人工坝体对长江上游鱼类栖息地流域水动力学特性的影响

张 俊，车 轩，贾广臣，田昌凤，陈晓龙

人工坝体对长江上游鱼类栖息地流域水动力学特性的影响

张 俊1,2，车 轩2※，贾广臣1，田昌凤2，陈晓龙2

（1. 上海海洋大学工程学院，上海 201306； 2. 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092）

长江上游鱼类栖息地的水动力学研究对于栖息地生态治理与恢复、评估水生物的生境条件有重要科学意义。该研究以长江上游四川省泸州市江段人工修复鱼类栖息地为研究对象，根据现场施工图、水下地形测绘图和航拍图，等比例建立了三维流场模型。基于CFD数值模拟结合现场试验勘测，研究了6种不同流速下的栖息地水动力学特性，分析了多个人工坝体对该江段水流环境的影响机制、湍流/涡结构的演化与发展规律，利用了水流均匀性指数、傅汝德数、局部断面流速等水力指标对修复后的栖息地水环境进行评估，并与现场地形和流速测绘、鱼群调查等试验数据对比分析。研究表明：在该江段试验区形成多个大漩涡区，涡流形态基本不随来流速度的变化而改变，逆时针漩涡区的上升流现象明显，且流速稍高于顺时针漩涡区；试验区的水流速度偏低，流动均匀性差，流态紊乱复杂，而对照区的流速相对较快，流动均匀性好，水流方向变化不明显；随来流速度增加，傅汝德数不完全呈线性增加趋势，不同水深截面上的水流均匀性指数的变化趋势相近；现场鱼群调查相同测绘距离内，对照区域为0.714尾/1 000呯，试验区域为3.157尾/1 000呯，说明流动不均匀的低速涡流区有利于聚集鱼群，经修复后的栖息地能够为水生物提供良好的栖息、繁衍、庇护等生存条件；当来流速度为2 m/s时，试验区域两条测试路径的平均流速分别为0.53和0.79 m/s，在同一鱼群探测试验测绘路径上，数值模拟结果与现场试验数据相差约10%，验证了数值计算方法的可靠性。研究结果对于大水面渔业生态工程的水动力学研究有重要的参考意义。

水动力学；流场；长江上游保护区；鱼类栖息地；人工坝体；鱼礁

0 引 言

近年来，随着长江流域自然河流的大规模梯级水电、防洪护岸、桥梁、码头等大型建筑设施的开发建设，造成了部分河道与河岸自然生态环境严重破坏，导致适合水生物生存的空间正逐渐减少甚至消失，使岸线生态功能大幅退化，特别是金沙江工程引起了长江上游珍稀鱼类国家自然保护区长江干流江段的水文条件发生了巨大变化[1-2]。因此，针对长江上游珍稀鱼类栖息地受损现状，充分利用生态学和工程学原理，建造鱼礁和坝体等设施来降低水流速度，创造紊流、上升流等水流环境，对改善水生物的栖息、繁殖、索饵等生境条件，维持长江上游生态适宜度、提高水生物的多样性具有重要意义[3-5]。

