CN103343524A - 竖缝式过鱼效果实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种竖缝式过鱼效果实验系统。该实验系统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。所述水循环系统由抽水泵，地上、地下水池，上下游控制阀门组成；进水系统由上游闸板、上游鱼类休息池组成；挡水系统由若干级鱼池组成；出水系统由下游鱼类休息池，下游水流缓冲箱和地下水池组成。本发明竖缝式过鱼效果实验系统能对水力学紊流消能问题、鱼类洄游问题及水力学实验模型演示等研究分析，由于该实验系统与实际鱼道局部工程以1:1的比例建造，真实地反映了水流在过鱼设施中的流态，进而确保鱼道内水流流场和鱼类过鱼效果分析的可靠性和准确性。

Description

竖缝式过鱼效果实验系统

技术领域

本发明涉及对水力学紊流消能、鱼类游泳能力、鱼类洄游以及过鱼建筑物等技术问题研究与分析，特别涉及水利工程中一种竖缝式过鱼效果实验系统。

背景技术

为了应对日益突出的用电需求，世界各国的江河上修建了大量的水利工程以发展水电，例如：大坝。由于在河流上筑坝设闸后，阻断了原河流的连续性，改变了河流固有的自然特性，对闸坝上下游的水环境与水生态环境条件产生比较大的影响。一般而言，隔流闸坝修建后，鱼类栖息地环境因素，如水位、流量、水温等将会出现变化，因而会对鱼类活动产生重要影响，还可能会直接导致某些溯河回游鱼类种群的灭绝。

过鱼建筑物是指让鱼类通过障碍物的人工修建的通道和设施，最早的过鱼建筑物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。

鱼道作为过鱼建筑物的一种，是在鱼类洄游时供鱼类通过闸、坝的人工水槽；其主要由进口段，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修建河道工程影响水生生态环境的重视程度的提高，其作用除了改善河道工程对鱼类的不利影响外，更使得许多的鱼类免于灭绝，保障水生生物的连续性和多样性，因而具有重要的生态意义，经济意义和工程意义。

由于现有的过鱼建筑物中鱼道设计目标单一、设计资料不完善，导致了大多数上述所述结构型式的鱼道在设计修建的时候，在考虑诱鱼效果和保持通过鱼道的鱼类体力及延续其发育过程等方面均存在有较大的缺陷；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其运行效果不理想。

沙坪二级水电站位于大渡河中游，是以发电为主要任务的水利枢纽工程，其采用河床式开发，属日调节水库。为满足鱼类洄游需求，在坝址修建鱼道，鱼道上下游水位差接近23m。

水力学模型可以按比尺缩放，但鱼类的游动能力和水生生物习性难以进行几何比尺缩放。为了研究鱼类在实际鱼道内洄游的顺畅性，需要对鱼道设计方案进行过鱼效果分析，因此提出了修建沙坪局部1:1的鱼道模型。

发明内容

本发明的目的正是针对现有过鱼建筑物中鱼道所存在的一些问题和不足，而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模型演示等进行研究分析的竖缝式过鱼效果实验系统。该竖缝式过鱼效果实验系统与实际鱼道局部工程以1:1的比例，真实地反映了水流在过鱼设施中的流态，确保了过鱼设施内水流流场和鱼类过鱼效果分析的可靠性及准确性。

为实现上述本发明目的，本发明采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明提出的一种竖缝式过鱼效果实验系统，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；按照本发明，所述水循环系统由抽水泵，抽水管，地上水池，尾水管，地下水池，上游控制阀门和下游控制阀门组成；进水系统由上游闸板和上游鱼类休息池组成；挡水系统由若干级单个鱼池组成；出水系统由下游鱼类休息池，下游闸板，下游水流缓冲箱组成；所述水循环系统中地上水池与连接抽水泵的抽水管连接，还与上游控制阀门连接，抽水泵安装于地下水池中，地上水池一端连接进水系统中的上游闸板，上游闸板连接上游鱼类休息池，另一端连接出水系统中的下游鱼类休息池；挡水系统一端连接上游鱼类休息池，另一端连接下游鱼类休息池，下游鱼类休息池连接下游闸板，下游闸板与下游水流缓冲箱连接，下游水流缓冲箱与下游控制阀门连接，下游控制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，所述挡水系统中的若干级单个鱼池中均设置有障碍物。

