CN102176295A - 多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置。该装置主要包括水循环系统连接的进水系统，进水系统连接的挡水系统，挡水系统连接的出水系统。水流通过水循环系统中地上水箱流入，经进水系统中水流缓冲箱进入挡水系统的水槽，经水槽后由出水系统中尾水池流出到地下水池，由尾水管再回流到水循环系统地上水箱中。地上水箱水流量由上游手控阀门控制，尾水池水流量由下游手控阀门控制。本发明装置采用水循环系统，能将实验用水循环利用，减少实验用水量和成本；设计的三级跌坎配合凹槽，将消能较均衡地分配到各消能部位，提高了消能效率，降低了水流紊乱程度；且在流量可控范围内，其流速、流态较接近自然情况，故放鱼实验符合实际情况。

Description

多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置

技术领域

本发明涉及对水力学紊流消能技术研究、鱼类游泳能力、鱼类洄游及过鱼设施等问题的研究，特别涉及一种多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验演示装置。

背景技术

过鱼设施是指让鱼类通过障碍物的人工修建的通道和设施，最早的过鱼设施，是开凿河道中的礁石、疏浚急滩等天然障碍以沟通鱼类的洄游路线。

据不完全统计：美国和加拿大已经建设各种过鱼建筑物200座以上，其中多数为鱼道，另外欧洲100座左右，日本约35座，前苏联约15座。世界上比较著名的鱼道有美国的邦纳维尔坝鱼道、加拿大的鬼门峡鱼道以及英国的汤格兰德坝鱼道等，从统计资料来看，世界上水头最高、长度最长的鱼道分别是美国在20世纪50年代建设的北汊坝(North Fork)鱼道，其提升高度60m，全长2700m，以及帕尔顿鱼道，其提升高度57.5m，全长4800m；1958年，我国在浙江富春江七里垄电站中首次设计了鱼道，最大水头约18m。60年代又分别在黑龙江和江苏等地兴建了鲤鱼港、斗龙港、太平闸等30多座鱼道。目前我国在各类水利工程中已建鱼道40座以上。

鱼道作为过鱼设施的一种，是在鱼类洄游时供鱼类通过闸、坝的人工水槽。主要由进口段，槽身段，出口段和辅助设施等组成。简单的讲，鱼道就是一种供鱼类洄游用的人造水槽。它的形成和发展代表了人们对河道工程影响水生环境的重视程度的提高，它的作用除了改善工程对鱼类经济的不利影响外，更使得许多的鱼类免于灭绝，保障生物的连续性和多样性，它具有重要的生态意义，经济意义和工程意义。鱼道主要有三种类型：平面式鱼道；竖缝式鱼道，也称导墙式鱼道；以及梯级式鱼道，也称台阶式鱼道。

由于现有的过鱼设施设计目标单一、设计资料不完善，导致了大部分上述型式的鱼道在设计修建的时候，在考虑诱鱼效果和保持过道鱼类体力及延续过道鱼类的发育过程方面有较大的缺陷，同时，也没有满足当地鱼类对流速、流态的要求，这些因素直接导致了我国大多数鱼道建成后运行效果不理想。

由国内外的资料来看，对过鱼设施研究、进行模型实验的类型大部分都是较单一的垂直竖缝式鱼道，其他类型的过鱼设施少有详细的模型实验研究，因为过鱼设施中的水流具有复杂的水动力学条件，所以只凭数值模拟研究难以给出可信结果。

发明内容

本发明的目的正是针对现有过鱼设施中存在的问题，设计一种能对水力学紊流消能问题、鱼类洄游问题以及水力学实验进行研究的新型多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验演示装置。该多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置体型灵活可变，具有多样性，可在多种不同工况下进行实验演示，不仅可以为本科教学实验提供方便，还可以提高过鱼设施内水流流场研究的可靠性及准确性，能够结合现代化量测手段进行分析，进而为过鱼设施研究提供可靠的依据。

