流條件為大通站的多年平均洪峰流量約57 500 m3/s、多年平均流量28 700 m3/s和枯季平均流量16 500 m3/s。

4 對魚類“三場一通道”的影響分析

4.1 魚類產(chǎn)卵場及早期發(fā)育影響受氣溫、水流條件的影響，研究河段魚類的產(chǎn)卵季節(jié)多為夏季，故分析洪峰流量條件下整治丁壩群工程對兩種類型產(chǎn)卵場以及魚類早期發(fā)育的影響，。

4.1.1 對產(chǎn)沉黏性卵魚類產(chǎn)卵場的影響 產(chǎn)沉黏性魚卵的魚類多生活在中下層水域，喜在岸灘靜水區(qū)或水流較弱的環(huán)境下生活（流速小于0.3～0.8 m/s），繁殖季節(jié)魚卵吸附在水草的莖干、枝葉上，或砂質(zhì)河床或洲灘上產(chǎn)卵吸附。因此，重點分析岸灘附近水流條件的改變，以討論整治丁壩工程對產(chǎn)沉黏性卵魚類產(chǎn)卵場的影響。

由圖7—12所示，工程前后現(xiàn)有產(chǎn)卵場附近流速等值線基本重合，可見丁壩群工程對已有產(chǎn)卵場的影響較小。同時可以看出工程后Y1～Y3處都形成一定的挑流，流速等值線向河槽偏移。其次，世業(yè)洲丁壩群建成后增大了SL2和Y1～Y3壩后岸灘緩流區(qū)的范圍，其中SL2后的緩流區(qū)變化較為明顯。

圖7 工程前流速等值線圖

圖8 工程后流速等值線圖

圖9 工程前后流速差值等值線圖

圖10 工程前后0.8m/s流速等值線變化圖

圖11 工程前后1.3m/s流速等值線變化圖

圖12 工程前后1.5m/s流速等值線變化圖

4.1.2 對產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵場的影響 產(chǎn)漂流性卵魚類多生活在河道表層水體內(nèi)，喜流水環(huán)境，在產(chǎn)卵季節(jié)尋找合適的水流環(huán)境進行產(chǎn)卵，如河床急劇變化區(qū)段（如磯頭附近），需一定程度的水動力條件改變（如泡漩水）可以刺激排卵。因此，選取河道表層位置的水流特性來分析整治丁壩工程對漂流性魚類的影響。

丁壩在水中的結(jié)構(gòu)型式與磯頭相似，因此在整治丁壩群工程實施后，河道的流場結(jié)構(gòu)由工程前單一的平順型轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的急緩交錯型。在頭部潛堤北側(cè)及南側(cè)壩后，水流結(jié)構(gòu)均變得較為復(fù)雜，同時洪季落急流條件下丁壩仍淹沒，壩區(qū)附近出現(xiàn)翻壩流、泡漩流等復(fù)雜的水流結(jié)構(gòu)，水體垂向交換強烈。此外，工程前部潛堤北側(cè)流速在0.8～1.2 m/s，而在工程后壩頭和壩后急緩流差異明顯，壩頭在1.2 m/s以上，壩后則基本在0.3～0.8 m/s。

而對于多數(shù)漂流性魚類，如鱖魚、貝氏鰷及長江四大家魚，一般在豐水期河水流速達1～1.5 m/s以上，便會形成魚類產(chǎn)卵高峰，因此整治丁壩群工程實施后在頭部潛堤會形成適合漂流性魚類產(chǎn)卵的水流環(huán)境。潛在區(qū)位置示意圖見圖13。

4.1.3 對魚類早期發(fā)育的影響 魚類的早期發(fā)育主要是指受精后的胚胎期、仔魚期和稚魚期，此階段也是魚類死亡率較高的時期。在魚類早期發(fā)育階段，魚類不具備游泳能力，僅能隨水流在河道水體中漂流，因此較緩的水流環(huán)境或靜水區(qū)可以為魚類的早期發(fā)育提供良好的場所。

圖13 漂流性魚類產(chǎn)卵潛在區(qū)位置

通過上文3.1.1和3.1.2節(jié)可知，對于產(chǎn)沉黏性卵和產(chǎn)漂流性卵魚類的胚后發(fā)育階段（仔魚和稚魚），整治丁壩群實施后在壩后河道表層和中下層均能夠為其提供較緩的水流環(huán)境（0.3～0.5 m/s），以避免其被流速較大的洪季流帶至下游河口區(qū)，如頭部潛堤南北側(cè)丁壩群及Y1（見圖7—9）。

