CN104452693B - 一种适应水位变动的鱼道进口和设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适应水位变动的鱼道进口和设计方法，包括：带有至少一个180°转弯段的竖缝式鱼道，竖缝式鱼道包括由多个底部倾斜的水池连接而成直段，鱼道进口包括一个与至少一个180°转弯段并排的竖缝式进口，与竖缝式进口并排的各个180°转弯段的转弯边墙的高度为该段的工作水深，转弯边墙上设有挡水边墙，挡水边墙上设有进鱼豁口。本发明采用的竖缝式鱼道通过180°转弯段布置成折返式，实现180°转弯段与鱼道进口同侧，同时利用180°转弯段底板高程与边墙墙高的合理设置，使得在拦水建筑物下游水位变化时，鱼道内水流能自动从相应鱼道进口豁口出流或180°转弯段豁口溢流，具有良好的水位变幅自适应性。

Description

一种适应水位变动的鱼道进口和设计方法

技术领域

本发明涉及一种适应水位变动的鱼道进口和设计方法，是一种水工设施和设计方法，是一种环保设施和设计方法，是一种保护鱼类生态的水工设施和设计方法。

背景技术

竖缝式鱼道进口通常布置在拦水建筑物下游河岸上，泄水流量变化使得下游水位非恒定，而水位大变幅导致竖缝式鱼道难以布置成单进口。我国拦水建筑物下游水位变幅通常较大（例如位于西藏自治区内的某水电站下游水位变幅为7m），但受竖缝式鱼道适应水位变幅能力的限制，需要通过多进口切换方式以适应拦水建筑物下游水位大变幅变动。对于日调节水库，下游水位迅速升降引起鱼道多进口频繁切换，而进口闸门高频率启闭促使进口分岔段水流紊动，紊流与涡流迫使洄游鱼类失去方向感，故多进口切换的水力响应造成鱼类滞留在鱼道内，影响鱼道的过鱼效率。同时，鱼道进口闸门启闭需要人工或自动化系统根据水位升降信息严密控制，增加了竖缝式鱼道运行管理难度，提高了前期工程建设投资成本与后期设备运行维修费用。

目前，国外针对多进口切换问题提出了单进口竖缝式鱼道分段补水方式，即拦水建筑物下游水位上升，鱼道下游常规水池水深随之超过工作水深时，竖缝射流的流速降低较大，甚至小于洄游鱼类的感应流速，而国外采用鱼道分段补水的方式增加鱼道下游常规水池的过流流量，使得竖缝断面平均流速恢复至合理范围内，实现竖缝式鱼道设置单进口以适应水位大变幅变动，同时避免了多进口闸门切换引起的水流紊乱问题。例如位于巴西Rondnia州Porto Velho市上游约6公里的Santo Antnio水电站，工程完工后尾水高程为45.10~59.35m，变幅约为14.0m，为了避免修建多个进口，Presidimum岛吸引水流系统对Santo Antnio水电站鱼道进行分段补水；Presidimum岛吸引水流系统主要由引水管道和消能体构成，引水管道分为左右2支，在鱼道不同位置各通过6处消能体将水量补充进鱼道主体，消能体的主要作用是降低水流从引水管道进入鱼道主体的能量与流速，使其与鱼道主体内的流速基本一致，避免影响鱼类上溯。但水位频繁变化导致相应的补水量并非恒定，需要安置多个阀门启闭用以适应补水量变化，繁多闸门的启闭工况由自动控制系统根据水位升降信息严格控制，提高了前期工程修建投资成本、后期运行成本与设备运行维修费用，一定程度上增加了鱼道运行管理难度；引水管道内的水流流速通常高于鱼道主体内的流速，且随不同阀门启闭而自适应改变，故需要消能体将引水管道内的不同高水流流速衰减至恒定的鱼道主体内的流速，提高了管道消能体适应能力的要求，增加了消能体的设计研究难度；高水位时，需要对鱼道进行大量补水以提高竖缝射流流速，过大补水量造成水资源浪费与蓄水能量的损失，例如Santo Antnio水电站鱼道的最大补水量为52m3/s，而鱼道自身过流流量为10m³/s，可见Presidimum岛吸引水流系统最大补水量相当于鱼道自身过流流量的5.2倍。

