楊彥龍，程開(kāi)宇，施家月，盛 晟

(1.國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，杭州 311122； 2.華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122)

1 研究背景

水電工程建設(shè)導(dǎo)致河流水文情勢(shì)、水動(dòng)力學(xué)條件、河床形態(tài)等發(fā)生了改變，會(huì)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(wèn)題，進(jìn)而影響野生魚(yú)類等水生生物的生存與繁殖[1-2]。越來(lái)越多的研究表明，魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)所處河段具有獨(dú)特的水力學(xué)特性[3-4]，不同學(xué)者采用不同的水力學(xué)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行描述。構(gòu)建適合魚(yú)類繁殖的水力生境條件，是魚(yú)類生境修復(fù)及魚(yú)類資源保護(hù)亟待解決的問(wèn)題[5-6]。魚(yú)類棲息地與河道水深、流速、河流斷面形態(tài)等直接相關(guān)，而對(duì)于特定的魚(yú)類而言，其喜好是相對(duì)確定的，河道水力要素的變化將對(duì)魚(yú)類棲息繁殖條件產(chǎn)生影響[7]。

安谷水電站位于四川省樂(lè)山市境內(nèi)，是大渡河下游最后一個(gè)梯級(jí)水電站，總裝機(jī)容量772 MW。樞紐從左至右依次布置非溢流面板壩、左儲(chǔ)門(mén)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(guò)船閘上引航道右邊墻與岸坡相接，左岸通過(guò)非溢流面板壩與庫(kù)區(qū)副壩相接。水庫(kù)正常蓄水位398.00 m，相應(yīng)回水長(zhǎng)度約11.4 km，相應(yīng)水庫(kù)面積為5.55 km2，相應(yīng)庫(kù)容6 330萬(wàn)m3。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(zhǎng)約20 km，天然主干河道寬度340～750 m之間。工程區(qū)域河谷開(kāi)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(fù)雜、水量豐沛、生境多樣，是大渡河下游重要的魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)，如胭脂魚(yú)、白甲魚(yú)、南方鲇、鲇、大鰭鱯等魚(yú)類大量繁殖。

電站樞紐工程建設(shè)將占用該河段右側(cè)河網(wǎng)，工程建設(shè)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?kù)區(qū)、壩下泄洪渠、尾水渠及左側(cè)生態(tài)河網(wǎng)的相對(duì)單一結(jié)構(gòu)。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(yán)重影響區(qū)域魚(yú)類棲息生境質(zhì)量。針對(duì)工程建設(shè)對(duì)魚(yú)類棲息生境的影響，利用生態(tài)工程措施對(duì)左岸河道生態(tài)環(huán)境及魚(yú)類棲息地進(jìn)行恢復(fù)和重建，在系統(tǒng)分析受損魚(yú)類生境條件基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建魚(yú)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(jìn)而改善魚(yú)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(yú)類棲息地構(gòu)建及恢復(fù)，需要營(yíng)造合理的水深、流速、流態(tài)等水力要素，二維水動(dòng)力學(xué)模型不僅可以模擬河道各點(diǎn)的水位，還可以模擬河道流場(chǎng)及水深分布[10-11]。

本文采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)工程河段的水流狀態(tài)進(jìn)行模擬，分別計(jì)算分析河道天然狀態(tài)及工程實(shí)施后2種工況下水流狀態(tài)，為本次左岸生態(tài)河網(wǎng)及魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并根據(jù)計(jì)算成果提出本次左岸生態(tài)河道規(guī)劃、魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)設(shè)置的優(yōu)化措施。

2 二維水流數(shù)學(xué)模型

大渡河樂(lè)山段位于河口區(qū)域，河心洲眾多，在枯水期露出，洪水期淹沒(méi)水下，屬于典型的分汊型河道，模擬其水流形態(tài)與水動(dòng)力條件難度較大。復(fù)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(biāo)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2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(jì)算網(wǎng)格必須嚴(yán)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(biāo)系下平面二維水流模型，對(duì)控制方程采用控制體積法與SIMPLE算法進(jìn)行離散和求解[13-14]，并運(yùn)用實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行了較為系統(tǒng)的驗(yàn)證。

