生态丁坝在齐口裂腹鱼产卵场修复中的应用
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收稿日期： 2013 － 09 － 17 基金项目： 四川省科技厅科技支撑资助项目 （ 2012SZ0044 ）
配， 甚至只有在水流达到一定混乱程度才会刺激交 ［1 ］ ［2 ］ 配行为的产生 。 Biggs 等 在进行河流中附着生 物的研究时， 认为流速梯度在营养物质的掺混中有 ［3 ］ 重要作用。 Hayes 和 Jowett 指出流速梯度是鱼类 进食位置的重要特征。而弗汝德数表征流体运动中 重力作用和惯性作用相对大小的无量纲数 ， 可用来 判别水流的流态。 齐口裂腹鱼 （ Schizothorax prenanti ） 是中国特 有 的重要冷水性经济鱼类 ， 主要分布于中国长江上
2 U V （ 10 ） + U + V + 2 x y y x ε2 与 ε3 为自定义系数， 用于 ε1 默认值为 0 ， 式中： ε1 、 描述方程 （ 10 ） 中第 2 项不能描述的流量； 合理 ε1
(
H （ U2 + V2 ） + Cs
(
)
)
值， 可以通过式（ 10 ） 中的第 2 项使用平均流量条件 下（ 平均流量的深度和平均速度） 计算得到。
Abstract： By using depthaveraged twodimensional hydrodynamic model to simulate water depth and velocity distribution under different flow rates around Lshape and orthogonal shape ecological spur dikes，and drawing characteristic of its flow field， the impact range was acquired on setting spur dikes around Schizothorax Prenanti spawning ground． Based on Schizothorax Prenanti suitability curves， WUA value can be got from repairing river． Ｒesearch results showed that Lshape and orthogonal shape ecological spur dikes， the ratio of its body length to river width kept between 0． 25 and 0． 33 and the ratio of its head length to the length stayed between 0． 20 and 0． 25 ， staggered in the river， which can create a suitable flow pattern and satisfy the hydraulic characteristics of Schizothorax Prenanti spawning and increase WUA value． After the rehabilitation measures were carried out， the hydraulic condition similarity was high． Key words： Schizothorax Prenanti； hydraulic habitat； Lshape； orthogonal shape ecological spur dike
(
)
(
)
（ 2）
1． 4
基本假定及模型求解
假定垂向压强符合静水压强分布， 水深方向的 ， 水平流速为常数 同时忽略了科氏力和风应力， 河岸 采用动边界方式。 为灵活处理复杂边界条件， 数字 求解采用三角形网格， 通过流线迎风伽辽金加权残
Y 方向动量方程： q y g H + （ Uq y ） + （ Vq y ） + = 2 y x t y gH（ S oy － S fy ） + 1 1 （ Hτ yx ） + （ Hτ yy ） ρ y ρ y （ 3）
摘
模拟不同流量下生态丁坝附近水流沿纵向和横向的水深 、 流速等分布规 要： 通过水深平均 2 维水动力学模型，
律， 绘制 L 形及正交情况下生态丁坝其周围流场特征 ， 研究生态丁坝对齐口裂腹鱼产卵场水力生境的影响范围 ； 根 WUA ） 值。 研究 据齐口裂腹鱼适宜性曲线 ， 得到一定流量下研究河段的权重栖地可使用面积 （ weighted usable area， 成果表明： 长度与稳定河宽之比介于 0． 25 至 0． 33 之间， 而坝头与坝长之比介于 0． 20 至 0． 25 范围之内的 L 形及正 交生态丁坝， 交错放置于河道中， 可以营造出合适的水流流态 ， 使其满足齐口裂腹鱼产卵的水力特性 ， 增加 WUA 值； 修复后的产卵场水力生境与天然产卵场的水力生境相似度高 。 关键词： 齐口裂腹鱼； 水力生境； L 形； 正交生态丁坝 中图分类号： TV13 文献标志码： A