上述技术方案中，所述每级单个鱼池中所设置的障碍物包括L型长挡板和短挡板。

上述技术方案中，所述障碍物中的L型长挡板由垂直于水流上下游方向的横向挡板和平行于水流上下游方向的纵向挡板组成，其体型类似英文字母L。

上述技术方案中，所述障碍物中的L型长挡板和短挡板之间形成每级单个鱼池的竖缝。

上述技术方案中，所述障碍物中的L型长挡板的底端设置有一鱼洞。

上述技术方案中，所述障碍物中的L型长挡板底端的鱼洞开口位于L型长挡板平行于水流上下游方向的纵向挡板处，且位置在垂直于水流上下游方向的横向挡板和平行于水流上下游方向的纵向挡板的交接处底部。

上述技术方案中，所述障碍物中的L型长挡板和短挡板的底部均固定在地下水池底部，且垂直于水流方向与地下水池边壁相连。

上述技术方案中，所述该竖缝式过鱼效果实验系统与实际鱼道局部工程设计为1:1的比例。

本发明的竖缝式过鱼效果实验系统，所述水循环系统中地上水池，上游鱼类休息池，挡水系统，下游鱼类休息池以及下游水流缓冲箱均由砖混砌成的地面支撑。

本发明的基本原理是：本发明的竖缝式过鱼效果实验系统，包括水循环系统，进水系统，挡水系统和出水系统四大部分；水循环系统连接进水系统，进水系统连接挡水系统，挡水系统连接出水系统。水流由抽水泵抽入到水循环系统中的地上水池，再流入所设置的上游鱼类休息池，然后水流经挡水系统中各级鱼池后流入下游鱼类休息池，接着流入下游水流缓冲箱，最后流入所述水循环系统的地下水池中。所述地上水池的水流量大小由上游控制阀门控制，进入挡水系统的水流量由上游闸板控制，接着水流流入各级鱼池及下游鱼类休息池，再经下游闸板流入下游水流缓冲箱，最后流入地下水池，水流量大小由下游控制阀门控制。

本发明的竖缝式过鱼效果实验系统，从进水系统流进的水流经过上游控制阀门流入地上水池，进入挡水系统的流量由上游闸板控制；上、下游鱼类休息池中的水流平稳，主要供鱼类上行时休息。而在本竖缝式过鱼效果实验系统中，上游鱼类休息池还有进一步平缓水流的作用，因为水流从地上水池经过上游闸板流出后，动能及流速均较大，如无上游鱼类休息池的缓冲而直接进入挡水系统进口区域的话，势必会引起下游水流的紊乱，故上游鱼类休息池能使流入挡水系统进口区域的水流尽量趋于平缓。同理，下游水流缓冲箱位于下游鱼类休息池与地下水池之间，起到缓冲作用，避免下游鱼类休息池中的水直接流入地下水池导致水流紊乱。

本发明竖缝式过鱼效果实验系统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、本发明竖缝式过鱼效果实验系统采用与实际鱼道局部工程设计为1:1的比例修建，是考虑到水力学模型可以按比尺缩放，但鱼类的游动能力和生物习性难以进行几何比尺缩放。为了研究特定保护鱼类在实际过鱼设施内洄游顺畅性，需要对设计方案进行过鱼效果分析，因此修建了1:1的过鱼效果实验系统。

2、本发明竖缝式过鱼效果实验系统采用水循环系统，能够将实验用水循环利用，减少实验用水量和实验成本。

3、本发明竖缝式过鱼效果实验系统中设计的鱼洞，配合L型长挡板，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。

4、本发明竖缝式过鱼效果实验系统中的出水系统中下游鱼类休息池、下游水流缓冲箱、下游控制阀门的设计，能够保证实验过程中水池液面稳定。

5、本发明竖缝式过鱼效果实验系统中各级鱼池中的流速、流态较接近自然情况，因此本实验系统的过鱼效果较符合实际情况。

附图说明

图1本发明竖缝式过鱼效果实验系统整体结构示意图；其中箭头所指方向为水流流动方向；

图2本发明竖缝式过鱼效果实验系统中挡水系统的每级单个鱼池平面示意图；

图3本发明竖缝式过鱼效果实验系统中挡水系统的每级单个鱼池三维示意图。

图中各代号的含义： 1 抽水泵，2 抽水管，3-1 上游控制阀门，3-2 下游控制阀门，4地上水池，5-1 上游闸板，5-2 下游闸板，6 上游鱼类休息池，7 挡水系统，8下游鱼类休息池，9下游水流缓冲箱，10尾水管，11地下水池，12地面，13单个鱼池，14 L型长挡板，15短挡板，16鱼洞，17竖缝，18横向挡板，19纵向挡板。