2.1 控制方程及求解方法

一般曲線坐標(biāo)系下，平面二維水流數(shù)學(xué)模型基本方程包括水流連續(xù)方程、水流運(yùn)動(dòng)方程，根據(jù)坐標(biāo)變換關(guān)系，曲線坐標(biāo)系下平面二維水流數(shù)學(xué)模型控制方程可表示如下。

水流連續(xù)方程為

(1)

河道主流方向運(yùn)行方程為

(2)

垂直主流方向(河寬方向)水流運(yùn)動(dòng)方程為

(3)

模型計(jì)算物理量采用同位(非交錯(cuò))網(wǎng)格布置，采用控制體積法，將控制方程對(duì)所示的控制體積沿時(shí)間和空間進(jìn)行積分，可得出控制方程的通用離散形式。求解過(guò)程中，為避免水位波動(dòng)，控制體交界面上的流速采用動(dòng)量插值處理；為避免計(jì)算迭代過(guò)程中出現(xiàn)溢出，采用了Patankar 和Spalding 提出的欠松弛技術(shù)，即在離散方程式中引入欠松弛因子，以改善離散方程式中系數(shù)的對(duì)角占優(yōu)程度[15]。

2.2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格布置

綜合考慮擬建工程所在位置的河勢(shì)、工程修建后可能的影響范圍及水文資料情況等，選取安谷電站庫(kù)尾彩虹橋處至大渡河鷹嘴崖(大渡河大橋下游500 m處)之間約23.5 km河段作為數(shù)學(xué)模型的計(jì)算區(qū)域。

本次模型計(jì)算區(qū)域地形采用2005年1月實(shí)測(cè)的安谷電站工程影響河段1∶2 000河道地形圖，計(jì)算河道工程前天然地形如圖1所示，模型率定計(jì)算和天然情況水流模擬均采用工程前地形。根據(jù)安谷電站修建后推薦的樞紐布置方案、施工渣場(chǎng)布置、移民造地規(guī)劃及左岸生態(tài)河道生態(tài)工程措施，對(duì)現(xiàn)狀地形進(jìn)行重塑，作為工程投運(yùn)后計(jì)算地形。

圖1 計(jì)算河段天然河道地形Fig.1 Topographic map of natural channel on calculated reach of Dadu River

模型計(jì)算區(qū)域共生成480×180個(gè)網(wǎng)格，其中沿水流方向布置480個(gè)網(wǎng)格，平均間距約為28～79 m，沿河寬方向網(wǎng)格數(shù)為180個(gè)，網(wǎng)格寬度多為5～19 m。

2.3 模型率定及驗(yàn)證

模型率定及驗(yàn)證的目的在于檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法的可行性，并對(duì)模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行率定以及對(duì)數(shù)學(xué)模型精度進(jìn)行檢驗(yàn)，模型驗(yàn)證主要內(nèi)容有水面線、斷面流速分布驗(yàn)證等。本文采用天然情況下水位水面線及洪痕資料對(duì)模型糙率進(jìn)行率定，并根據(jù)物理模型流速及分流比成果[16]對(duì)模型進(jìn)行率定。

2.3.1 水位對(duì)比

根據(jù)計(jì)算河段2006年7月21日實(shí)測(cè)水面線資料(大渡河福祿站流量Q=2 430 m3/s)及1998年洪痕水位資料(大渡河福祿站流量Q=7 664 m3/s)，對(duì)建立模型糙率進(jìn)行率定。計(jì)算成果(見(jiàn)表1)顯示，水位計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料吻合較好，誤差在±0.10 m以內(nèi)，河段糙率為0.026～0.042。

