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Abstract：Rivers have important functions such as water supply, power generation and climate regulation, which offer an important guarantee for the normal realization of ecological functions. In this paper, the hydrodynamic simulation of the Yangqu River channel was carried out by using the three-dimensional mathematical model, and the changes of water level, velocity and the impact on the fish habitat were analyzed. The results showed that the water level elevation was about 0. 3 m after the construction of Yangqu Reservoir, and the flow rate obviously slowed down. For indigenous fish, the area under the dam may form a spawning ground; the shallow water area in the reservoir will become a new bait farm; and the overwintering field in the main stream will increase.
Keyword：source region of the Yellow River;indigenous fish;three-dimensional mathematical model;hydrodynamic;
黄河源 (东经95°50'—103°30', 北纬32°30'—30°00') 是龙羊峡水库以上, 青藏高原东北部的黄河流域范围, 总面积约13.2万km2[1], 其特殊的地理位置以及脆弱的生态环境形成独特的高海拔河流生态系统。河流生态修复对改善退化河流生态系统具有重要作用[2]。如何维持和发挥现有河流生态系统的服务功能, 修复受损生态系统, 促进河流及其流域的经济、社会和环境可持续发展已成为一个全球性的问题[3]。河流生态修复的总体目标是恢复河流系统健康, 实现河流和人类的和谐发展[4]。
为使河流生态修复有效进行, 需要对河流生态系统进行分析。本文选定黄河上游羊曲天然河道为研究对象, 通过三维数学模型制作地形网格、选定合理参数、处理边界条件等, 搭建了龙羊峡阶梯水库水动力模型, 并对模型进行率定, 核定其水位-库容曲线, 对河道流场进行分析, 最后模拟搭建羊曲水电站建库后的羊曲库区水动力模型。通过分析修建水电站对环境产生的影响, 特别是对鱼类“三场”的影响, 为河流生态的修复提供理论依据和支撑。
1、研究区概况
黄河上游班多—羊曲段地处青海省海南藏族自治州, 位于青海湖以南约100 km。羊曲水电站 (在建) 坝址位于青海省兴海县羊曲乡下游约3 km的峡谷段, 距下游龙羊峡水电站约102 km, 为高原峡谷河道型水库, 具有日调节功能[5,6,7]。河道地形主要为河谷地貌, 河道长度约75 km, 河谷平均宽度40~60 m, 上下落差约118 m, 河道平均比降1.59‰, 河道内水流湍急。
研究区地处内陆高原, 多年平均气温-3.8~4.0℃, 年降水量大多集中在6—9月, 约占全年降水量的75%左右。该地区日照时间长, 温度随着海拔的高程升高而降低, 具有高原气候特点。该地区土着鱼类主要由鲤科裂腹鱼亚科和条鳅亚科鱼类组成, 结构简单且多为高寒地带生活的种类[8]。
2、研究方法
本文通过三维数学模型建立黄河龙羊峡阶梯水库水动力模型, 对库区水动力特性进行研究, 为评估工程建设对周边水域生态环境影响研究提供技术依据。三维数学模型基于三维不可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程解法, 并满足流体静压假定和Boussinesq假定[9,10,11]。模型主要控制方程如下。
水流连续方程:
式中, x、y、z为笛卡尔坐标系;u、v、w分别为x、y、z方向上的速度分量;S表示点源的流量大小。
三维数学模型采用标准k-ε湍流模型来封闭N-S方程求解涡粘系数vt, 公式为:
式中, cμ表示经验常数;k表示单位质量的湍动能 (TKE) ;ε表示湍动耗散率。
其中, 空间离散采用有限体积法来控制, 数值方向采用结构化网格, 水平面采用非结构化网格。三维模型中, 网格单元水平面可以是四边形的砖形体或者是三角形的棱柱。非结构化网格可以光滑处理边界, 还可以对复杂地形提供最优拟合网格。
3、模型搭建
羊曲—班多河段两岸陡峭, 河谷狭长, 羊曲水库为日调节水库, 水库正常库容14.9亿m3, 死库容13.8亿m3。建库后, 对库区水动力模型进行搭建, 库区下游出口为羊曲水电站 (东经100°16'4.00″, 北纬35°42'42.00″) , 库区回水水位延伸至上游约50 km处 (东经100°12'26.12″, 北纬35°20'39.90″) 。
