基于MIKE11的長江上游一維水動力學模型研究

摘 要：金沙江下游梯級水電站的建設，對長江上游珍稀特有魚類保護區內魚類的繁殖生境產生巨大影響。文章運用MIKE11軟件構建了長江上游宜賓-朱沱江段一維水動力模型，并利用2007年日序列水文站水文數據進行參數率定，結果表明，模型在率定和驗證期模擬效果良好。利用模型輸出結果對建模江段的水動力特征進行評價，以期為保護區魚類棲息地研究和保護提依據。

關鍵詞：長江上游；MIKE11；水動力模型；水動力特征評價

1 研究背景

長江上游珍稀特有魚類保護區始建于1994年，最早為宜賓市珍稀魚類保護區，2000年經國務院批準晉升為國家級保護區。2005年，由于金沙江一期工程范圍涉及保護區核心區，故對保護區進行了范圍和功能區調整，并更名為“長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區”。保護區具體范圍：由向家壩開始，下游延伸至重慶松溉溪，支流赤水河干流和部分支流、岷江下游和越溪河支流，以及南廣河、長寧河、沱江和永寧河河口區河段。其中長江干流部分長364.56km；赤水河干支流628.23km，其中干流436.5km，上游河源支流191.73km；納入保護區的其它長江一級支流總長度為147.32km （包括岷江、沱江、南廣河、永寧河、長寧河）（見圖1）。主要保護對象包括白鱘、達氏鱘、胭脂魚三種珍稀魚類和圓口銅魚、裂腹魚、白甲魚等66種特有魚類，占長江特有魚類的44%，具有生物多樣性的典型代表意義。

水庫大壩的修建將河流攔腰截斷，大壩尤其是梯級電站聯合運營后巨大的調度功能對河流的徑流起到巨大的調節作用，改變了下游天然的水文循環和泥沙輸送過程。水沙變異破壞了河流原有的平衡，引起下游河道河床演變：河道沖刷、河床粗化、河床整體下切、灘槽演化、側向沖蝕和河道擺動等。而河床地形是決定魚類產卵場條件和水文條件的首要因素，河床形態決定了流速場特征，影響著流速，并在某種程度上決定水流對河床的沖刷進而影響著河床質的組成。因此，對保護區江段進行一維水動力模擬，能夠為分析河床演變對保護區典型魚類生境的影響提供依據，也能為今后進行局部江段二維、三維模擬提供給邊界條件。

圖1 長江上游保護區調整后功能區劃圖[1]

2 MIKE11一維水動力模型

2.1 模型原理及基本方程

MIKE11水動力（HD）模型包含Muskingum和Muskingum-Cunge方法用于簡化的河道演算，可自動匹配次臨界流和超臨界流計算，可模擬多種水工建筑物的操作。一維水動力模型的基本方程采用Saint-Venant方程組，其離散采用Abbott六點隱式格式，可在相當大的Courant數下保持計算穩定。其數值計算采用傳統的追趕法，該離散格式在每一個網格點并不同時計算水位和流量，而是按順序交替計算[2]。

MIKE11一維水動力模型控制方程如下：

式中，Q為流量（m3/s）；A為過水斷面面積（m2）；q為區間入流或分流量（m2/s）；？琢為動量分布系數；h為水位；C為謝才系數；R為水力半徑。

2.2 計算區域與斷面提取

根據收集到的地形資料，為長江上游水文水資源勘測局2005年1月全站儀配合電子平板數字化測圖，采用1954年北京坐標系，1985年國家高程基準，等高距為5.0m。地形資料比例尺為1：5000，斷面間距約為100m，每個斷面上測點間距約為40m。數據范圍從保護區上游的宜賓（岷江入口處）至朱沱約234km江段。斷面的提取位置參考危起偉通過考察所確定的107處產卵場中心坐標[3]，通過對第二章所確定的代表性魚類的產卵場中心點坐標進行統計，共獲取30個代表性魚類產卵場中心坐標。其余斷面的間距約為1km，其中在彎道、江心洲處斷面適當加密；在無產卵場的順直微彎河道，斷面剖面較為相似，故所選間距較大，一般間距為1.5km左右；而在支流入匯和有水文站點的地方均設斷面。最終在宜賓-朱沱江段選取183個斷面。

考慮到設定的上游邊界水文站為屏山站，而且屏山-宜賓江段長約65km的河道為金沙江下游深切河曲，氣候、地形條件幾乎未改變，故通過搜集到的60年代數字化的航道圖，通過tecplot生成2D圖形，然后切剖面獲得了31個斷面。

故一維模型的計算區域為屏山-朱沱江段，長約298.125km。共設立214個斷面。

2.3 邊界條件

上邊界選擇屏山水文站，采用屏山水文站的日流量過程；下邊界選擇朱沱水位站，采用朱沱水位站的日水位過程。中間支流入匯以“點源”計，綜合考慮各支流徑流量大小、洪水特點及支流洪水與干流洪水的關系，以及實測水文資料的限制，設置橫江、岷江、南廣河、沱江、赤水河五條支流入匯。在研究河段分布有若干水文站，除上邊界屏山水文站和下邊界朱沱水位站，中間還有宜賓水位站、李莊水位站、瀘州水位站和合江水位站四個水位站點。模型邊界及水文站點、支流入匯里程表見表1。