为了实现上述本发明的目的，本发明是采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明提出的多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置，其特征在于包括水循环系统，进水系统和挡水系统组成的装置主体和出水系统；所述水循环系统与进水系统连接，进水系统与挡水系统连接，挡水系统再与出水系统连接；其中，水循环系统由抽水泵，地上水箱，地下水池，上游手控阀门和下游手控阀门，溢水管组成；进水系统按水流方向由流量控制箱，薄壁堰，水流缓冲箱和上游鱼类休息池组成；挡水系统由设置有障碍物的若干个水槽组成；出水系统由下游鱼类休息池，尾水池和尾水管组成；所述水循环系统中地上水箱底部由地面上的钢架支撑，地上水箱顶部与连接抽水泵的抽水管连接，抽水管再与溢水管连接，抽水泵安装于地下水池中，地上水箱底部通过连接水管与上游手控阀门连接，上游手控阀门与进水系统中的流量控制箱连接，流量控制箱与水流缓冲箱连接，水流缓冲箱再与上游鱼类休息池连接，上游鱼类休息池底部由固定支架支撑；所述挡水系统中水槽一端连接上游鱼类休息池，另一端连接出水系统中下游鱼类休息池，下游鱼类休息池与尾水池连接，尾水池与下游手控阀门连接，下游手控阀门再与尾水管连接，水流通过尾水管实现与地下水池的连接。

上述技术方案中，所述进水系统中的流量控制箱，上游鱼类休息池和水流缓冲箱均采用水平位置放置。

上述技术方案中，所述挡水系统中各水槽内设置的障碍物为多级跌坎和凹槽，多级跌坎的级数至少为三级。

上述技术方案中，所述挡水系统中水槽底部的千斤顶为气压千斤顶。

上述技术方案中，所述进水系统中水流缓冲箱与上游鱼类休息池之间加设有稳水栅，稳水栅的放置垂直于水流方向。

上述技术方案中，所述各水槽由束窄进水口，凹向上游的凹槽和所设置的多级跌坎以及束窄出水口组成，各水槽成几何对称性，并且头一个水槽的束窄出水口就是下一个水槽的束窄进水口。

上述技术方案中，所述挡水系统中水槽坡度的升降通过气压千斤顶，配合支撑铰链与可伸缩支架进行调整。

上述技术方案中，所述的水槽坡度可调范围在1/30～1/25之间。

上述技术方案中，所述进水系统中上游鱼类休息池底部的固定支架与支撑铰链之间设置一旋转滑轨。

上述技术方案中，所述出水系统中下游鱼类休息池与尾水池之间设置一垂直滑轨。

本发明的实验装置其基本原理是：水流通过水循环系统中的地上水箱流入，再由装置主体的进水系统中的水流缓冲箱进入挡水系统中的若干水槽，经挡水系统中各水槽后通过出水系统中尾水管流出，再回流到水循环系统的地上水箱中。地上水箱的水流量大小由上游手控阀门控制，尾水池中的水通过尾水管流入地下水池，其流量大小由下游手控阀门控制。

本发明的实装置所述溢水管可起到自动溢水的作用，即当装置所需流量较小，而实验在进行时，地上水箱会被水充满，因此设置一条溢水管，当超过地上水箱的容积时，水会通过溢水管自动溢流回地下水池中。

本发明的实验装置所述三级跌坎底部均固定在水槽底部上。第一级跌坎的一端与束窄进水口挡板端相连，另一端与凹槽进水口处的侧边壁相连；第二级跌坎与第三级跌坎的方向平行，且均垂直于水流方向与水槽边壁，其中，第二级跌坎一端与凹槽进水口处的外侧边壁相连，另一端与水槽内壁相连；第三级跌坎一端与凹槽后壁相连，另一端与水槽内壁相连。

本发明的实验装置，从进水系统流进的水流经过上游手控阀门流入流量控制箱，进入装置主体的流量由流量控制箱和薄壁堰控制；水流缓冲箱将薄壁堰和上游鱼类休息池隔开，避免水流从薄壁堰直接跌落到此鱼类休息池中；另外，水流缓冲箱与上游鱼类休息池连接处设置一个稳水栅，也起到平稳水流的作用；在实际工程中，上、下游鱼类休息池主要供鱼类上行时休息。而在本实验装置中，上游鱼类休息池还有进一步平缓水流的作用，因为水流从薄壁堰及水流缓冲箱流出后，动能及流速均较大，如无休息池的缓冲而直接进入进水口的话，势必会引起下游水流的紊乱，故上游鱼类休息池能使流入进水口的水流尽量趋于平缓。

