长江上游洛碛航道采砂坑三维水温结构模拟研究

樊宇奇 李文杰 戴卓 杨威 杨胜发

摘要：采砂坑是航道整治中经常会遇到的一个问题，它的存在不利于航道运输，同时也对鱼类生存有着一定影响。利用MIKE 3软件的水动力模块对夏季及冬季工况下的长江上游航道洛碛采砂坑区域三维水温结构进行模拟，取采砂坑两监测点模拟数值与实测数据验证了模型的可靠性。取邻近区域非采砂坑两环境数据点分析其水温结构，同时将采砂坑环境与非采砂坑环境的模拟结果进行对比分析，以探究它们水温结构的异同。结果表明：垂向上采砂坑内水温随水深变化不大，温度数值较为恒定，冬季工况下平面上采砂坑水体水温比非采砂坑水体更高，夏季工况则较低。该模型能够较好地模拟出采砂坑内水温的变化过程及变化趋势，具有较好的实用性和有效性。研究成果可为航道整治的方案选择及长江鱼类的生境保护提供一定的参考。

关 键 词：

采砂坑; 水温结构; 航道整治; 鱼类生境; 数值模拟

中图法分类号： TV853

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.027

河砂是砂石料重要的来源之一，长江上游沿江地区的经济发展迅速，建筑用砂量增加，采砂量大幅增加[1]。过度的采砂在航道内形成大量深浅不一的采砂坑，采砂坑会改变河床地貌，使航道航槽受到影响，危害航道附近河堤及涉水建筑物的安全稳定[2]。同时采砂坑会引起周围水环境的变化，一定程度上改变了航道内的水流流速、水流方向[3]。因而采砂坑的存在会影响航道尺度，对通行船只的航行安全造成威胁[4-6]。

鱼类生境主要指的是“三场一通道”——越冬场、产卵场、索饵场、洄游通道。如今，鱼类面临的主要问题是适宜的生境大量减少[7-9]。国外研究表明，采砂坑水体具有一定的生态功能[10]。在此背景下，利用采砂坑为鱼类提供适宜的生境成为了具有可行性的方案。而在衡量鱼类生境适宜度的指标中，温度是主要的衡量指标[11-13]，因而对采砂坑温度场的模拟必不可少。

本文针对上述问题，以重庆市洛碛地区采砂坑水体为研究对象，采用MIKE 3软件的水动力模块，研究采砂坑内三维水温的变化情况。首先构建了采砂坑的三维水温结构模型，利用实测数据验证模型的合理、可靠性;然后对比分析不同季节工况下采砂坑及非采砂坑环境下的三维水温变化过程，探究采砂坑环境三维水温结构的特点。

1 研究区域概况

洛碛航道位于长江上游航道里程599.3～605.3 km段，处于重庆朝天门至涪陵河段航道中。为了让未来5 000 t级船舶、4艘3 000 t级驳船组成的万吨级船队可以常年满载直达朝天门，当前长江上游朝天门至涪陵河段航道整治工程计划将现有航道维护水深从3.5 m提升到4.5 m，进一步提升长江黄金水道功能。本次研究的采砂坑位于洛碛航道的下洛碛研究区域，该区域处于洛碛水道航道里程600.0～602.0 km之间。

下洛碛平面形态较为顺直，左岸为下洛碛卵石滩，右岸为中挡坝卵石滩，碛顶低平，天然情况下枯水期常出现浅包碍航[14]。目前该河段航道维护水深为3.5 m，航宽100 m，每年库区低水位时段满载的大型船舶航行受限。同时该河段过度采砂后经过水流冲刷，逐渐形成了一个连通的、长度约1.2 km、最宽处有230 m的采砂坑。在此处，地形突变引起局部水流条件恶化，造成深坑分流比增大，且形成不良流态，船舶航行至此处容易受内拖水影响而搁浅，对航道船舶航行安全造成不利影响，需对其实施一定的工程整治措施，初步决定进行填埋处理。

传统的航道整治措施是利用炸礁将采砂坑直接填埋[15]，但前期通过采砂坑内2个监测点利用超声波鱼探仪观测发现采砂坑内存在一定数量的鱼群，同时采用HACH/Hydrolab公司OTT Quanta多参数水质分析仪进行水深、水温的监测，发现水温随着水深的增加有着不同的变化速率，即存在明显的分层现象。监测时间为2019年1月6日（24 h），监测时段河段平均流量约为5 310 m3/s，平均水位约为152 m。直接填埋处理将会对采砂坑内鱼类的生存产生严重的影响，如何对采砂坑进行整治，既达到工程整治目标又尽可能地减小对生态环境的影响成为了需要解决的问题。