鱼类栖息地的水动力学研究对于河道生态治理与恢复、评估水生物的生存条件等研究有极为重要的科学意义。国内外学者针对鱼类栖息地的水动力学特性开展了大量研究[6-9]。Sempeski等[10-11]通过对2条河流的茴鱼产卵场试验研究发现，流速是鱼类产卵场众多水动力学因素中极为重要的条件；Crowder等[12-13]选取动能梯度和动能强度2个量化指标，采用量化产卵时所需水流特征因子的方法分析了流速特性；Baril等[14]对奥瓦尔鲁河进行了数值模拟，模拟的流速和水深用于确定场地的适用性并评估河道结构的影响规律，研究表明，河道结构不符合提高水位的预期，对河流速度无明显影响；Almeida等[15]采用二维数值模拟结合试验研究了鱼类栖息地各种河道结构的流速适宜性指数，为鱼类栖息地的结构优化提供了参考；Zhang等[16]应用水动力和污染输送的栖息地模型进行数值模拟，选择流速、水深、河床底物和污染浓度作为适宜性指标，研究表明水坝建设严重影响了墨头鱼的栖息环境；杜浩等[17]通过对长江江口至涴市天然河道的鱼类行为试验，研究了天然河道中的流速、水位2个水力学指标对鱼类的适应范围，为评价河流栖息地适宜性及生态功能提供了重要借鉴；孙嘉宁等[18]对白鹤滩水库回水支流黑水河进行水动力模拟和鱼类栖息地模拟，分析了蓄水前后栖息地数量变化，研究发现流速和水位是影响栖息地分布的主要因素；李洋[19]以锦屏大河湾河段为研究对象，采用原位观测、统计分析和数值模拟等手段，研究了流速、流量等水动力特性对鱼类产卵行为的影响，并提出了鱼类产卵的生态流量确定技术方法；李倩[20]对长江上游保护区鱼类栖息地进行了数值模拟和试验研究，得到了该河段流速、水深、傅汝德数等水动力指标，建立了描述鱼类产卵场地貌的指标体系；陈炳宇[21]建立了长江上游保护区铜鱼产卵的地形地貌、水文特征、水动力特征、水质特征和河床底质5大类水环境特征的指标体系，为评价保护区水环境特征提供了理论依据；文献[22-25]模拟研究了明渠丁坝附近的流场分布特性，主要分析了不同丁坝长度与间距条件下的局部流动特性、坝体附近的流动结构以及坝根处的涡系演化特征、丁坝引起的剪切流沿程变化规律等，为河道生态治理与恢复奠定了理论基础。

综上，国内外针对鱼类栖息地的水动力学特性进行了大量研究，得到了影响不同鱼类生存的流速、水深、傅汝德数等水动力学指标，而关于人工修复鱼类栖息地的水动力学模拟与试验研究较少，尤其是针对适合鱼类生存的紊流、上升流、水力均匀性指数等问题需进一步研究。本文基于CFD数值模拟结合现场试验，研究了人工坝体对长江上游地区鱼类栖息地流域水动力学特性的影响，对比分析了流速、傅汝德数、水力均匀指数、湍流涡结构的演化与发展规律等，并与现场地形、流速测绘、鱼群探测等试验数据进行了对比分析。研究结果对于维持长江上游地区珍稀特有鱼类栖息地的生态适宜度、大水面渔业生态工程的水动力学等研究有极为重要的参考意义。

1 数值计算方法

1.1 计算模型

针对长江上游地区珍稀特有鱼类国家自然保护区四川省泸州市江段的鱼类栖息地受损现状，利用生态学和工程学原理，人工建造7个坝体。根据项目施工图、实测地形图和现场航拍图，等比例建立三维几何模型。地形测绘采用美国LinkQuset 公司生产的EchoSeep 300多波束地形扫测设备，通过分析可知，该水域平均水深约为4.0 m，测绘区域中部水深约为5.0 m，其余水域底部地形较为平坦。在流场模型中，考虑了流域腹部、人造坝体等部位的不规则坡度和高度差。

图1为流场几何模型，取平面建立直角坐标系，方向为水流方向，方向为水深方向，z方向为水域宽度方向。流场模型长为801.3 m，宽为486.76 m。为了便于和试验测绘路径上的流速对比分析，取AA′、BB′、CC′、DD′ 4个水面横向截线。为了对比分析流场中的傅汝德数和水流均匀性指数，在主流区进出水口、主流区中段、靠近坝体内侧入口、坝体内侧中段以及靠近坝体内侧末段出水口位置共设置6个纵向监测断面，如图1所示。

1.2 计算方法

将流场中的液相、气相、固相视为具有不可压缩性和连续性的混合流体相，其三维非稳态复杂流动过程满足连续性方程和动量守恒方程[8]。湍流模型采用重整化群（RNG）两方程模型，该模型考虑了涡流和低雷诺数对湍流的影响，提高了存在旋涡流动的计算精度，尤其适用于描述具有大应变率剪切流、有旋流、分离等复杂流动现象。