本发明多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置不仅可以满足水力学紊流消能研究、障碍物对水流流态的影响研究，还可以满足鱼类游泳能力研究，包括水利水电工程设计研究中涉及的鱼类洄游、过鱼设施等问题的相关研究。

本发明多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置还能配合粒子成像测速仪(PIV)、激光测速仪(LDV)、声学多普勒测速仪(ADV)及数码成像设备等构成较先进的量测系统，此时，可在多级水槽主体顶端设置有可滑动仪器架，方便测量过程中的仪器放置。

本发明与现有技术相比具有以下的优点及有益技术效果：

1、本发明实验装置考虑加入变坡系统，提高了实验装置的适用性，且水槽坡度调节自动化程度高，调节水槽坡度时可以单人独立进行操作。

2、本发明实验装置采用水循环系统，能够将实验用水循环利用，减少实验用水量和实验成本。

3、本发明实验装置进水口流量采用流量控制箱配合薄壁堰进行控制，可将进入实验装置的流量调节到所需大小，而且操作简单，易于进行。

4、本发明实验装置设计三级跌坎，配合凹槽，将消能较为均衡地分配到各消能部位，既增大了消能效率，又降低了水流的紊乱程度。

5、本发明实验装置的出水系统中下游鱼类休息池、尾水池、下游手控阀门及尾水管的设计，能够保证实验过程中水槽液面稳定；

6、本发明实验装置便于污染物、泥沙及示踪剂等的投放，为数据的采集提供了重要手段。

7、本发明实验装置在流量的可控范围内，其流速、流态较接近自然情况，因此所进行的放鱼实验较符合实际情况，所获得的数据有较强的使用参考价值。

附图说明

图1本发明多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置整体结构方框示意图；

图2本发明多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置整体结构示意图；其中箭头所指方向为水流流动方向；

图3本发明多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置挡水系统水槽平面示意图；

图4本发明多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置挡水系统主体结构示意图。

附图中各代号的含义：1抽水泵；2抽水管；3地上水箱；4流量控制箱；5-1上游鱼类休息池，5-2下游鱼类休息池；6挡水系统；7尾水池；8-1上游手控阀门，8-2下游手控阀门；9固定支架；10千斤顶；11可伸缩支架；12溢水管；13尾水管；14连接水管；15地面；16地下水池；17钢架；18薄壁堰；19水流缓冲箱；20上游挡板；21束窄进水口；22第一级跌坎；23第二级跌坎；24第三级跌坎；25下游挡板；26束窄出水口；27凹槽；28凹槽侧边壁；29凹槽后壁；30水槽；31旋转滑轨；32支撑铰链；33垂直滑轨；34稳水栅。

具体实施方式

下面结合附图并用实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的内容不仅限于实施例中说涉及的内容。

本发明实验装置的图1中，所述水循环系统与进水系统连接，进水系统与挡水系统连接，挡水系统再与出水系统连接；由进水系统与挡水系统组成装置的主体。

本发明实验装置的图2中，水循环系统中地上水箱底部3由钢架17支撑，地上水箱顶部与抽水管2及溢水管12连接，其底部与连接水管14连接；地上水箱3流出的水通过连接水管14进入进水系统，进入流量控制箱4的水流流量由上游手控阀门8-1控制；水流进入到流量控制箱4及上游鱼类休息池5-1后，还要经过水流缓冲箱19和稳水栅34，才进入挡水系统6；所述水流缓冲箱19与上游鱼类休息池5-1连接，上游鱼类休息池底部由固定支架9支撑；所述挡水系统6由设置有跌坎、凹槽等障碍物的若干个水槽30组成，所述水槽30一端连接上游鱼类休息池5-1，另一端连接出水系统中下游鱼类休息池5-2，水槽具体结构由本发明实验装置的图3给出解释。挡水系统6底部设置有可伸缩支架11和气压千斤顶10，并用支撑铰链32固定；挡水系统连接的下游鱼类休息池5-2与尾水池7连接，尾水池出流量由下游手控阀门8-2控制，最后经由尾水管13排至地下水池16。