2 三维水温模型构建与验证

2.1 数学方程

MIKE 3使用的数学模型本质是雷诺平均化的N-S方程，但在此基础上考虑了紊流影响以及密度变化，包含了质量守恒、动量守恒等方面。本次研究中涉及到以下两个主要方程。

盐度及温度平衡方程：

1ρC2spt+ujxj=SS（1）

温度对流扩散方程：

Tt+xjTuj=xjDTTxj+SS（2）

式中：ρ为水的密度;CS为海水中声音的传播速度;uj为xj方向的速度分量;p为压力;T指温度;DT指相关的温度扩散系数;t指时间;SS指各自的源汇项（每个方程的均不相同） [16]。

2.2 模型参数

此次研究基于MIKE 3的水动力模块，所采用的是非结构化的三角化网格，垂向网格均匀划分为10层，模拟河段长约3 km，共有27 711个网格，最大基本单元设置为100 m2，最小允许角度为30°，最大节点个数为106个，时间步长为60 s，步长个数为1 440个，总模拟时间为24 h。

模型中输入的参数有开边界处的地形、温度条件、气温条件、水位分布。地形数据来源于实测地形图所提取的高程点数据，水温设置为冬季5 ℃、夏季20 ℃;气温设置为冬季4 ℃、夏季38 ℃且不随时间和空间变化;流量冬季模拟取2019年1月6日平均流量5 310 m3/s，水位取实测水位173.9 m，夏季模擬取2018年汛期平均流量29 000 m3/s，水位取183.0 m;流场则设置为静止状态，同时进出口边界的水位、水温、水深、流速均设置为不随时间和空间变化。

此次研究的洛碛采砂坑长约1.2 km，具体地形如图1所示。模拟完成后，在非采砂坑区域取点1和点2数据进行水温模拟结果分析。

2.3 模型验证

模拟完成后，提取采砂坑内监测点数据与实测值进行可靠性验证。洛碛采砂坑的计算值与实测值拟合关系如图2所示。从图2可以看出，计算值与实测值吻合较好。同时洛碛采砂坑呈现出典型的深水分层特征，存在明显的温跃层。将洛碛采砂坑垂向水温的计算值与实测值进行对比分析可知，本文所采用的三维模型能准确模拟出洛碛采砂坑的水温结构演变过程，该模型具有较高的准确性与实用性。

3 水温模拟结果分析

邻近区域非采砂坑环境的水温模拟结果（即水温随水深变化关系）如图3～4所示。非采砂坑环境中，冬季工况下洛碛河段水温随水深增加而增加，在夏季工况下，洛碛河段水温随水深的增加而减小。一开始水深不大时，水温随水深急剧变化，到达某一深度后，水温随水深变化速率减小。虽然存在温度分层现象，但水温没有二次分层的情况，并不能看出明显的温跃层。同时非采砂坑环境下水温随水深的变化关系与时间无明显关系，温度分层的现象并不随模拟时间增加存在明显变化，水温随水深的变化关系接近一次函数。对于同一点来说，随着水深的变化，温度的变化范围较大。但从总体来说，温度的变化范围与采砂坑区域数据相比较小。

非采砂坑断面温度分布如图5所示，两种工况下水温在断面上均呈分层分布，冬季工况下水温由上至下非线性逐渐递增，夏季工况下水温由上至下非线性逐渐递减。两种工况下水体均为上部分层密集，下部分层趋向稀疏，但是并未出现明显的温跃层。其中冬季断面取（397 090，3 269 714）至（398 131，3 289 473），夏季断面取（397 098，3 289 701）至（398 140，3 289 540）。

采砂坑环境下的水温模拟结果如图6～7所示，4个点水温随水深变化对比如图8所示。可以看出：采砂坑水体水温变化趋势大体与非采砂坑水体一致，均为冬季工况下水温随水深的增加而增加，夏季工况下水温随水深的增加而减小。两种工况下采砂坑表层水体均会接收太阳辐射并与大气接触传导热量[17]，因而采砂坑表层水温接近大气温度，冬季工况下水温较低，夏季工况下水温较高。冬季工况下随着水深的增加，水体散失热量减少，其水温大幅增加[18]，而夏季工况下随着水深的增加，水体传递热量减少，其水温大幅降低。但与非采砂坑环境不同的是水温随水深变化的速率——即一开始水深不大时，水温随水深急剧变化，到达某一深度后，水温随水深变化速率减小。与非采砂坑环境水温随水深的变化关系接近一次函数不同，采砂坑环境下水温随水深的变化关系更接近二次函数曲线。采砂坑环境下的水体存在明显的温跃层，同时还存在水温二次分层的现象。从水温随水深变化的范围来看，采砂坑环境下的水体水温变化范围较非采砂坑环境下的水体更大。由于不同的鱼类适宜生长的水温存在一定差异，而一定程度上更大的水温变化范围可以为鱼类提供更多的选择，有利于鱼类的生存。