表1 模型邊界及水文站點、支流入匯里程表

2.4 模型率定與驗證

文章中MIKE11水動力模型的率定主要是通過對河床糙率（Bed Resiet）n進行調參。文章通過對收集干流水文站的水文數據進行整理，并對相應支流的實測水文資料提相應的日平均流量過程。對水動力學數學模型采用數據最全的2007年的實測日平均水位流量過程進行率定。

將支流的入匯視為點源處理時，由于已搜集到2007年五條支流匯入干流前各自的控制水文站的實測日平均流量過程，因此直接使用該流量過程為源項。率定后計算得到的水位及流量過程和實測資料符合較好。

對河道一維數學模型而言，對模型的率定主要是率定河道阻力，或者說是河道的沿程水位。對2007年的流量過程進行的數值模擬表明，洪水期和枯水期河道具有不同的糙率，一般洪水期河道糙率較小而枯水期河道糙率較大。枯水位的高低對珍稀水生動物保護十分重要。為使數學模型能統一適用于洪水期和枯水期，在進行模型率定時，利用MIKE11軟件的功能，將每一過水斷面沿水深方向分為三個部分，從下往上糙率逐步減小。采用以上處理后使用2007年金沙江干流徑流過程，從下游往上游對數學模型進行分段率定。結果表明：屏山～宜賓河段河道糙率一般大于0.058；宜賓～瀘州河段糙率一般大于0.046；瀘州～朱沱河段糙率一般大于0.035。

圖2為長江干流相應水文站的計算水位和實測資料的比較。從圖可知，在合江和李莊站計算得到的水位和實測結果符合均較好；在宜賓和瀘州站，非汛期水位符合較好，而汛期的計算結果和實測結果有一定差別，差別主要出現在幾次洪峰值，計算得到的水位略高。這可能與支流入匯有關，瀘州和宜賓分別對應沱江和岷江入匯，而這兩個支流入匯的控制站均離入匯口有一定距離，所套用的水位流量關系存在相對誤差。

總體上看，文章建立的水動力學數學模型經率定后，模擬得到的水位實測資料符合較好，本模型用于本河段的水動力學模擬是可靠的。

3 數據分析

3.1 深泓線

河道中生物的多樣性的維持、水生動物的生活和繁衍均需要河道內流量和水位保持一定的變幅。流量的改變導致水位變化，水流流速和河寬（近岸區域）也會隨之變化。水位的變幅是影響水生生態系統生物多樣性的重要因素。圖3給出了數值模擬得到的長江上游宜賓-朱沱江段深泓線及在2007年沿程所能達到的最高和最低水位。

圖3 長江上游宜賓-朱沱江段深泓線及最高最低水位示意圖

3.2 斷面平均流速

河道水流的流速，尤其是魚類繁殖期間的流速對魚類生活十分重要。宜賓-朱沱江段位于長江上游保護區內，是眾多珍稀、特有魚類的重要棲息地。其中，四大家魚魚卵安全漂浮所需最小斷面平均流速約為0.25m/s[4]；達氏鱘的產卵場位置一般在主河道的礫石灘上，流速1.2-1.5m/s[5]。因此，獲取斷面的平均流速對于分析保護區內魚類棲息地特征具有重要意義。保護區內產粘沉性卵魚類產卵期一般在3-4月，產漂流性卵魚類產卵期一般在5-6月為產卵高峰期。文章通過對2007年不同產卵類型的魚類產卵期的斷面平均流速進行統計，以10km的江段為單位，計算得到了各江段在不同產卵期的斷面平均流速（圖4）。

圖4 長江上游宜賓-朱沱江不同產卵期斷面平均流速

3.3 斷面平均河寬

河寬體現了某個特定流量下的斷面寬度，而不同水位下的河寬隨著斷面的形態有著不同的變化趨勢，也反映了斷面近岸區的分布范圍。河流近岸區是河流靠近岸邊、水深相對較淺、流速相對較小、水溫、光照、水生生物分布都有其特性的水域。產粘性卵魚類的繁殖往往在近岸區，而魚類早期發育階段幼魚的索餌往往也在近岸區，成魚的索餌場也往往在近岸區，近岸區可與河流生態系統的若干關鍵過程建立起聯系。分析斷面不同時期斷面平均河寬有助于對近岸區的研究提供一定借鑒意義。圖5為研究區域不同產卵期斷面平均河寬。

圖5 長江上游宜賓-朱沱江不同產卵期斷面平均河寬

4 結束語

文章建立了長江上游保護區宜賓-朱沱江段一維水動力學模型，并對模型進行了率定和驗證，結果表明，模型模擬得到的水位實測資料符合較好，本模型用于本河段的水動力學模擬是可靠的。通過對河段內深泓線、斷面平均流速、斷面平均河寬進行分析，為進行保護區內魚類棲息地生境特征的研究提供了依據和基礎。

參考文獻

[1]中華人民共和國農業部.長江上游珍稀、特有魚類國家級自然保護區綜合考察報告[R].北京：中華人民共和國農業部，2004.

[2]徐祖信，盧士強，林衛青.蘇州河干流防洪水位的數值計算[J].河海大學學報（自然科學版）2006，34（2）.

[3]危起偉.長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區科學考察報告[R].北京：科學出版社，2012.

[4]唐明英，黃德林.草，青，鰱，鳙魚卵水力學特性試驗及其在三峽庫區孵化條件初步預測[J].水利漁業，1989（4）：26-30.

[5]四川省長江水產資源調查組.長江鱘魚類生物學及人工繁殖研究[M].四川科技出版社，1988.

作者簡介：閆龍（1987-），男，湖北襄陽人，碩士研究生，主要從事生態水力學研究。