本发明实验装置的图3为本发明多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置挡水系统中单个的水槽30平面示意图，水流从上游鱼类休息池5-1流入挡水系统6的第一个水槽的束窄进水口21后，由于凹槽27的挡水作用而形成壅水区；水流垂直凹槽27始端出流，水从第一级跌坎22流过，其中一部分沿着跌坎边壁向上游回流，形成旋涡，另一部分流过第二级跌坎23流向下游。当水流流过第三级跌坎24后，由于下游挡板25的阻挡作用，水流向中间汇集，之后开始向下一个水槽流去，重复以上的流动过程。

本发明实验装置的图4中，装置主体由气压千斤顶10支撑，其入口端由旋转滑轨31、支撑铰链32与上游鱼类休息池5-1连接，其出口端与下游鱼类休息池5-2一起由可伸缩支架11支撑，下游鱼类休息池5-2通过垂直滑轨33与尾水池7连接。装置主体水槽坡度的调节通过气压千斤顶10与旋转滑轨31、支撑铰链32、可伸缩支架11及垂直滑轨33的配合完成。

实施例

本实施例中，流量采用0.6m³/s。实验装置的主要尺寸如下：

所述进水系统中的流量控制箱4采用水平放置，其内长50cm，宽32cm，高80cm；水流缓冲箱19水平放置，其内长20cm，宽32cm，高80cm；稳水栅34垂直于水流方向放置，其高45cm，宽32cm；上游鱼类休息池5-1水平放置，其内长80cm，宽32cm，高50cm。

所述挡水系统6中水槽为可变坡度的有机玻璃水槽，槽身侧面及底面全由透明的有机玻璃制成，其坡度调节为1/28。挡水系统内由10个完全一样的水槽30组成，所述挡水系统6中水槽30由束窄进水口21、凹向上游的凹槽27和本实例设置的三级跌坎以及束窄出水口26组成。束窄进水口21的开度为12cm，开口位于它的中间，上游挡板20宽度均为10cm，高30cm，厚度为1.8cm；凹向上游的凹槽27位于水槽的中间部位，其高30cm，其入口距离束窄进水口21为15.2cm，距离凹槽后壁29为16.4cm，凹槽侧边壁28厚度为1.8cm，凹槽后壁29厚度为0.6cm，凹槽侧边壁28外侧距离水槽内侧的距离为11cm，即第二级跌坎23与第三级跌坎24垂直于水流方向的宽度为11cm，凹槽后壁29外侧与束窄出水口26的距离为15.4cm。三级跌坎均是由有机玻璃制成的挡板，其底部均固定在水槽30的底部，高度均为0.8cm，厚度均为0.6cm。所述水槽30内长50cm，因为头一个水槽的束窄出水口26就是下一个水槽的束窄进水口21，因此计算单个的水槽长度时不包括束窄出水口的厚度，槽身总长为50cm×10＝500cm＝5m，宽32cm，高30cm。

所述出水系统中的下游鱼类休息池5-2与尾水池7连接，尾水池7通过下游手控阀门8-2与尾水管13连接，水流通过尾水管13实现与地下水池16连通，下游鱼类休息池5-2水平放置，其内长80cm，宽32cm，高30cm；尾水池7水平放置，其内长70cm，宽32cm，高50cm。

采用本发明的多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置进行水流流态、流场的观测及放鱼实验的实施过程及操作步骤如下：

首先用抽水泵1将水从地下水池16抽至地上水箱3中，抽水泵1在实验中一直开启，待地上水箱3充水过2/3箱后，先关闭尾水管13处的下游手控阀门8-2，再打开水循环系统中的流量控制箱4前面的上游手控阀门8-1，控制其开度，配合流量计，让本实施例的0.6m³/s流量的水流入，待下游鱼类休息池5-2的水位与挡水系统6中最后一个水槽中的水位稳定平齐后，打开尾水管13处的下游手控阀门8-2，水流即可通过尾水管13流入地下水池16。

量测上游鱼类休息池5-1处的水深及下游鱼类休息池5-2处的水深，调节下游手控阀门8-2的开度，使上游鱼类休息池和下游鱼类休息池的水深在稳定不变时能保持一致，然后对实验所需的如流速、水深等数据进行量测。