采砂坑断面温度分布如图9所示，其中冬季断面取（397 165，3 290 531）至（398 401，3 290 087），夏季断面取（397 065，3 290 340）至（398 327，3 289 838）。水温在断面上呈分层分布，冬季工况下水温由上至下非线性逐渐递增，夏季工况下水温由上至下非线性逐渐递减，与温度分层型水库有一定的可比性[19-21]。两种工况下水体均为上部分层密集，下部分层趋向稀疏，温跃层较为明显。由图9（b）可知，在一定程度上深度更大（即深坑特征更为明显）的区域，水温分层情况更为复杂，不仅在垂向上存在分层情况，同时在水平方向上也存在分层情况。同时采砂坑水体在断面上的温度分层情况较非采砂坑水体更为密集明显。将采砂坑与非采砂坑水体进行横向对比，可以看出在垂向断面上，相同水温下的采砂坑水体面积高于非采砂坑水体（即同一水温的水体体积，采砂坑水体较非采砂坑水体更大），而更大空间的恒温水体在一定程度上能为鱼类提供更好的生存环境。

研究区域整体平面温度分布如图10～13所示，水温在平面上呈不均匀分布。同时将采砂坑区域与非采砂坑区域进行对比可以看出，在平面水温分布上，围绕深坑区域，水温呈现明显差异，冬季工况下相同分层的采砂坑区域水温明显高于非采砂坑区域，而夏季工况下相同分层的采砂坑区域水温明显低于非采砂坑区域。

4 结 论

本文结合洛碛地区的自然地理位置、主要气候条件，采用MIKE 3水动力模块建立了采砂坑三维水温模型。对洛碛采砂坑区域的三维水温结构进行两种工况下的数值模拟，并利用实测数据对模拟数据进行可靠性验证，分析了采砂坑环境三维水温结构的特点及其与非采砂坑环境三维水温结构的异同。

（1） 洛碛采砂坑水体为典型水温分层水体，可参照温度分层型水库。从模型的模拟结果来看，本文所建立的洛碛采砂坑三维水温结构模型能够明显地表现出采砂坑水体的水温分层特征，同时也能够较好地模拟出水温分层的水深及温跃层的位置，与实测数据有较好的拟合结果。

（2） 从采砂坑流场的模拟与实测温度数据可以看出，垂向上采砂坑水体水温变化区间相对更大，采砂坑内温度数值较为恒定。同一深度上采砂坑水体水温与非采砂坑水体相比，冬季工况下采砂坑内水体的水温数值更高，夏季工况下采砂坑内水体的水温数值较低，同时采砂坑水体水温数值较为稳定。

（3） 本次研究虽然利用MIKE 3的水动力模块对洛碛采砂坑区域的三维水温结构进行数值模拟，并在数据验证后进行采砂坑环境与非采砂坑环境三维水温结构的比较分析，探究采砂坑三维水温结构的特点，但影响模型模拟准确性的因素除文中考虑到的之外还有许多，如科氏力、水质等，同时该模型的应用仍有待扩展，关于这些问题将在后續研究中加以讨论。

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（编辑：胡旭东）

3D numerical simulation for water temperature in sand mining pit in Luoqi

waterway of Upper Yangtze River

FAN Yuqi1，LI Wenjie1，2，DAI Zhuo1，YANG Wei2，YANG Shengfa2

（1.Key Laboratory of Ministry of Education for Hydraulic and Water Transport Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China; 2.National Inland Waterway Improvement Engineering Research Center，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：

Sand mining pit is a common problem in waterway regulation，which is not only adverse to waterway transportation，but also has a certain impact on fish habitat.In this paper，the 3D water temperature structure of mining pit area in the Luoqi waterway was simulated by using the hydrodynamic module of MIKE 3 software under summer and winter condition.The reliability of this model was verified by measured data at two monitoring points in the sand mining pit.The temperatures in non-sand mining pits of adjacent area were simulated，and its water temperature structure was analyzed.At the same time，the simulation results of the sand mining pit environment and the non-sand mining pit environment were compared and analyzed to explore the similarities and differences of their water temperature structure.The results showed that the water temperature in vertical profile changed little in the sand mining pit，almost a constant.In the plane，the water temperature in the sand mining pit was higher than that in the non-sand mining pit in winter，and it was lower in summer.This model can well simulate the change process and trend of water temperature in sand mining pits，and has good practicability and effectiveness.The research results can provide certain reference for the selection of waterway regulation scheme and the fish habitat protection in the Yangtze River.

Key words：

sand mining pit;water temperature structure;;waterway regulation;fish habitat;numerical simulation