将图1所示流场区域划分非结构化网格，对不规则坝体及流域腹部岸堤等流动变化剧烈的区域进行局部网格细化，在网格交接处采用网格交接面，并在贴近壁面的区域添加边界层网格，经过网格无关性验证计算，确定网格总量约为2 000万。

采用FLUENT求解器进行数值模拟，流场中的江岸、江底及人造坝体部位定义为无滑移固壁边界条件，河道糙率取0.03。流场出口定义为压力出口边界条件，混合流体连续相的密度为1 052 kg/m3，运动黏性系数为1.056 5×106m2/s。采取基于压力耦合的SIMPLEC算法，使速度场与压力场的迭代同步进行，湍流动能及湍流耗散率均采用二阶迎风格式，收敛精度为10-6。

2 结果与分析

2.1 流场特征分析

根据该江段在不同季节平均流速的试验值定义来流速度0，取1、2、3、4、5、6 m/s共6种入口流速条件。不同流速下的流场速度矢量图相近，以0=6 m/s为例分析说明流场特征，图2为水面速度矢量云图。结果表明：水流经过坝体时出现了明显的分流现象，一部分流向坝体外侧对照区，水流绕动急骤、流速较快，局部最高流速达到10 m/s左右，而另一部分进入坝体内侧试验区，流速降低，集中在3 m/s左右；漩涡在流场中随流体的对流和黏性扩散，坝体与坝体之间形成了明显的小涡流结构和尾迹流现象，其流速明显偏低；从水流方向上看，分别形成了顺时针、逆时针、顺时针旋转方向的3个大漩涡区，均位于试验区；对比分析不同来流速度下的速度矢量云图可以得出，旋涡的结构形态基本上不随来流速度的改变而改变，流场特征基本相近；结合流场不同部位的流速对比曲线也可以看出，由于坝体阻水作用，速度场的变化梯度较大，试验区的平均水流流速偏低，但水流的方向变化较快，而对照区的水流速度变化相对较快，但水流方向变化不明显。目前的研究表明[18-20]：由于漩涡具有场特征和吸收物质性，使得低速涡流区有利于聚集鱼群。

2.2 涡流黏度分析

为了对比分析坝体内外两侧水流运动所引起的湍流特性，图3给出了AA′、BB′、CC′、DD′ 4条水面横向截线上的涡流黏度在不同来流速度下的分布云图。涡流黏度是指当流动处于湍流状态时，由于随机脉动所造成的强烈涡团扩散和级联散列，是表征流场特性的重要参数，其机理是漩涡带动流体质点随机运动而导致强烈的动量传递速率，使得表观黏度远大于分子水平的黏度。对比分析图3的计算结果可知：越靠近坝体区域，流场中的涡流黏度越大，BB′线上的涡流黏度最高，表明坝体附近的流态紊乱复杂；在不同来流速度下，试验区的涡流黏度变化幅度较大，而对照区的涡流黏度数值和变化幅度相对较小；随着来流速度的增加，涡流黏度基本呈线性增加趋势。

2.3 沿水流方向上的流速分析

图4给出了AA′、BB′、CC′、DD′ 4条水面横向截线上的流速在不同来流速度下的变化曲线。结果表明：由于人工坝体的阻水作用，位于试验区监测线上的速度明显小于对照区的速度；靠近坝体附近监测线上的水流速度差异较大，且随着位置不同其速度变化幅度较大；来流速度越高，位于试验区附近监测线上的流速变化幅度越大，而对照区的水流速度基本不变，其大小和来流速度基本保持一致。结合图2和图3可以看出：对照区内的水流流速集中在6 m/s，流动均衡、稳定、有序，其流速和涡流黏度变化幅度较小，而试验区的流速集中在3m/s，流动不稳定，受不规则坝体和岸堤的影响，存在明显的回流和环流现象，使得该区域的流动复杂、紊乱，其流速和涡流黏度的变化幅度相对较大。

