长江上游洛碛航道采砂坑三维水温结构模拟研究

　　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

　　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。

　　推荐阅读：船舶课题研究方向

期刊VIP网，您身边的高端学术顾问

文章名称： 长江上游洛碛航道采砂坑三维水温结构模拟研究

文章地址： http://www.qikanvip.com/jianzhugongcheng/59208.html