4.2 魚類索餌場、越冬場及洄游通道的影響

4.2.1 工程前后對魚類索餌場的影響 魚類的食性隨著生長期的改變而發(fā)生變化，多數(shù)魚類在早期發(fā)育階段（仔魚）由于消化系統(tǒng)未發(fā)育完善以浮游生物為食，隨著進入幼魚和成魚階段食性開始出現(xiàn)差異。調(diào)查結(jié)果表明：在儀征水道魚類組成中以雜食性和肉食性為主，各占39.66%和34.48%，前者多捕食水中藻類、原生動物和其他有機質(zhì)，后者多以魚、蝦為食。

水體內(nèi)食物鏈最高位置的魚類餌料來源多種多樣，但水體中初級生產(chǎn)力的浮游生物在整個食物鏈中占據(jù)重要作用，既是魚類早期發(fā)育階段的直接餌料來源，又間接影響著成魚的生長和發(fā)育，而浮游生物的濃度及分布又與河道的水流環(huán)境密切相關(guān)。

根據(jù)儀征水道浮游生物濃度和分布的調(diào)查結(jié)果，在6月份河道內(nèi)浮游生物的濃度明顯低于10月份，因此選取多年平均流量條件，以分析整治丁壩群工程對魚類索餌場的影響，具體討論對浮游生物（以浮游植物為例）的影響。

圖14和圖15給出了整治丁壩群工程實施后多年平均流量和枯季平均流量條件下對魚類索餌場影響的示意圖，從圖中可以看出整治丁壩群工程實施后，丁壩附近復(fù)雜的三維水流結(jié)構(gòu)，可以把來流部分導(dǎo)入壩后，進而將來流中所攜帶濃度較高的浮游植物和河道內(nèi)有機質(zhì)在壩后的緩流區(qū)進行富集，如SL1和SL2壩。

此外，丁壩群壩后較弱的水流環(huán)境可以為浮游植物的富集和繁殖提供良好的水流環(huán)境，如圖所示壩后水流流速基本在0.3 m/s以下。因此，在整治丁壩工程實施后世業(yè)洲頭部潛堤北側(cè)丁壩壩后和世業(yè)洲右緣Y1/Y2壩后可以為魚類索餌場營造適合的水流環(huán)境。

圖14 多年平均流量流場圖（工程后）

圖15 枯季平均流量流場圖（工程后）

4.2.2 工程前后對魚類越冬活動的影響 進入冬季之后，隨著氣溫的逐漸降低，魚類開始由溫度較低中上層水域逐漸沉入溫度相對較高的底層水域，在主槽當(dāng)中尋找水流較緩的河底卵石或塊礫石間進行越冬活動，以減少對抗水流游動對身體儲存脂肪的消耗。因此，選取枯季平均流量下底層水體的計算結(jié)果，分析整治丁壩工程對魚類越冬活動的影響。

從圖16—18中可以看出整治工程前除福中水道外主槽流速基本在0.5～0.8 m/s之間，福中水道在0.8 m/s以上，而在整治丁壩群工程后壩后流速的衰減幅度基本在0.2～0.4 m/s，福左緣丁壩FL4#和雙澗沙左側(cè)丁壩群壩后流速的衰減幅度則在0.4 m/s以上。因此，從水流環(huán)境的角度可以看出相比工程前，丁壩群工程后壩后區(qū)可以為魚類越冬提供良好所需的緩流或靜水環(huán)境，同時結(jié)合3.2.1節(jié)可知壩后也有利于浮游生物的富集，間接的為魚類越冬提供較為充足的餌料來源。

圖16 工程前流速等值線圖

圖17 工程后流速等值線圖

圖18 流速差值等值線圖

4.2.3 對魚類洄游通道的影響 儀征水道是諸多魚類洄游的過路通道，在每年繁殖季節(jié)親魚經(jīng)研究河段上溯洄游，后魚卵或仔魚隨水流再經(jīng)研究河段降河洄游。由于洄游性魚類親魚的游泳能力較強，而整治丁壩群工程在河道斷面上并未形成物理阻隔，對親魚的上溯洄游影響較弱。

因此，對魚類洄游通道的影響主要是對無游泳能力或較弱的魚卵或仔魚的降河洄游，降河洄游通道一般在水流較緩、浮游生物濃度較高的近岸區(qū)，以提高存活率。分析所選取的徑潮流條件為魚類繁殖季節(jié)的洪季大潮。