2.4 沿水深方向上的流速分析

图5为4条水面横向截线AA′、BB′、CC′、DD′沿水深方向上的速度分布规律。计算结果表明：在同一截线、不同深度的水流流速分布规律不同，在深度方向上总体呈降低趋势，但在AA′、DD′线上的流速沿水深方向基本呈单调递减趋势，而在靠近坝体区域的BB′、CC′线上，距水面约一定范围内的流速递减幅度较小，从水深约3.5 m到水底的流速基本呈线性衰减规律，且衰减速率较快；随着来流速度的增加，距水底约1 m范围内的流速变化梯度不大，这是由于河道底部粗糙，接近河道底部的水流除了受到流体之间的黏性力还受到了河道底部的摩擦阻力，导致底部水流速度相对较小。综合分析可知，人工坝体在不改变坝体外侧对照区水流速度的情况下，改变了鱼类栖息地的水动力学环境，在坝体内侧试验区，水流速度明显降低，且存在较大梯度差，紊流、上升流现象明显。

2.5 平均流速和傅汝德数分析

描述鱼类生存条件的水动力学指标主要包括流速、水深、流速梯度、傅汝德数、水流均匀性指数等。其中，水深是鱼类等水生物生存空间的反映，流速也是关键的生境因子之一，因为对于产漂流性卵的鱼类，鱼卵和鱼苗需一定流速以防止其下沉到水底。傅汝德数则反映了流速和水深的共同影响，是表征水流状态的重要参数，在数值上的意义为流体内的惯性力与其重力的比值，定义为

图6a为6个纵向监测面在不同来流速度下的平均速度变化规律，图6b为6个纵向监测面在不同来流速度下的傅汝德数变化规律，其中，纵向监测面1、5、6为对照区内3个不同位置上的监测面，纵向监测面2、3、4为试验区内3个不同位置上的监测面，见图1。从图6的数值计算结果可以看出：经过对照区监测面上的平均流速和傅汝德数明显大于试验区的监测面，即对照区的水体流动比试验区更为湍急；傅汝德数和平均速度的变化趋势基本一致，随着来流速度增加，6个监测面上的平均流速和傅汝德数基本呈线性增加趋势。对比分析可知，监测面4上的平均流速和傅汝德数不符合线性关系，这是由于监测面4位于涡流区内的水流出口部位，该断面面积小且流速变化幅度大，且6个监测面上的平均水深不同，因此，随着来流速度的增加，流场不同部位的平均流速和傅汝德数的变化趋势略有差异。

2.6 水流均匀性指数分析

水流均匀性指数是表征水体流动复杂程度的重要指标，也是评估水流多样性的重要参数，数值越大表示流动均匀性越好，流动越稳定，而越小则表示流动越复杂，水流具有多样性和不稳定性。水流均匀性指数的定义式为

图7为不同水深截面上的坝体两侧水流均匀性指数变化规律，其中虚线表示坝体内侧水流均匀性指数，实线为坝体外侧水流均匀性指数，监测面1、2、3、4、5分别对应5种不同水深的流场全域，对应的水深分别为0、1、2、3、4 m。从图7可以发现，在水深分别为0、1、2 m的截面上，试验区内的水流均匀性性指数均比对照区的小，说明坝体内侧的水流相对不均匀、流态更加复杂，有较好的水流多样性；而在水深分别为3、4 m的截面上，试验区内的水流均匀性性指数均比对照区的大，这是由于河道底部的地形复杂且流速偏低，以至于表现出和其他水深截面上不同的流动特征。从整体上来看，随来流速度增加，在不同水深的截面上，坝体两侧水流均匀性指数的变化趋势基本一致。说明人工坝体提高了该流域的流动多样性和不稳定性，能够为多种水生物提供多样化的生境条件，有利于提高栖息地水生物的多样性，对于修复栖息地的生态环境有重要作用。

2.7 模拟结果验证

采用声学超声波流速仪测试坝体两侧的水流速度，测试路径如图1中的AA′、BB′、CC′、DD′，测试路径1、2位于对照区，测试路径3、4位于试验区。表1为数值模拟与试验结果的数据对比。