具体实施方式

下面结合附图并用具体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所涉及的内容。

本发明的图1中，所述水循环系统由抽水泵1，抽水管2，地上水池4，尾水管10，地下水池11，上游控制阀门3-1和下游控制阀门3-2组成；进水系统由上游闸板5-1和上游鱼类休息池6组成；挡水系统7由若干级单个鱼池13组成；出水系统由下游鱼类休息池8，下游闸板5-2，下游水流缓冲箱9组成。所述水循环系统中地上水池4与连接抽水泵1的抽水管2连接，还与上游控制阀门3-1连接，抽水泵1安装于地下水池11中，地上水池4一端连接进水系统中上游闸板5-1，上游闸板5-1连接上游鱼类休息池6，另一端连接出水系统中的下游鱼类休息池8，下游鱼类休息池8连接下游闸板5-2；挡水系统7一端连接进水系统中上游鱼类休息池6，另一端连接出水系统中下游鱼类休息池8；下游鱼类休息池8通过连接的下游闸板5-2与下游水流缓冲箱9连接，下游水流缓冲箱9与下游控制阀门3-2连接，下游控制阀门3-2再与尾水管10连接，水流通过尾水管10流入地下水池11。水循环系统中抽水泵1将水流经抽水管2抽入地上水池4，其流量大小由上游控制阀门3-1控制；然后水流流入上游鱼类休息池6，水流流量由上游闸板5-1控制；之后水流流入挡水系统7；挡水系统7由设置有L型长挡板14和短挡板15等障碍物的若干级单个鱼池13组成；水流通过挡水系统7后到达下游鱼类休息池8，之后通过下游闸板5-2控制水流流量，再流入下游水流缓冲箱9，最后再由下游控制阀门3-2控制流出下游水流缓冲箱的水流流量，经由尾水管10排至地下水池11。所述地上水池4，上游鱼类休息池6，挡水系统7，下游鱼类休息池8以及下游水流缓冲箱9均由砖混砌成的地面12支撑。

本发明的图2中，所述挡水系统7中的各级单个鱼池13的平面示意图，水流从上游鱼类休息池6流入挡水系统7的第一级单个鱼池，由单个鱼池中所设置的障碍物中的L型长挡板14和短挡板15之间形成的竖缝17后，由于竖缝17对水的束缚作用而形成高速射流，该高速射流在每一级单个鱼池13中的轨迹为主流，在主流两侧形成回流，沿着鱼池边壁向上游回流，另一部分流向下游，之后开始向下一个鱼池流去，重复以上的流动过程。

本发明的图3中，所述挡水系统7中的各级单个鱼池13的三维示意图，L型长挡板14底端的鱼洞16开口于L型长挡板14平行于水流上下游方向的纵向挡板19处，其位置在平行于水流上下游方向的纵向挡板19和垂直于水流上下游方向的横向挡板18的交接处底部。

实施例

本实施例中，所述竖缝式过鱼效果实验系统的主要尺寸如下：

所述上游闸板5-1，下游闸板5-2均可以控制开度；上游鱼类休息池6和下游鱼类休息池8均水平放置，两者尺寸一致，内径长80cm，宽25cm，高50cm；过鱼效果实验系统流量采用100L/s。

所述挡水系统7由砖混构成，其坡度为2.6%；其内部由10级完全一样的均设置有障碍物的单个鱼池13组成，所述障碍物由L型长挡板14，短挡板15组成；L型长挡板14由垂直于水流上下游方向的横向挡板18和平行于水流上下游方向的纵向挡板19组成。L型长挡板14和短挡板15之间形成每级单个鱼池13的竖缝17；竖缝17的开度为30cm，L型长挡板14的垂直于水流上下游方向的横向挡板18的长度均为140cm，高120cm，厚度为30cm ，L型长挡板14的平行于水流上下游方向的纵向挡板19的长度均为50cm，高120cm，厚度为30cm；短挡板15的长度均为50cm，高120cm，厚度为30cm。

