摘要：采砂坑是航道整治中經(jīng)常會遇到的一個問題，它的存在不利于航道運輸，同時也對魚類生存有著一定影響。利用MIKE 3軟件的水動力模塊對夏季及冬季工況下的長江上游航道洛磧采砂坑區(qū)域三維水溫結(jié)構(gòu)進行模擬，取采砂坑兩監(jiān)測點模擬數(shù)值與實測數(shù)據(jù)驗證了模型的可靠性。取鄰近區(qū)域非采砂坑兩環(huán)境數(shù)據(jù)點分析其水溫結(jié)構(gòu)，同時將采砂坑環(huán)境與非采砂坑環(huán)境的模擬結(jié)果進行對比分析，以探究它們水溫結(jié)構(gòu)的異同。結(jié)果表明：垂向上采砂坑內(nèi)水溫隨水深變化不大，溫度數(shù)值較為恒定，冬季工況下平面上采砂坑水體水溫比非采砂坑水體更高，夏季工況則較低。該模型能夠較好地模擬出采砂坑內(nèi)水溫的變化過程及變化趨勢，具有較好的實用性和有效性。研究成果可為航道整治的方案選擇及長江魚類的生境保護提供一定的參考。

　　關(guān) 鍵 詞：采砂坑; 水溫結(jié)構(gòu); 航道整治; 魚類生境; 數(shù)值模擬

　　河砂是砂石料重要的來源之一，長江上游沿江地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展迅速，建筑用砂量增加，采砂量大幅增加[1]。過度的采砂在航道內(nèi)形成大量深淺不一的采砂坑，采砂坑會改變河床地貌，使航道航槽受到影響，危害航道附近河堤及涉水建筑物的安全穩(wěn)定[2]。同時采砂坑會引起周圍水環(huán)境的變化，一定程度上改變了航道內(nèi)的水流流速、水流方向[3]。因而采砂坑的存在會影響航道尺度，對通行船只的航行安全造成威脅[4-6]。

　　魚類生境主要指的是“三場一通道”——越冬場、產(chǎn)卵場、索餌場、洄游通道。如今，魚類面臨的主要問題是適宜的生境大量減少[7-9]。國外研究表明，采砂坑水體具有一定的生態(tài)功能[10]。在此背景下，利用采砂坑為魚類提供適宜的生境成為了具有可行性的方案。而在衡量魚類生境適宜度的指標(biāo)中，溫度是主要的衡量指標(biāo)[11-13]，因而對采砂坑溫度場的模擬必不可少。

　　本文針對上述問題，以重慶市洛磧地區(qū)采砂坑水體為研究對象，采用MIKE 3軟件的水動力模塊，研究采砂坑內(nèi)三維水溫的變化情況。首先構(gòu)建了采砂坑的三維水溫結(jié)構(gòu)模型，利用實測數(shù)據(jù)驗證模型的合理、可靠性;然后對比分析不同季節(jié)工況下采砂坑及非采砂坑環(huán)境下的三維水溫變化過程，探究采砂坑環(huán)境三維水溫結(jié)構(gòu)的特點。

　　1 研究區(qū)域概況

　　洛磧航道位于長江上游航道里程599.3～605.3 km段，處于重慶朝天門至涪陵河段航道中。為了讓未來5 000 t級船舶、4艘3 000 t級駁船組成的萬噸級船隊可以常年滿載直達朝天門，當(dāng)前長江上游朝天門至涪陵河段航道整治工程計劃將現(xiàn)有航道維護水深從3.5 m提升到4.5 m，進一步提升長江黃金水道功能。本次研究的采砂坑位于洛磧航道的下洛磧研究區(qū)域，該區(qū)域處于洛磧水道航道里程600.0～602.0 km之間。

　　下洛磧平面形態(tài)較為順直，左岸為下洛磧卵石灘，右岸為中擋壩卵石灘，磧頂?shù)推?，天然情況下枯水期常出現(xiàn)淺包礙航[14]。目前該河段航道維護水深為3.5 m，航寬100 m，每年庫區(qū)低水位時段滿載的大型船舶航行受限。同時該河段過度采砂后經(jīng)過水流沖刷，逐漸形成了一個連通的、長度約1.2 km、最寬處有230 m的采砂坑。在此處，地形突變引起局部水流條件惡化，造成深坑分流比增大，且形成不良流態(tài)，船舶航行至此處容易受內(nèi)拖水影響而擱淺，對航道船舶航行安全造成不利影響，需對其實施一定的工程整治措施，初步?jīng)Q定進行填埋處理。

　　傳統(tǒng)的航道整治措施是利用炸礁將采砂坑直接填埋[15]，但前期通過采砂坑內(nèi)2個監(jiān)測點利用超聲波魚探儀觀測發(fā)現(xiàn)采砂坑內(nèi)存在一定數(shù)量的魚群，同時采用HACH/Hydrolab公司OTT Quanta多參數(shù)水質(zhì)分析儀進行水深、水溫的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)水溫隨著水深的增加有著不同的變化速率，即存在明顯的分層現(xiàn)象。監(jiān)測時間為2019年1月6日(24 h)，監(jiān)測時段河段平均流量約為5 310 m3/s，平均水位約為152 m。直接填埋處理將會對采砂坑內(nèi)魚類的生存產(chǎn)生嚴重的影響，如何對采砂坑進行整治，既達到工程整治目標(biāo)又盡可能地減小對生態(tài)環(huán)境的影響成為了需要解決的問題。

　　2 三維水溫模型構(gòu)建與驗證

　　2.1 數(shù)學(xué)方程

　　MIKE 3使用的數(shù)學(xué)模型本質(zhì)是雷諾平均化的N-S方程，但在此基礎(chǔ)上考慮了紊流影響以及密度變化，包含了質(zhì)量守恒、動量守恒等方面。本次研究中涉及到以下兩個主要方程。

　　鹽度及溫度平衡方程：

　　1ρC2spt+ujxj=SS(1)

　　溫度對流擴散方程：

　　Tt+xjTuj=xjDTTxj+SS(2)

　　式中：ρ為水的密度;CS為海水中聲音的傳播速度;uj為xj方向的速度分量;p為壓力;T指溫度;DT指相關(guān)的溫度擴散系數(shù);t指時間;SS指各自的源匯項(每個方程的均不相同) [16]。

　　2.2 模型參數(shù)

　　此次研究基于MIKE 3的水動力模塊，所采用的是非結(jié)構(gòu)化的三角化網(wǎng)格，垂向網(wǎng)格均勻劃分為10層，模擬河段長約3 km，共有27 711個網(wǎng)格，最大基本單元設(shè)置為100 m2，最小允許角度為30°，最大節(jié)點個數(shù)為106個，時間步長為60 s，步長個數(shù)為1 440個，總模擬時間為24 h。

　　模型中輸入的參數(shù)有開邊界處的地形、溫度條件、氣溫條件、水位分布。地形數(shù)據(jù)來源于實測地形圖所提取的高程點數(shù)據(jù)，水溫設(shè)置為冬季5 ℃、夏季20 ℃;氣溫設(shè)置為冬季4 ℃、夏季38 ℃且不隨時間和空間變化;流量冬季模擬取2019年1月6日平均流量5 310 m3/s，水位取實測水位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;流場則設(shè)置為靜止?fàn)顟B(tài)，同時進出口邊界的水位、水溫、水深、流速均設(shè)置為不隨時間和空間變化。

　　推薦閱讀：船舶課題研究方向