基于泄水流量变化引起拦水建筑物下游水位变动的情况，高进鱼效率、小过流流量、低投资成本、少运行操作的鱼道进口成为竖缝式鱼道水力特性研究的关键课题之一。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种适应水位变动的竖缝式鱼道进口的设计方法

本发明的目的是这样实现的：一种适应水位变动的鱼道进口，包括：带有至少一个180°转弯段的竖缝式鱼道，所述竖缝式鱼道包括由多个底部倾斜的水池连接而成直段，所述的各个水池之间由设置在左岸或右岸的隔板以及设置在右岸或左岸与隔板相对错开的直段导板隔开，所述的鱼道进口包括一个与至少一个180°转弯段并排的竖缝式进口，与竖缝式进口并排的各个180°转弯段的转弯边墙的高度为该段的工作水深，所述的转弯边墙上设有挡水边墙，所述的挡水边墙上设有进鱼豁口。

一种上述适应水位变动的鱼道进口的设计方法，所述的方法的步骤如下：

计算竖缝式进口底板高程，按下列公式计算：

H_inlet= H_min - h_min

式中，H_inlet——竖缝式进口底板高程、H_min——竖缝式进口最低水位、h_min——竖缝式进口最小水深；

计算竖缝式进口的最大水深、最小水深按下列公式计算：

式中，h_max——竖缝式进口最大水深、h_min——竖缝式进口最小水深、u₀——竖缝式进口的竖缝断面平均流速、h₀——鱼道设计水深、u_f——过鱼对象的感应流速、u_b——过鱼对象的克流流速；

竖缝式进口的水位变幅Dh为：

Dh= h_max-h_min

与竖缝式进口相邻的带有豁口的180°转弯段的底板高程H₁，按以下公式计算：

H₁= H_inlet + h_max - h₀

竖缝式进口与相邻带有豁口的180°转弯段之间距离L₁，按下列公式计算：

式中，i——鱼道设计坡度，其中L₁不包括180°转弯段的长度；

豁口底端高程与180°转弯段底板高程之差为鱼道设计水深，而豁口宽度b、豁口最大水深h_1max按下列公式计算：

u_fbh_1max=u₀h_maxB

式中，B——竖缝进口的断面宽度，h_1max——豁口的水位变幅；

其他带有豁口的180°转弯段的底板高程H_i，按下列公式计算：

H_i=H_i-1+h_1max

式中，H_i-1——相邻180°转弯段的底板高程；

相邻180°转弯段的距离L_i按下列公式计算：

，

式中，L_i不包括180°转弯段的长度；

180°转弯段的个数n，按下列公式计算：

Dh+（n-1）h_1max≤H_max-H_min≤Dh+nh_1max

式中，H_max——竖缝式进口最高水位；

竖缝式进口段边墙、鱼道的导板、隔板顶端高程为最高豁口顶端高程与安全超高之和。

进一步的，所述的竖缝式进口的宽度为鱼道宽度的3/20~4/20倍。

进一步的，所述竖缝式进口的底板高程为拦水建筑物下游最低水位与3/4~5/6倍鱼道宽度的差值。

进一步的，所述的竖缝式进口与相邻180°转弯段之间的鱼道长度为2/3~1倍设计水深与鱼道底坡的比值。

进一步的，所述180°转弯段之间的鱼道长度为9/30~2/5倍设计水深与鱼道底坡的比值。

进一步的，所述的挡水边墙顶端高程为最高水位与安全超高之和。

进一步的，所述的豁口宽度为鱼道宽度的3/4~1倍。

进一步的，所述的竖缝式鱼道与180°转弯段的底坡为0。

本发明产生的有益效果是：本发明采用的竖缝式鱼道通过180°转弯段布置成折返式，实现180°转弯段与鱼道进口同侧，同时利用180°转弯段底板高程与边墙墙高的合理设置，使得在拦水建筑物下游水位变化时，鱼道内水流能自动从相应鱼道进口豁口出流或180°转弯段豁口溢流，具有良好的水位变幅自适应性。鱼道进口与180°转弯段沿下游河岸布置范围较广泛，洄游鱼类可通过其豁口逆水流游入鱼道内部，提高了进鱼效率。相对于多进口切换方式，避免了鱼道进口闸门切换引起的水流紊乱，更方便鱼道内的洄游鱼类上溯，有利于提高过鱼效率。相对于单进口竖缝式鱼道分段补水方式，无需设置吸引水流系统与自动控制补水量系统装置，一定程度上降低了工程投资、运行成本与设备维修费用，同时避免了鱼道补水所需的大量库容水，节约了水资源，更有利于蓄水能量的充分利用。自动适应水位变幅的鱼道进口，无需人工或自动系统操作控制，且折返式鱼道能有效节约施工空间，方便在竖缝式鱼道实际工程中推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述鱼道进口的结构示意图；