1 /2
。目
U
1 /2
（ 4） （ 5）
前， 国内外针对齐口裂腹鱼产卵场修复研究 ， 一些学 ［5 ］ 者主要采用对河道开挖的方式修复产卵场 。 生 态丁坝作为鱼类产卵场的水力生境修复措施之一 ， 但国内外对此研究甚少。生态丁坝或生态丁坝群修 建后， 使附近的局部流态发生变化， 会产生如分离 流、 旋转 流、 曲 线 剪 切 层、 高紊动强度等水流现 象
2
2． 1
修复方案及效果
河道现状分析及其评估
齐口裂腹鱼的产卵时段主要在 4 月份。根据河 数值模拟福堂修建大坝前后 道地形（ 如图 1 所示） ，
第3 期
刘明洋， 等： 生态丁坝在齐口裂腹鱼产卵场修复中的应用
39
下游河段在产卵月份的流场以及分析适宜齐口裂腹 鱼栖息地面积分布， 从图 2 至图 5 容易发现： 天然情 况下， 河道较宽， 流速较大， 急、 缓流生境交替出现， 权重栖地可使用面积 （ WUA ） 值较大； 大坝修建后， 因在齐口裂腹鱼产卵时段下泄流量较小 ， 流速随之 减小， 致使下游河段过水面积狭窄， 水深变浅， 急流
主要在于 鱼类生境研究中最敏感的是产卵场， 鱼类产卵依靠某种特定的水力学条件， 不同鱼类产 卵场水力条件也各不相同。 鱼类学研究表明， 齐口 裂腹鱼属于沉性鱼卵， 水深过大会引起水体压强增 大， 不利于其鱼卵的孵化和仔鱼的生长。 适当的流 速能刺激鱼类产卵， 同时为鱼类的性腺发育需要充 足的溶氧。流速梯度可用来描绘流速的空间变化， 反映水流的复杂程度。 对于体外受精的鱼类， 在繁 殖过程中通常选择水流混乱程度较高的水域进行交
生境基本消失殆尽； 由于齐口裂腹鱼的产卵区主要 分布在水深适宜， 急、 缓流交替出现的区域， 故在修 建福堂大坝后， 权重栖地可使用面积 （ WUA ） 值较修 建前激剧减少（ 注： 图中外线为河道轮廓线， 内线为 水面边界线） 。
场水力学条件。因此， 作者采用在河道中布置 L 形 及其正交生态丁坝， 以岷江福堂坝下游河段为例， 对 齐口裂腹鱼产卵场水力生境进行修复研究 。 修复 后， 利用 Vague 集对齐口裂腹鱼产卵场水力生境的 上述指标进行评估， 为类似工程条件的河段产卵场 修复提供借鉴。
n 为糙率。 式中， 1． 3 水平剪切应力模型 水深方向平均的横向紊动剪切力表达式如下 ： V U （ 9） τ xy = ν t + y x
1
1． 1
数学模型
控制方程 采用水深平均 2 维水动力学模型
［7 － 9 ］
(
)
， 控制方
， 由常数、 河床剪力产生项 及横向剪力产生项组成。 其中， ν t 为涡粘系数 ν t = ε1 + ε2 + ε3 H 2
2 2
［8 － 9 ］
程如下： 连续方程： H q x q y + + = 0 x y t X 方向动量方程： q x g H 2 + （ Uq x ） + （ Vq x ） + = 2 x x t y gH（ S ox － S fx ） + 1 1 ( ) + （ Hτ xy ） ρ x Hτ xx ρ y （ 1）
2
(
)
(
)
差隐格式有限元法求解 况下求解的稳定性。
［10 － 11 ］
， 保证在所有的流动情
修复河段位于福堂坝下游绵篪， 河道长约 3 965 m， 河宽 24 ～ 97 在 4 月份天然流量为 151 m / s， m， 入口水位 1 246． 99 m， 出口水位 1 235． 15 m； 修 3 河宽 19 ～ 建大坝后， 下泄生态基流量为 28． 8 m / s， 86 m， 入口水位 1 245． 29 m， 出口水位 1 233． 86 m。
第 46 卷
游的金沙江、 岷江、 大渡河等西南山区河流中。由于 水电开发改变了天然的水文过程， 致使鱼类水力生 境改变， 造成鱼类的产卵场锐减甚至消失
［4 ］
如下： S fx = S fy = τ bx （ U2 + V2 ） = ρgH gHC2 s τ by （ U2 + V2 ） = ρgH gHC2 s
第 46 卷 第 3 期 2014 年 5 月
四川大学学报（ 工程科学版）
JOUＲNAL OF SICHUAN UNIVEＲSITY （ ENGINEEＲING SCIENCE EDITION）
Vol． 46 No． 3 May 2014
［6源自文库］
V
C s 参数受边界的有效粗糙高度 K s 和水深 H 的 其中， 影响： C s = 5 ． 75lg（ 12 H / k s ） K s 可如下表示： K s = 12 H / e m 而 m 可表述为： m = H1 / 2 2 ． 5 ng1 / 2 （ 8） （ 7） （ 6）
， 从而营造出新的产卵场或者修复受损的产卵
3087 （ 2014 ） 03003707 文章编号： 1009-
生态丁坝在齐口裂腹鱼产卵场修复中的应用