放入约10cm长的个头相似的洄游性的小鱼于下游鱼类休息池5-2中，例如每次放入一条，观察它们向上游游动或者洄游的情况：记录成功游到上游鱼类休息池5-1的小鱼条数，并记录每一条小鱼从下游鱼类休息池5-2游到上游鱼类休息池5-1所需时间，可以得到最长和最短的时间及计算出平均时间。至此，完成一次放鱼实验。

本实施例进行完一个流量工况下的水流流态、流场量测以及放鱼实验后，可以改变流量和挡水系统坡度，重复以上的过程，记录不同流量下的流场情况以及鱼类洄游的情况，得到所记录的实验数据。

通过处理后的实验数据可为以下的研究服务：水力学紊流消能研究、鱼类游泳能力研究，包括水槽内多级跌坎与凹槽等障碍物对水流流态、鱼类洄游的影响等水力学问题的相关研究。

Claims (10)

1.一种多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置，其特征在于包括水循环系统，进水系统和挡水系统组成的装置主体和出水系统；所述水循环系统与进水系统连接，进水系统与挡水系统连接，挡水系统再与出水系统连接；其中，水循环系统由抽水泵(1)，地上水箱(3)，地下水池(16)，上游手控阀门(8-1)和下游手控阀门(8-2)，溢水管(12)组成；进水系统按水流方向由流量控制箱(4)，薄壁堰(18)，水流缓冲箱(19)和上游鱼类休息池(5-1)组成；挡水系统(6)由设置有障碍物的若干个水槽(30)组成；出水系统由下游鱼类休息池(5-2)，尾水池(7)和尾水管(13)组成；所述水循环系统中地上水箱(3)底部由地面(15)上的钢架(17)支撑，地上水箱(3)顶部与连接抽水泵的抽水管(2)连接，抽水管(2)再与溢水管(12)连接，抽水泵(1)安装于地下水池(16)中，地上水箱(3)底部由连接水管(14)与上游手控阀门(8-1)连接，上游手控阀门(8-1)与进水系统中流量控制箱(4)连接，流量控制箱(4)与水流缓冲箱(19)连接，水流缓冲箱(19)再与上游鱼类休息池(5-1)连接，上游鱼类休息池(5-1)底部由固定支架(9)支撑；所述挡水系统一端连接上游鱼类休息池(5-1)，另一端连接出水系统中下游鱼类休息池(5-2)；下游鱼类休息池(5-2)与尾水池(7)连接，尾水池(7)与下游手控阀门(8-2)连接，下游手控阀门(8-2)再与尾水管(13)连接，水流通过尾水管(13)实现与地下水池(16)的连接。

2.根据权利要求1所述的多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置，其特征在于所述进水系统中的流量控制箱(4)，上游鱼类休息池(5-1)和水流缓冲箱(19)均采用水平位置放置。

3.根据权利要求1所述的多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置，其特征在于所述挡水系统(6)中各水槽(30)内设置的障碍物为多级跌坎和凹槽(27)，多级跌坎的级数至少为三级。

4.根据权利要求1或3所述的多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置，其特征在于所述挡水系统底部的千斤顶(10)为气压千斤顶。

5.根据权利要求1或2所述的多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置，其特征在于所述进水系统中水流缓冲箱(19)与上游鱼类休息池(5-1)之间加设有稳水栅(34)，稳水栅(34)的放置垂直于水流方向。

6.根据权利要求1或3所述的多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置，其特征在于所述挡水系统中各水槽由束窄进水口(21)，凹向上游的凹槽(27)和所设置的多级跌坎以及束窄出水口(26)组成，各水槽成几何对称性，且头一个水槽的束窄出水口(26)就是下一个水槽的束窄进水口(21)。

7.根据权利要求1或3或4所述的多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置，其特征在于所述挡水系统中水槽坡度的升降是通过气压千斤顶(10)，配合支撑铰链(32)与可伸缩支架(11)进行调整。

8.根据权利要求1或7所述的多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置，其特征在于所述水槽的坡度可调范围在1/30～1/25之间。

9.根据权利要求1或2所述的多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置，其特征在于所述进水系统中上游鱼类休息池(5-1)底部的固定支架(9)与支撑铰链(32)之间设置一旋转滑轨(31)。

10.根据权利要求1所述的多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置，其特征在于所述出水系统中下游鱼类休息池(5-2)与尾水池(7)之间设置一垂直滑轨(33)。

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