表1 各流量下的計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比

2.3.2 流速對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型，以大渡河福祿站流量Q=2 200 m3/s時(shí)模擬計(jì)算流速分布與開(kāi)展的物理模型實(shí)測(cè)流速分布進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示，數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果能正確反映水流流態(tài)，流速分布基本相符，觀察點(diǎn)流速大小差別在±0.2 m/s內(nèi)。各觀察點(diǎn)計(jì)算流速值與物理模型實(shí)測(cè)點(diǎn)流速比較見(jiàn)表2。

圖2 數(shù)學(xué)模型計(jì)算流場(chǎng)示意圖(Q=2 200 m3/s)Fig.2 Flow fields of mathematical model calculation (Q=2 200 m3/s)

表2 數(shù)學(xué)模型計(jì)算流速與物理模型實(shí)測(cè)值比較

2.3.3 分流比對(duì)比

在計(jì)算域內(nèi)選取沐東壩所在的兩個(gè)汊道A1、A2及馮壩、徐壩所在處的3個(gè)汊道B1、B2、B3進(jìn)行分流比驗(yàn)證，A1、A2、B1、B2、B3位置見(jiàn)圖2，表3為汊道分流比計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比。從表3可看出，數(shù)學(xué)模型計(jì)算的汊道分流比誤差在6%以內(nèi)。

表3 模型計(jì)算河汊分流比與模型實(shí)測(cè)值對(duì)比

3 左岸生態(tài)河網(wǎng)及魚(yú)類棲息地設(shè)計(jì)

3.1 安谷電站生態(tài)河網(wǎng)及魚(yú)類棲息地設(shè)計(jì)

根據(jù)安谷水電站工程樞紐布置方案，大渡河在該河段分成左、右兩側(cè)格局，右側(cè)為庫(kù)區(qū)、大壩、泄洪渠、電站尾水渠，左側(cè)為生態(tài)河網(wǎng)。根據(jù)生態(tài)環(huán)境保護(hù)總體布局，左側(cè)生態(tài)河網(wǎng)自起始段依次分布有豐都廟、魏壩、馮壩、揚(yáng)子壩、羅漢鎮(zhèn)、峨眉河匯合口、青衣江匯合口等魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)及棲息地。工程總體布置如圖3所示。左側(cè)生態(tài)河網(wǎng)通過(guò)安谷水電站庫(kù)尾生態(tài)放水閘控制下泄流量，根據(jù)運(yùn)行調(diào)度原則，左側(cè)生態(tài)河網(wǎng)枯水期下泄100 m3/s，汛期泄洪期間最大可下泄600 m3/s。

圖3 安谷水電站及左岸生態(tài)河網(wǎng)布置示意圖Fig.3 Angu hydropower station and ecological river network on the left bank

魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)水流要求加高，不僅要求有一定流速、水深，且水流流態(tài)要復(fù)雜多變。由于水電工程建設(shè)，天然河網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變，工程建設(shè)對(duì)區(qū)域魚(yú)類棲息地及產(chǎn)卵場(chǎng)有一定影響。結(jié)合左岸生態(tài)河網(wǎng)配水規(guī)劃及魚(yú)類生境保護(hù)需求，根據(jù)水力模型計(jì)算成果，采取了設(shè)置分水堰壩、連通工程、河道分汊口及產(chǎn)卵場(chǎng)處局部地形重塑等措施，滿足左岸生態(tài)河網(wǎng)下泄流量為100 m3/s的情況下各主要河段不斷流，通過(guò)調(diào)度等手段形成多樣化魚(yú)類生境條件，確保魚(yú)類棲息地適宜生境的要求。

3.2 左岸生態(tài)河網(wǎng)水動(dòng)力模擬

為保證枯水期左岸生態(tài)河網(wǎng)不斷流，河道流量能滿足水環(huán)境及生態(tài)需求，本文選取大渡河該河段最枯月份的工程投運(yùn)前后水流流態(tài)進(jìn)行分析。