1 刘明洋 ， 李 1* 永 ， 王 1 2 锐， 陈明千 ， 李
嘉
1
（ 1． 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 ， 四川 成都 610065 ； 2． 四川省环境工程评估中心， 四川 成都 610017 ）
mail： myliu86@ yeah． net 男， 博士生． 研究方向： 环境水力学及水污染控制． E作者简介： 刘明洋（ 1986 —） ， * 通信联系人 Email： li_yong@ scu． edu． cn
http： / / jsuese． scu． edu． cn
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四川大学学报（ 工程科学版）
Application of Ecological Spur Dike Ｒepairing Schizothorax Prenanti Spawning Ground
LIU Mingyang1 ， LI Yong1* ， WANG Ｒui1 ， CHEN Mingqian2 ， LI Jia1
（ 1． State Key Lab． of Hydraulics and Mountain Ｒiver Eng． ， Sichuan Univ． ， Chengdu 610065 ， China； 2． Sichuan Environment ＆ Eng． Appraisal Center， Chengdu 610017 ， China）
V 分别为 x、 y 方向平均 其中： H 为水流平均深度； U、 q y 分别为 x、 y 方向单位宽度的流量； g 为重 速度； q x 、 S oy 分别为 z、 y 方向 ρ 为水流的密度； S ox 、 力加速度， S fy 分 别 为 相 应 的 摩 擦 阻 力； τ xx 、 河床坡度； S fx 、 τ yy 、 τ xy 与 τ yx 为相应的水平剪切应力。 1． 2 河床阻力模型 河床阻力由河床剪力决定， 而河床剪力与水深 方向的平均流速有关。x 和 y 方向的河床阻力公式
配， 甚至只有在水流达到一定混乱程度才会刺激交 ［1 ］ ［2 ］ 配行为的产生 。 Biggs 等 在进行河流中附着生 物的研究时， 认为流速梯度在营养物质的掺混中有 ［3 ］ 重要作用。 Hayes 和 Jowett 指出流速梯度是鱼类 进食位置的重要特征。而弗汝德数表征流体运动中 重力作用和惯性作用相对大小的无量纲数 ， 可用来 判别水流的流态。 齐口裂腹鱼 （ Schizothorax prenanti ） 是中国特 有 的重要冷水性经济鱼类 ， 主要分布于中国长江上
2 U V （ 10 ） + U + V + 2 x y y x ε2 与 ε3 为自定义系数， 用于 ε1 默认值为 0 ， 式中： ε1 、 描述方程 （ 10 ） 中第 2 项不能描述的流量； 合理 ε1
(
H （ U2 + V2 ） + Cs
(
)
)
值， 可以通过式（ 10 ） 中的第 2 项使用平均流量条件 下（ 平均流量的深度和平均速度） 计算得到。
Abstract： By using depthaveraged twodimensional hydrodynamic model to simulate water depth and velocity distribution under different flow rates around Lshape and orthogonal shape ecological spur dikes，and drawing characteristic of its flow field， the impact range was acquired on setting spur dikes around Schizothorax Prenanti spawning ground． Based on Schizothorax Prenanti suitability curves， WUA value can be got from repairing river． Ｒesearch results showed that Lshape and orthogonal shape ecological spur dikes， the ratio of its body length to river width kept between 0． 25 and 0． 33 and the ratio of its head length to the length stayed between 0． 20 and 0． 25 ， staggered in the river， which can create a suitable flow pattern and satisfy the hydraulic characteristics of Schizothorax Prenanti spawning and increase WUA value． After the rehabilitation measures were carried out， the hydraulic condition similarity was high． Key words： Schizothorax Prenanti； hydraulic habitat； Lshape； orthogonal shape ecological spur dike