试验表明：4条测绘路径上的水流流速较缓，对照区测试路径1、2的平均流速分别为1.66和1.53 m/s，试验区测试路径3、4的平均流速为0.79和0.53 m/s；对照区的水流流速偏快，部分区域存在向坝体内部流动的趋势；坝体内侧流域腹部的整体流速偏低，但水流的方向变化较快，这是由于多个坝体引起的涡流区改变了流场环境。对比分析试验结果与模拟结果得出：4条试验测绘路径与数值计算的AA′、BB′、CC′、DD′的位置接近，以来流速度为2 m/s为例，流速数值计算结果与测绘结果相差约10%，验证了计算结果的有效性。修复后的鱼类栖息地主河道流速稳定，坝体内侧流态复杂、紊乱，回流和环流流动特征明显，水深和流速条件适宜，能够为鱼类等水生物提供良好的栖息、索饵、繁衍、庇护等生境条件。

表1 平均流速数值模拟与试验数据

注：0=2 m·s-1。

3 讨 论

采用BIOSONICS系列DT-X多功能回声仪对该江段的鱼群数量探测评估。结果表明：在相同测绘距离内，在对照区测速路线1、2区域内为5尾/7 000呯次= 0.714尾/1 000呯，在试验区测速路线3、4区域为6尾/1 900呯次=3.157尾/1 000呯，呯次表示回声仪的扫描次数。由此可见，试验区的鱼群数量约为对照区的4.4倍。研究表明[18]：小规格鱼类喜好选择较小的流速、较宽的流速范围和水深范围；较大规格的鱼类趋向于选择较高的流速、较窄的流速范围和水深范围。从鱼类分布情况来看，鱼类分布密度较高的区域在试验区，这与该区域的水动力环境密切相关。

长江中上游地区水流湍急、地形复杂，试验研究的危险性大、时间周期长，人力成本高。CFD数值模拟作为一种重要的科学研究方法，对于确定人工修复区域的施工方案、评估施工后的流域水动力学环境有重要指导意义。文中忽略了水下砂石对流场环境的影响，计算结果与实际情况存在差别，有待于进一步研究。综合以上分析得出，人工坝体改善了鱼类的生境条件，对于提高长江上游鱼类栖息地的生境适宜度、维持水生物多样性等研究有重要意义。

4 结 论

通过模拟研究长江上游人工修复鱼类栖息地的水流宏观运动状态、局部涡流结构特征、坝体附近的湍流/涡结构发展与演化规律，利用水流均匀性指数、傅汝德数、典型断面流速等水力指标对人工修复后的鱼类栖息地水环境进行评估，并与流速测绘、鱼群探测等试验数据对比分析，得到以下结论：

1）人工建造的坝体在不影响主流区流速的条件下使试验区的流速降低，当水流经过坝体时出现了明显的分流现象，对照区的水流急骤，流速变化梯度小；在试验区形成了多个大漩涡区，该涡流结构的形态基本不随来流速度的变化而改变；逆时针漩涡区的上升流现象明显，且流速稍高于顺时针漩涡区。

2）在不同来流速度下，试验区的湍流黏度变化幅度较大，湍流黏度随来流速度增加而增大；漩涡在流场中随流体的对流和黏性扩散，在坝体与坝体之间形成了明显的小涡流结构和尾迹流现象，其水流流速明显偏低；随着来流速度的增加，平均流速和傅汝德数基本呈线性增加趋势；在不同的深度下，坝体两侧的水流均匀性指数变化趋势基本一致，试验区的鱼群试验探测数量明显高于对照区。

3）当来流速度为2 m/s时，试验区的平均流速约为0.6 m/s，在同一测绘路径上，数值计算结果与实际测绘值相差约10%，说明了数值计算结果的有效性；流速在深度方向上总体呈降低趋势，但在靠近坝体区域、距水面一定范围内的流速递减幅度较小，而远离坝体区域的流速基本呈线性衰减规律；随来流速度增加，距河道底部约1 m范围内的流速变化梯度较小。