根据羊曲水库水文特征数据, 选取2713~2715 m的水位-库容曲线与模型计算结果比较, 验证模型的可靠性和合理性, 结果如表1所示。由表1可知, 蓄水水位为2713~2715 m时, 模型与实际库容曲线吻合良好, 库容相对偏差百分比可控制在0.2%以内, 能够反映水位与流量的响应关系, 该模型合理可靠。
表1 羊曲水库水位-库容曲线率定结果
4、结果与分析
模型边界条件上游选取多年日平均流量, 下游选取多年日平均水位, 降水和蒸发以及风速均选为多年日均值, 根据河道地形以及气候特点设置相关参数, 模拟得到研究区域流场分布图。
4.1、库区水文特性分析
羊曲水库建库后水位分布如图1所示。可以看出, 7月、10月受黄河上游汛期洪水的影响, 研究区上游入口处维持在较高的水位 (2715 m以上) , 1月和4月黄河上游来水量减少, 上游入口处水位回落 (2714.5~2715 m) 。因受地形因素的影响, 在上游入口处至唐乃亥水文站断面处水位变化幅度较大, 从7月份库区水位变化可以看到, 随着水流移动, 从入口处 (红色部分) 水位逐渐降低 (棕色部分) 到唐乃亥水位站断面 (黄色部分和草绿色部分交界处) , 在唐乃亥水文站断面到羊曲坝前水位保持平稳 (绿色部分) 。1月和4月库区入流量少, 库区水位整体保持平稳 (青色和深蓝色部分) 。
受水电站调度影响, 丰水期9月中旬至10月上旬时间段内水库出现最大蓄水位2715.4 m, 比正常蓄水位高0.4 m;入冬枯水期时间段内, 水库出现最低蓄水位2714.7 m, 比正常蓄水位低0.3 m。库水位围绕2715 m正常蓄水位波动。
图1 羊曲水库建库后水位分布
羊曲水库建库后流速分布如图2所示, 在库区上游入口处和河道狭窄的地方流速较大 (红色、黄色和绿色部分) , 库区宽阔的河面流速较缓 (深蓝色和紫色部分) 。
受水电站调度影响, 与建库前天然河道相比流速明显变缓。9月中旬至10月上旬汛期期间, 库尾及水库中游狭长河谷地带流速稍有增加, 但整体变化不大, 坝前流速基本维持在0.05 m/s以下。
图2 羊曲水库建库后流速分布
4.2、对鱼类栖息地的影响
在水域由河道型变为湖泊型的过程中, 鱼类受到的影响非常明显, 最主要的是被动迁徙。水库在进行蓄水和泄水的过程中, 鱼类原有的产卵场被冲毁, 导致鱼类产卵的水文条件改变, 使鱼类生殖洄游和觅食洄游受阻。
羊曲水电站建成后, 库区河段上鹿圈村产卵场将被淹没, 而坝下龙羊峡库尾回水变动段在龙羊低水位时仍可能形成产卵场。羊曲水电站采取了生态调度的运行方式, 每年4~6月水库不蓄水、电站不进行日调峰运行, 按上游来流量下泄, 保证鱼类产卵季节维持龙羊峡库尾回水变动段水文情势过程, 影响较小。支流大河坝河、巴沟河现有的鱼类产卵场受水库淹没影响, 支流汇入口上移, 但仍然可以保留。
鱼类对索饵场要求不高, 水流较缓的沱、湾处的浅水区均是鱼苗的索饵场, 成鱼索饵场主要在急流浅滩处。水库形成后, 水面扩大、水体加深、水流速度变缓, 水库区有机质沉积增多, 饵料生物将变得更丰富, 库区原有的索饵场将消失, 库区的浅水区将成为鱼类新的索饵场。
鱼类的越冬场通常在主河道中水深的沱或岩石缝隙中, 支流中部分鱼类冬季也会到干流中越冬。由于建库后淹没区面积增加, 库区中的深沱相应增加, 鱼类越冬场的位置可能会发生变化, 干流中适合鱼类越冬的场所将会增加, 被淹没的支流也会由于水位抬升形成新的越冬场。
4.3、模型适用性分析
羊曲河道地处高海拔地区, 河道距离较长, 区域较大, 实施生物监测需要设置多个监测断面, 且要在不同时间段内进行定期观测, 需要耗费较大的人力、物力和财力。建立三维模型对地形资料有一定要求, 非结构化网格可以拟合复杂边界。此外, 水动力模型搭建后, 可以对河段内不同区域、不同时段、不同水文特性等进行模拟, 而无须布设过多监测断面。运用三维数学模型进行模拟, 经过率定, 可以很好地描述河道水动力信息, 通过建立羊曲河道的水动力模型, 分析建库后对库区水文特性和对鱼类的影响, 具有一定的合理性和可靠性。
河流生态修复研究中, 需要将生态学、水力学、水文学等不同学科有机结合, 但是完成不同学科的交叉有一定难度, 而三维数学模型可以提供新的方法和理念。通过数学模型模拟, 一方面可以与实地监测相互补充, 完善不足, 更加充分了解水利工程建设对河道及其水生生物的影响;另一方面, 数学模型模拟可以为河流生态系统健康的识别提供参照生物基准, 对实施流域管理、河流生态修复和管理, 具有重要现实意义和应用价值。
5、结论
本文选定黄河上游班多—羊曲河段为研究对象, 通过三维水动力模型进行水库水动力模拟, 主要得到以下结论:
(1) 水电站的建设对河流径流特征以及水文水动力条件等的改变会影响到河流营养盐的分布。水库形成后, 库区高原土着鱼类的产卵场因流水生境的减少而受到压缩, 向上游河段迁移, 淹没区支流小型产卵场也会随水位上升而向上游河段退缩, 对流水性鱼类的繁殖造成影响。
(2) 水利工程的兴建改变河流的天然水文情势对鱼类的生命周期产生显着影响, 黄河上游土着鱼类资源量减少和栖息地面积减小等生态问题亟待解决。通过构建三维数学模型分析得到的结果作为参考来制定适宜的生态流量, 根据模拟得到的流场变化作为依据确定栖息地的分布范围, 以科学和经验相结合的方式来减缓水利工程建设带来的负面生态效应。
参考文献
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