(
)
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)
（ 2）
1． 4
基本假定及模型求解
假定垂向压强符合静水压强分布， 水深方向的 ， 水平流速为常数 同时忽略了科氏力和风应力， 河岸 采用动边界方式。 为灵活处理复杂边界条件， 数字 求解采用三角形网格， 通过流线迎风伽辽金加权残
Y 方向动量方程： q y g H + （ Uq y ） + （ Vq y ） + = 2 y x t y gH（ S oy － S fy ） + 1 1 （ Hτ yx ） + （ Hτ yy ） ρ y ρ y （ 3）
摘
模拟不同流量下生态丁坝附近水流沿纵向和横向的水深 、 流速等分布规 要： 通过水深平均 2 维水动力学模型，
律， 绘制 L 形及正交情况下生态丁坝其周围流场特征 ， 研究生态丁坝对齐口裂腹鱼产卵场水力生境的影响范围 ； 根 WUA ） 值。 研究 据齐口裂腹鱼适宜性曲线 ， 得到一定流量下研究河段的权重栖地可使用面积 （ weighted usable area， 成果表明： 长度与稳定河宽之比介于 0． 25 至 0． 33 之间， 而坝头与坝长之比介于 0． 20 至 0． 25 范围之内的 L 形及正 交生态丁坝， 交错放置于河道中， 可以营造出合适的水流流态 ， 使其满足齐口裂腹鱼产卵的水力特性 ， 增加 WUA 值； 修复后的产卵场水力生境与天然产卵场的水力生境相似度高 。 关键词： 齐口裂腹鱼； 水力生境； L 形； 正交生态丁坝 中图分类号： TV13 文献标志码： A
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。目
U
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（ 4） （ 5）
前， 国内外针对齐口裂腹鱼产卵场修复研究 ， 一些学 ［5 ］ 者主要采用对河道开挖的方式修复产卵场 。 生 态丁坝作为鱼类产卵场的水力生境修复措施之一 ， 但国内外对此研究甚少。生态丁坝或生态丁坝群修 建后， 使附近的局部流态发生变化， 会产生如分离 流、 旋转 流、 曲 线 剪 切 层、 高紊动强度等水流现 象
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2． 1
修复方案及效果
河道现状分析及其评估
齐口裂腹鱼的产卵时段主要在 4 月份。根据河 数值模拟福堂修建大坝前后 道地形（ 如图 1 所示） ，
第3 期
刘明洋， 等： 生态丁坝在齐口裂腹鱼产卵场修复中的应用
39
下游河段在产卵月份的流场以及分析适宜齐口裂腹 鱼栖息地面积分布， 从图 2 至图 5 容易发现： 天然情 况下， 河道较宽， 流速较大， 急、 缓流生境交替出现， 权重栖地可使用面积 （ WUA ） 值较大； 大坝修建后， 因在齐口裂腹鱼产卵时段下泄流量较小 ， 流速随之 减小， 致使下游河段过水面积狭窄， 水深变浅， 急流
主要在于 鱼类生境研究中最敏感的是产卵场， 鱼类产卵依靠某种特定的水力学条件， 不同鱼类产 卵场水力条件也各不相同。 鱼类学研究表明， 齐口 裂腹鱼属于沉性鱼卵， 水深过大会引起水体压强增 大， 不利于其鱼卵的孵化和仔鱼的生长。 适当的流 速能刺激鱼类产卵， 同时为鱼类的性腺发育需要充 足的溶氧。流速梯度可用来描绘流速的空间变化， 反映水流的复杂程度。 对于体外受精的鱼类， 在繁 殖过程中通常选择水流混乱程度较高的水域进行交
生境基本消失殆尽； 由于齐口裂腹鱼的产卵区主要 分布在水深适宜， 急、 缓流交替出现的区域， 故在修 建福堂大坝后， 权重栖地可使用面积 （ WUA ） 值较修 建前激剧减少（ 注： 图中外线为河道轮廓线， 内线为 水面边界线） 。
场水力学条件。因此， 作者采用在河道中布置 L 形 及其正交生态丁坝， 以岷江福堂坝下游河段为例， 对 齐口裂腹鱼产卵场水力生境进行修复研究 。 修复 后， 利用 Vague 集对齐口裂腹鱼产卵场水力生境的 上述指标进行评估， 为类似工程条件的河段产卵场 修复提供借鉴。
n 为糙率。 式中， 1． 3 水平剪切应力模型 水深方向平均的横向紊动剪切力表达式如下 ： V U （ 9） τ xy = ν t + y x
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1． 1
数学模型