采用本发明的竖缝式过鱼效果实验系统进行水流流态、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11抽至地上水池4中，抽水泵1和上游闸板5-1在本实验中一直开启，关闭下游闸板5-2，待整个过鱼效果实验系统充水至鱼池高度的一半，再打开下游闸板5-2，控制其与上游闸板5-1的开度，并调整系统中的水量，待下游鱼类休息池8的水位与挡水系统7中最后一级单个鱼池13中的水位平齐稳定后，打开尾水管10处的下游控制阀门3-2，水流即可通过尾水管10流入地下水池11。

用水尺量测上游鱼类休息池6处的水深及下游鱼类休息池8处的水深，调节下游闸板5-2的开度，使上游鱼类休息池6与下游鱼类休息池8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30cm长的个头相似的洄游性的小鱼于下游鱼类休息池8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6的小鱼条数，并记录每一条小鱼从下游鱼类休息池8游到上游鱼类休息池6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，可以改变流量为150L/s和200L/s等，重复以上的实验过程，记录不同流量下的流场情况以及鱼类洄游的情况，得出一系列的数据。

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 (9)

1.一种竖缝式过鱼效果实验系统，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；其特征在于所述水循环系统由抽水泵（1），抽水管（2），地上水池（4），尾水管（10），地下水池（11），上游控制阀门（3-1）和下游控制阀门（3-2）组成；进水系统由上游闸板（5-1）和上游鱼类休息池（6）组成；挡水系统（7）由若干级单个鱼池（13）组成；出水系统由下游鱼类休息池（8），下游闸板（5-2）和下游水流缓冲箱（9）组成；所述水循环系统中地上水池（4）与连接抽水泵（1）的抽水管（2）连接，与上游控制阀门（3-1）连接，抽水泵（1）安装于地下水池（11）中，地上水池（4）一端连接进水系统中上游闸板（5-1），上游闸板连接上游鱼类休息池（6），另一端连接出水系统中下游鱼类休息池（8）；挡水系统（7）一端连接上游鱼类休息池（6），另一端连接下游鱼类休息池（8）；下游鱼类休息池（8）连接下游闸板（5-2），下游闸板连接下游水流缓冲箱（9），下游水流缓冲箱（9）连接下游控制阀门（3-2），下游控制阀门（3-2）与尾水管（10）连接，水流通过尾水管（10）实现与地下水池（11）的连接。

2.根据权利要求1所述的竖缝式过鱼效果实验系统，其特征在于所述挡水系统（7）中的若干级单个鱼池（13 ）中均设置有障碍物。

3.根据权利要求1或2所述的竖缝式过鱼效果实验系统，其特征在于所述每级单个鱼池（13）中所设置的障碍物包括L型长挡板（14）和短挡板（15）。

4.根据权利要求3所述的竖缝式过鱼效果实验系统，其特征在于所述障碍物中的L型长挡板（14）由垂直于水流上下游方向的横向挡板（18）和平行于水流上下游方向的纵向挡板（19）组成，其体型类似英文字母L。

5.根据权利要求3所述的竖缝式过鱼效果实验系统，其特征在于所述障碍物中的L型长挡板（14）和短挡板（15）之间形成每级单个鱼池（13）的竖缝（17）。

6.根据权利要求4所述的竖缝式过鱼效果实验系统，其特征在于所述障碍物中的L型长挡板（14）的底端设置有一鱼洞（16）。

7.根据权利要求4或6所述的竖缝式过鱼效果实验系统，其特征在于所述障碍物中的L型长挡板（14）底端的鱼洞（16）开口位于L型长挡板（14）平行于水流上下游方向的纵向挡板（19）处，且位置在垂直于水流上下游方向的横向挡板（18）和平行于水流上下游方向的纵向挡板（19）的交接处底部。

8.根据权利要求1或3所述的竖缝式过鱼效果实验系统，其特征在于所述障碍物中的L型长挡板（14）和短挡板（15）的底部均固定在地下水池（11）底部，且垂直于水流方向与地下水池（11）边壁相连。

9.根据权利要求1所述的竖缝式过鱼效果实验系统，其特征在于所述该竖缝式过鱼效果实验系统与实际鱼道局部工程设计为1:1的比例。

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