图2是本发明的实施例一所述鱼道进口的结构示意图，是图1中A向视图；

图3是本发明的实施例一所述鱼道进口的原理示意图，是图1中D-D向视图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种适应水位变动的鱼道进口，如图1、2、3所示。包括：带有至少两个180°转弯段4的竖缝式鱼道，所述竖缝式鱼道包括由多个底部倾斜的水池3连接而成直段，所述的各个水池之间由设置在左岸或右岸的隔板1以及设置在右岸或左岸与隔板相对错开的直段导板2隔开，所述的鱼道进口包括一个与至少一个180°转弯段并排的竖缝式进口7，与竖缝式进口并排的各个180°转弯段的转弯边墙的高度401为该段的工作水深，所述的转弯边墙上设有挡水边墙6，所述的挡水边墙上设有进鱼豁口5。

本实施例就是利用鱼道的180°折返段在不同的水平高度上设置豁口，当水位在不同高度180°折返段上下变化时，不同高度的豁口与水位相适应，使鱼类方便的进入鱼道。如图1所示，是一个具有一个竖缝式进口（图1、2中鱼类按箭头B进入鱼道）和两个豁口（图1、2中鱼类按箭头B₁、B₂进入鱼道）的鱼道，但都是从同一个出口游出鱼道（图2中箭头C的方向）。鱼道的两个豁口在两个180°折返段上，竖缝式进口和两个豁口并排，水位在三个口之间上下变化，而不会影响鱼类找到鱼道进口。

图3说明了竖缝式进口与豁口之间的水位高程的关系.如图3所示，竖缝式进口水池的底部701最低，而竖缝式进口相邻的180°转弯段的底部402高于竖缝式进口水池的底部，但低于180°转弯段边墙高度。

本实施例的运行的原理为：鱼道通过180°转弯段布置成折返式，鱼道的竖缝式进口同侧的180°转弯段，其转弯边墙墙高（见图3）设计为工作水深。当水位低于转弯边墙顶端高程时，水流因重力做功汇入鱼道竖缝进口的水池，最终受水位差作用，从鱼道进口的竖缝流出鱼道，竖缝宽度是根据流量平衡公式计算所得。当水位超过转弯边墙顶端高程时，由于竖缝式进口、180°转弯段及之间设置的隔板与导板阻碍水流流动，鱼道内的水流开始从转弯边墙顶部溢出，溢流流速由设计的豁口宽度控制在合理范围内，豁口宽度是根据能量损失规律与流量平衡公式演算所得。水位上涨超过上游、同侧180°转弯段的转弯边墙顶端高程时，水流受到隔板与导板的阻碍作用而开始从此转弯边墙顶部溢流，同时设计的豁口宽度控制溢流流速为合理值；鱼道进口处可设置多个180°转弯段以适应拦水建筑物下游水位大变幅，且不同水位时，鱼道内的水流自动从鱼道的竖缝式进口出流或不同180°转弯段的豁口溢流，方便洄游鱼类逆水流游入鱼道内部。

所述的竖缝式鱼道可以是任何形式的竖缝式鱼道。

实施例二：

本实施例是一种实施例一所述适应水位变动的鱼道进口的设计方法。所述的方法的具体步骤如下：

竖缝式进口底板高程可决定竖缝断面最小水深，其按下列公式计算：

H_inlet= H_min - h_min

式中，H_inlet——竖缝式进口底板高程、H_min——竖缝式进口最低水位、h_min——竖缝式进口最小水深；

竖缝式进口的最大水深、最小水深分别决定竖缝断面最小流速、最大流速。计算竖缝式进口的最大水深、最小水深按下列公式计算：

式中，h_max——竖缝式进口最大水深、h_min——竖缝式进口最小水深、u₀——竖缝式进口的竖缝断面平均流速、h₀——鱼道设计水深、u_f——过鱼对象的感应流速、u_b——过鱼对象的克流流速；