控制方程 采用水深平均 2 维水动力学模型
［7 － 9 ］
(
)
， 控制方
， 由常数、 河床剪力产生项 及横向剪力产生项组成。 其中， ν t 为涡粘系数 ν t = ε1 + ε2 + ε3 H 2
2 2
［8 － 9 ］
程如下： 连续方程： H q x q y + + = 0 x y t X 方向动量方程： q x g H 2 + （ Uq x ） + （ Vq x ） + = 2 x x t y gH（ S ox － S fx ） + 1 1 ( ) + （ Hτ xy ） ρ x Hτ xx ρ y （ 1）
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(
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(
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差隐格式有限元法求解 况下求解的稳定性。
［10 － 11 ］
， 保证在所有的流动情
修复河段位于福堂坝下游绵篪， 河道长约 3 965 m， 河宽 24 ～ 97 在 4 月份天然流量为 151 m / s， m， 入口水位 1 246． 99 m， 出口水位 1 235． 15 m； 修 3 河宽 19 ～ 建大坝后， 下泄生态基流量为 28． 8 m / s， 86 m， 入口水位 1 245． 29 m， 出口水位 1 233． 86 m。
第 46 卷
游的金沙江、 岷江、 大渡河等西南山区河流中。由于 水电开发改变了天然的水文过程， 致使鱼类水力生 境改变， 造成鱼类的产卵场锐减甚至消失
［4 ］
如下： S fx = S fy = τ bx （ U2 + V2 ） = ρgH gHC2 s τ by （ U2 + V2 ） = ρgH gHC2 s
第 46 卷 第 3 期 2014 年 5 月
四川大学学报（ 工程科学版）
JOUＲNAL OF SICHUAN UNIVEＲSITY （ ENGINEEＲING SCIENCE EDITION）
Vol． 46 No． 3 May 2014
［6源自文库］
V
C s 参数受边界的有效粗糙高度 K s 和水深 H 的 其中， 影响： C s = 5 ． 75lg（ 12 H / k s ） K s 可如下表示： K s = 12 H / e m 而 m 可表述为： m = H1 / 2 2 ． 5 ng1 / 2 （ 8） （ 7） （ 6）
， 从而营造出新的产卵场或者修复受损的产卵
3087 （ 2014 ） 03003707 文章编号： 1009-
生态丁坝在齐口裂腹鱼产卵场修复中的应用
1 刘明洋 ， 李 1* 永 ， 王 1 2 锐， 陈明千 ， 李
嘉
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（ 1． 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 ， 四川 成都 610065 ； 2． 四川省环境工程评估中心， 四川 成都 610017 ）
mail： myliu86@ yeah． net 男， 博士生． 研究方向： 环境水力学及水污染控制． E作者简介： 刘明洋（ 1986 —） ， * 通信联系人 Email： li_yong@ scu． edu． cn
http： / / jsuese． scu． edu． cn
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四川大学学报（ 工程科学版）
Application of Ecological Spur Dike Ｒepairing Schizothorax Prenanti Spawning Ground
LIU Mingyang1 ， LI Yong1* ， WANG Ｒui1 ， CHEN Mingqian2 ， LI Jia1
（ 1． State Key Lab． of Hydraulics and Mountain Ｒiver Eng． ， Sichuan Univ． ， Chengdu 610065 ， China； 2． Sichuan Environment ＆ Eng． Appraisal Center， Chengdu 610017 ， China）
V 分别为 x、 y 方向平均 其中： H 为水流平均深度； U、 q y 分别为 x、 y 方向单位宽度的流量； g 为重 速度； q x 、 S oy 分别为 z、 y 方向 ρ 为水流的密度； S ox 、 力加速度， S fy 分 别 为 相 应 的 摩 擦 阻 力； τ xx 、 河床坡度； S fx 、 τ yy 、 τ xy 与 τ yx 为相应的水平剪切应力。 1． 2 河床阻力模型 河床阻力由河床剪力决定， 而河床剪力与水深 方向的平均流速有关。x 和 y 方向的河床阻力公式