2月份大渡河安谷河段、青衣江河道平均流量分別為403、152 m3/s，出口鷹咀崖水位為359.25 m。工程前天然河道沿程水深如圖4(a)所示，由于屬于最枯月份，大渡河河網(wǎng)部分河段斷流。工程投運(yùn)后，相應(yīng)2月份的徑流條件下，左岸生態(tài)河網(wǎng)通過(guò)放水閘下泄100 m3/s，電站泄洪渠下泄50 m3/s供生態(tài)機(jī)組發(fā)電，發(fā)電尾水渠通過(guò)機(jī)組下泄253 m3/s，工程投運(yùn)后河道沿程水深如圖4(b)所示。

圖4 天然狀態(tài)河道和工程投運(yùn)后生態(tài)河網(wǎng)水深示意圖Fig.4 Water depth of natural channel and ecological river channel after the project

由于左岸生態(tài)河網(wǎng)移民造地、河道地形重塑及上游來(lái)水減少等原因，河道水動(dòng)力學(xué)特征有較大變化，工程投運(yùn)前后各分河汊處水力要素變化對(duì)比見(jiàn)表4。工程投運(yùn)后，雖然上游生態(tài)放水閘下泄流量小于天然來(lái)流，但是河網(wǎng)中右側(cè)主要河道已經(jīng)成為庫(kù)區(qū)，右岸生態(tài)河網(wǎng)過(guò)水?dāng)嗝孑^工程投運(yùn)前已大為減少，左岸生態(tài)河網(wǎng)沒(méi)有斷流現(xiàn)象，左岸生態(tài)河道主要斷面的水流水深、流速等要素大部分河段好于工程投運(yùn)前2月份情況。

表4 工程投運(yùn)前后水動(dòng)力要素變化(2月份)

3.3 魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力模擬

以生態(tài)放水閘下游豐都廟魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)為例進(jìn)行分析，該產(chǎn)卵場(chǎng)位于沫東壩大橋下游約30 m，經(jīng)沐東壩分為左右兩條汊河，分流口為河心淺灘，底質(zhì)為卵石和礫石，水流較急，適合在急流水淺灘產(chǎn)黏性卵的魚(yú)類產(chǎn)卵繁殖，現(xiàn)狀位置如圖5所示。

圖5 豐都廟魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)Fig.5 Fish spawning ground in Fengdumiao

3.3.1 天然河道水力學(xué)特性

該區(qū)域魚(yú)類產(chǎn)卵季節(jié)主要為4—7月份，工程投運(yùn)前豐都廟產(chǎn)卵場(chǎng)所處河段水動(dòng)力學(xué)要素特征見(jiàn)表5，水深及流場(chǎng)分布示意圖見(jiàn)圖6。

表5 天然河道豐都廟產(chǎn)卵場(chǎng)水動(dòng)力學(xué)特性

圖6 天然河道豐都廟產(chǎn)卵場(chǎng)水深及流場(chǎng)分布Fig.6 Distribution of water depth and flow field in Fengdumiao fish spawning ground of natural river channel

3.3.2 優(yōu)化措施建議

工程建成后，依據(jù)模型試算結(jié)果，放水閘下泄100 m3/s情況下豐都廟魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)水位流速小于天然河道魚(yú)類產(chǎn)卵期流量最小的4月份工況。魚(yú)類棲息需要適合水深和流速要求，且復(fù)雜的流速分布和水深交替變化對(duì)魚(yú)類產(chǎn)卵有積極作用[17]。工程投運(yùn)后部分河道渠道化，水流條件較單一，且上游來(lái)流明顯減小，產(chǎn)卵場(chǎng)處水力要素不利于魚(yú)類繁殖棲息。但放水閘下泄流量變化較大，對(duì)魚(yú)類繁殖產(chǎn)生一定影響。工程采用局部?jī)?yōu)化措施布置，主要措施有：投放石塊從而創(chuàng)造復(fù)雜水流條件；高程394.0～394.1 m處種植水生植物，為魚(yú)類提供產(chǎn)卵的淺灘；局部開(kāi)挖形成深潭，增加產(chǎn)卵場(chǎng)局部流態(tài)；在左岸設(shè)置長(zhǎng)1 414 m人工魚(yú)巢，為產(chǎn)黏性卵的魚(yú)類提供產(chǎn)卵附著物。并設(shè)置魚(yú)類繁殖期產(chǎn)卵場(chǎng)的水文條件監(jiān)測(cè)設(shè)施，在魚(yú)類產(chǎn)卵季節(jié)(4—7月份)，根據(jù)天然流場(chǎng)變化特征，優(yōu)化放水閘調(diào)度方式，根據(jù)上游來(lái)水情況周期性加大下泄流量，營(yíng)造魚(yú)類產(chǎn)卵適宜水動(dòng)力學(xué)特征，以滿足魚(yú)類的繁殖。