4）经修复后的鱼类栖息地流速均衡、稳定、有序，多个坝体处的流态复杂紊乱、流动不均匀、回流和环流特征明显，试验区形成的水环境具有多样性和不稳定性，能为鱼类等水生物提供良好的栖息、索饵、繁衍、庇护等生存条件。本文对于评估人工坝体对鱼类栖息地水环境等研究有极为重要的科学意义和参考价值。

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Effects of artificial dams on hydrodynamic characteristics of fish habitats in upper reaches of Yangtze River

Zhang Jun1,2, Che Xuan2※, Jia Guangchen1, Tian Changfeng2, Chen Xiaolong2

(1.,,201306;2.,,200092,)

Habitat of fish species has been an essential component of riverine ecosystems in natural rivers. However, a series of ecological problems have posed a practical challenge on fish habitats and blocks migration routes, particularly in the upstream reach of the Yangtze River, mostly due to the construction of hydroelectric dams rapidly increased in recent years in China. Therefore, it is necessary to explore the hydrodynamic characteristics of fish habitats for the ecological management and restoration, especially for the rare and unique fish, and thereby to evaluate the habitat conditions of aquatic organisms in the upper reaches of the Yangtze River. In this study, a three-dimensional model of flow field was established, corresponding to the artificial restoration of rare fish habitats in the river section of Yangtze River upstream, in Luzhou city, Sichuan province, China. The hydrodynamic characteristics of different flow velocities were investigated, based on the Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical simulation combined with an experimental survey. The evolution and development of the turbulence/vortex structure were analyzed, in order to obtain the influence mechanisms of several artificial dams on the abdominal flow law of the basin, compared with the experimental data, including the site topography, flow mapping of the habitats, and the survey of fish shoal. The results showed that the large vortex areas were formed in the test area of the habitat basin, where the shape of vortex was almost invariant with the change of the stream speed. The upwelling occurred obviously in the anticlockwise vortex region, of which the velocity was slightly higher than that in the clockwise vortex region.The flow velocity of the habitat basin in the test area is lower than the control area, but the uniformity of water flow is baddish. The Froude number does not increase linearly with the inflow velocity, and the variation trends of flow uniformity index on different water depth sections of the habitat basin are similar. By the field survey of fish shoal in the same mapping distance, the area outside the dam was 0.714 in 1 000 scanning times, while, the area inside the dam was 3.157 in 1 000 scanning times, revealing that the low-velocity turbulence/vortex structure in the test area of the habitat basin can gather fish better, and thereby the artificial restoration of fish habitat can provide suitable living conditions for aquatic organisms to roost, breed, and shelter. Specifically, the average flow velocity of two test routes in the abdomen of the basin was 0.53 and 0.79 m/s, when the flow velocity was 2 m/s. The difference between the numerical simulation results and the test data is about 10% on the same mapping path, which verify the reliability of the numerical calculation method. The findings can offer a sound theoretical reference for the hydrodynamics of large-water fishery ecological projects.

hydrodynamics; flow field; Yangtze River upstream reserve; fish habitat; artificial dams; artificial fish-reefs

张俊，车轩，贾广臣，等. 人工坝体对长江上游鱼类栖息地流域水动力学特性的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(5)：140-146.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.016 http://www.tcsae.org

Zhang Jun, Che Xuan, Jia Guangchen, et al. Effects of artificial dams on hydrodynamic characteristics of fish habitats in upper reaches of Yangtze River[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 140-146. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.016 http://www.tcsae.org

2020-05-03

2021-02-18

国家重点研发计划“蓝色粮仓”科技创新项目（2020YFD0900502）；上海市科委创新行动计划（17050502000）；上海海洋大学科技发展专项基金（A2-2006-20-200210）

张俊，副教授，研究方向为渔业工程水动力学、计算流体力学。Email：zhangjun@shou.edu.cn

车轩，副研究员，研究方向为大水面渔业生态工程。Email：chexuan@fmiri.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.016

V211.3; TJ410

A

1002-6819(2021)-05-0140-07