由圖19—20所示，從近岸流線的變化可以看出，丁壩群對仔魚降河洄游的影響主要出現(xiàn)在世業(yè)洲右緣丁壩Y2/Y3壩頭附近，受Y2的挑流作用近岸流線向河道方向有所偏移，在水體表層漂流的魚卵和仔魚存在有被水流帶離近岸區(qū)的風(fēng)險，但短暫偏離近岸后，受壩后回流影響又帶至下游近岸區(qū)。但從1.3 m/s流速等值線的變化可以看出，丁壩群工程后世業(yè)洲右緣近岸緩流區(qū)的范圍有明顯擴大，對魚卵和仔魚的降河洄游有利。

圖19 工程前1.3m/s流速等值線及流線圖

圖20 工程后1.3m/s流速等值線及流線圖

4.3 工程后魚類監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.3.1 魚類數(shù)量變化 由調(diào)查報告可知，第二次調(diào)查比第一次調(diào)查多了1種魚，第三次則多聚集了3種魚。此外，相對第一次調(diào)查，第二次調(diào)查報告中生態(tài)丁壩周圍魚類捕獲數(shù)量增加了42尾，即增長了52.5%，第三次調(diào)查調(diào)查報告中生態(tài)丁壩相周圍魚類捕獲數(shù)量增加了110尾，即增長了138.75%。經(jīng)過“產(chǎn)卵—洄游—產(chǎn)卵”的一個周期，魚類數(shù)量明顯增長，正好驗證了數(shù)值計算的1.3 m/s緩流區(qū)和0.2～0.4 m/s靜流區(qū)的作用，說明以后生態(tài)丁壩周圍將具有較好的生態(tài)效果。

4.3.2 魚類組成 三次調(diào)查中鰱所占的比重都是最大的，達到了70%左右，前兩次漁獲物尾數(shù)是鰱和黃顙魚所占比重較大，第三次調(diào)查報告顯示興凱鱊所占比重較大，數(shù)值分析產(chǎn)卵場的優(yōu)化在章節(jié)4.3.1中三次調(diào)查報告得以體現(xiàn)，顯示魚類的種類在增多，興凱鱊是前兩次調(diào)查中沒有出現(xiàn)的魚類，說明丁壩改善了魚類的生存環(huán)境，適應(yīng)于多種魚類的生存。

根據(jù)魚類種類及組成的實際數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，丁壩區(qū)對于魚類的生境確實產(chǎn)生了良性的作用，與數(shù)模計算的丁壩對于工程區(qū)魚類生境的改善具有同樣的定性結(jié)論。

4.3.3 魚類密度 由三次調(diào)查報告可知，生態(tài)堤身的單位時間魚類數(shù)量顯著高于其他樣點，單位時間檢測到的數(shù)量傳統(tǒng)丁壩和普通江底之間差異不大。說明生態(tài)堤身附近，魚類數(shù)量相對較多，相對傳統(tǒng)丁壩和離岸等距的普通江段具有一定的集魚效果。生態(tài)壩體前產(chǎn)生的上升流可以促進上下層水體的交換，擴大營養(yǎng)鹽和基礎(chǔ)餌料的分布水平，易于誘集各層魚類形成漁場。

5 結(jié)論

通過二維數(shù)值計算分析儀征水道整治丁壩群周圍的水流結(jié)構(gòu)，結(jié)合丁壩群周圍的沉積物、底棲生物和魚類的監(jiān)測結(jié)果，分析丁壩群對魚類生存環(huán)境的影響，得到如下主要結(jié)論：

（1）工程后在世業(yè)洲頭部潛堤及北側(cè)丁壩群附近形成復(fù)雜的水流結(jié)構(gòu)（翻壩流和泡漩流），壩頭流速也增至1.5 m/s以上，形成適合漂流性魚類產(chǎn)卵的水流環(huán)境。

（2）丁壩的修建擴大了近岸緩流區(qū)的范圍，在頭部潛堤北側(cè)丁壩SL2和世業(yè)洲右緣丁壩Y1—Y3壩后的岸灘，營造出了適合沉黏性魚類產(chǎn)卵的水流環(huán)境。

（3）由于工程實施后丁壩群可以把來流部分導(dǎo)入壩后區(qū)，將其所攜帶濃度較高的浮游植物在壩后的緩流區(qū)進行富集，同時壩后的緩流區(qū)可以為浮游植物的繁殖提供良好的水流條件，從而為魚類在壩后棲息和索餌提供適宜的水流環(huán)境。

（4）整治丁壩群一定程度上能為魚類、底棲生物等提供棲息和庇護場所，增加底棲動物的多樣性和魚類的豐富度。丁壩群周圍的河流健康狀態(tài)得以優(yōu)化，同時丁壩群對魚類“三場一通道”產(chǎn)生了一定的積極的作用，保障了魚類的自然生存空間。