3.3.3 工程建成后河道水力學(xué)特性

工程建成后，放水閘下泄100 m3/s時(shí)，豐都廟魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)分汊處橫斷面流速為0.12～0.40 m/s，水深0.67～1.60 m，該產(chǎn)卵場(chǎng)水力學(xué)特征發(fā)生了較為明顯變化，橫斷面流速明顯降低，且橫斷面變化較?。谎雌谙滦?00 m3/s時(shí)，豐都廟產(chǎn)卵場(chǎng)處分汊處橫斷面流速為0.25～1.21 m/s，水深為1.34～3.80 m，流速及水深均增加明顯。工程投運(yùn)后豐都廟產(chǎn)卵場(chǎng)水深及流場(chǎng)分布見(jiàn)圖7。

圖7 工程投運(yùn)后豐都廟產(chǎn)卵場(chǎng)水深及流場(chǎng)分布Fig.7 Distribution of water depth and flow field in Fengdumiao fish spawning ground after the project

由計(jì)算成果可知，在產(chǎn)卵場(chǎng)河段通過(guò)相關(guān)生態(tài)修復(fù)工程措施，以及魚(yú)類產(chǎn)卵期放水閘不定期加大下泄流量，魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)仍具備多種魚(yú)類繁殖的水力條件。從投運(yùn)后調(diào)查效果看，左岸生態(tài)河網(wǎng)生態(tài)環(huán)境及水量分配滿足設(shè)計(jì)要求，采用魚(yú)類棲息地生境優(yōu)化措施后，一定程度上改善了魚(yú)類棲息繁殖生境[18]。

4 結(jié) 論

安谷水電站開(kāi)發(fā)方式較為特殊，針對(duì)電站建設(shè)及運(yùn)行對(duì)區(qū)域河道生態(tài)及魚(yú)類棲息地的影響，本文建立了一般曲線坐標(biāo)系平面二維水流模型，為生態(tài)河網(wǎng)及魚(yú)類棲息地修復(fù)設(shè)計(jì)提供水動(dòng)力學(xué)依據(jù)。主要結(jié)論如下：

(1)采用大渡河樂(lè)山河段實(shí)測(cè)水位資料、物理模型流速及分流比成果對(duì)模型進(jìn)行了較為系統(tǒng)的驗(yàn)證，模型驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)測(cè)資料吻合良好，表明模型能夠較合理反映天然分汊河道水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

(2)安谷水電站上游生態(tài)放水閘常下泄100 m3/s的情況下，魚(yú)類產(chǎn)卵繁殖水力學(xué)要素條件較差，通過(guò)魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)優(yōu)化措施及放水閘優(yōu)化調(diào)度，可一定程度上改善魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)水力條件。

(3)工程投運(yùn)后，安谷水電站左岸生態(tài)河網(wǎng)生態(tài)環(huán)境、水量分配和設(shè)計(jì)吻合較好；有關(guān)魚(yú)類調(diào)查結(jié)果顯示，左岸生態(tài)河網(wǎng)有關(guān)魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)具備一定的魚(yú)類棲息繁殖條件。