摘要：采砂坑是航道整治中經(jīng)常會(huì)遇到的一個(gè)問題，它的存在不利于航道運(yùn)輸，同時(shí)也對(duì)魚類生存有著一定影響。利用MIKE 3軟件的水動(dòng)力模塊對(duì)夏季及冬季工況下的長(zhǎng)江上游航道洛磧采砂坑區(qū)域三維水溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，取采砂坑兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)模擬數(shù)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)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(diǎn)分析其水溫結(jié)構(gòu)，同時(shí)將采砂坑環(huán)境與非采砂坑環(huán)境的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(shì)，具有較好的實(shí)用性和有效性。研究成果可為航道整治的方案選擇及長(zhǎng)江魚類的生境保護(hù)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(zhǎng)江上游沿江地區(qū)的經(jīng)濟(jì)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(huì)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(shí)采砂坑會(huì)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(huì)影響航道尺度，對(duì)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(chǎng)一通道”——越冬場(chǎng)、產(chǎn)卵場(chǎng)、索餌場(chǎng)、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(guó)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(duì)采砂坑溫度場(chǎng)的模擬必不可少。

　　本文針對(duì)上述問題，以重慶市洛磧地區(qū)采砂坑水體為研究對(duì)象，采用MIKE 3軟件的水動(dòng)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的合理、可靠性;然后對(duì)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(diǎn)。

　　1 研究區(qū)域概況

　　洛磧航道位于長(zhǎng)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(jí)船舶、4艘3 000 t級(jí)駁船組成的萬噸級(jí)船隊(duì)可以常年滿載直達(dá)朝天門，當(dāng)前長(zhǎng)江上游朝天門至涪陵河段航道整治工程計(jì)劃將現(xiàn)有航道維護(hù)水深從3.5 m提升到4.5 m，進(jìn)一步提升長(zhǎng)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)推剑烊磺闆r下枯水期常出現(xiàn)淺包礙航[14]。目前該河段航道維護(hù)水深為3.5 m，航寬100 m，每年庫區(qū)低水位時(shí)段滿載的大型船舶航行受限。同時(shí)該河段過度采砂后經(jīng)過水流沖刷，逐漸形成了一個(gè)連通的、長(zhǎng)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(duì)航道船舶航行安全造成不利影響，需對(duì)其實(shí)施一定的工程整治措施，初步?jīng)Q定進(jìn)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)利用超聲波魚探儀觀測(cè)發(fā)現(xiàn)采砂坑內(nèi)存在一定數(shù)量的魚群，同時(shí)采用HACH/Hydrolab公司OTT Quanta多參數(shù)水質(zhì)分析儀進(jìn)行水深、水溫的監(jiān)測(cè)，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(cè)時(shí)間為2019年1月6日(24 h)，監(jiān)測(cè)時(shí)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(huì)對(duì)采砂坑內(nèi)魚類的生存產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，如何對(duì)采砂坑進(jìn)行整治，既達(dá)到工程整治目標(biāo)又盡可能地減小對(duì)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(yàn)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(dòng)量守恒等方面。本次研究中涉及到以下兩個(gè)主要方程。

　　鹽度及溫度平衡方程：

　　1ρC2spt+ujxj=SS(1)

　　溫度對(duì)流擴(kuò)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(kuò)散系數(shù);t指時(shí)間;SS指各自的源匯項(xiàng)(每個(gè)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(dòng)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(zhǎng)約3 km，共有27 711個(gè)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(diǎn)個(gè)數(shù)為106個(gè)，時(shí)間步長(zhǎng)為60 s，步長(zhǎng)個(gè)數(shù)為1 440個(gè)，總模擬時(shí)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(shí)測(cè)地形圖所提取的高程點(diǎn)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(shí)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(shí)測(cè)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(chǎng)則設(shè)置為靜止?fàn)顟B(tài)，同時(shí)進(jìn)出口邊界的水位、水溫、水深、流速均設(shè)置為不隨時(shí)間和空間變化。

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