竖缝式进口的水位变幅Dh可决定竖缝断面的流速变化范围，其计算公式为：

Dh= h_max-h_min

与竖缝式进口相邻的带有豁口的180°转弯段的底板高程H₁可决定豁口适应的水位变化幅度，按以下公式计算：

H₁= H_inlet + h_max - h₀

竖缝式进口与相邻带有豁口的180°转弯段之间距离L₁可决定修建常规水池的数量，按下列公式计算：

式中，i——鱼道设计坡度；需要说明的是L₁不包括180°转弯段的长度；

豁口底端高程与180°转弯段底板高程之差为鱼道设计水深，而豁口宽度b、豁口最大水深h_1max可以决定豁口处的最小出流流速，按下列公式计算：

u_fbh_1max=u₀h_maxB

式中，B——竖缝进口的断面宽度，h_1max——豁口的水位变幅；

其他带有豁口的180°转弯段的底板高程H_i决定豁口适应水位变化的幅度，按下列公式计算：

H_i=H_i-1+h_1max

式中，H_i-1——相邻180°转弯段的底板高程；

相邻180°转弯段的距离L_i可决定修建常规水池的数量，按下列公式计算：

；式中需要说明的是L_i不包括180°转弯段的长度。

180°转弯段的个数n决定总的工程量，按下列公式计算：

Dh+（n-1）h_1max≤H_max-H_min≤Dh+nh_1max

式中，H_max——竖缝式进口最高水位；

竖缝式进口段边墙、鱼道的导板、隔板顶端高程为最高豁口顶端高程与安全超高之和。

实施例三：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二的关于竖缝式进口的细化。本实施例所述的竖缝式进口的宽度为鱼道宽度的3/20~4/20倍。这个参数是根据洄游鱼类的种类、大小、习性等特征确定的。

较为优化的数值为：3/20倍。

实施例四：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二的关于竖缝式进口的细化。本实施例所述竖缝式进口的底板高程为拦水建筑物下游最低水位与3/4~5/6倍鱼道宽度的差值。

这个参数是根据鱼类的感应流速、喜爱流速、极限流速等生物学指标而定。

较为优化的数值为5/6倍。

实施例五：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二的关于竖缝式进口的细化。本实施例所述的竖缝式进口与相邻180°转弯段之间的鱼道长度为2/3~1倍设计水深与鱼道坡度的比值。

这个参数是根据竖缝式进口所能适应的水位变幅而定。

较为优化的数值为：2/3倍。

实施例六：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二的关于竖缝式进口的细化。本实施例所述180°转弯段，之间的鱼道长度为9/30~2/5倍设计水深与鱼道坡度的比值。

这个参数是根据豁口所能适应的水位变幅而定。

较为优化的数值为：9/30。

实施例七：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于挡水边墙的细化。本实施例所述的挡水边墙顶端高程为最高水位与安全超高之和。

本实施例所述的挡水边墙的高度实际应当与鱼池的所有挡水边墙高度相同，但如果需要也可以降低高度。

所述的“安全超高”是安全超高水位的简称，即设置鱼道处河道水文历史记载的最高水位。

实施例八：

本实施例是实施例二的改进，是实施例关于豁口宽度的细化，本实施例所述的豁口宽度为鱼道宽度的3/4~1倍。

这个参数是根据豁口的速度变化范围而定。

较为优化的数值为3/4倍。

实施例九：

本实施例是实施例二的改进，是实施例关于竖缝式进口与180°转弯段的细化。本实施例所述的竖缝式进口与180°转弯段的底坡为0。

180°转弯段底板为平坡是为了降低水流的紊动强度，若有工程需求，可适当增加。而竖缝式进口处的平坡同样可以减少紊流，提高诱鱼的效果。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如竖缝式鱼道的形式、转弯段的形式、竖缝式进口和豁口的形式等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种适应水位变动的鱼道进口的设计方法，所述的鱼道进口包括：带有至少一个180°转弯段的竖缝式鱼道，所述竖缝式鱼道包括由多个底部倾斜的水池连接而成直段，所述的各个水池之间由设置在左岸或右岸的隔板以及设置在右岸或左岸与隔板相对错开的直段导板隔开，所述的鱼道进口包括一个与至少一个180°转弯段并排的竖缝式进口，与竖缝式进口并排的各个180°转弯段的转弯边墙的高度为该段的工作水深，所述的转弯边墙上设有挡水边墙，所述的挡水边墙上设有进鱼豁口；

其特征在于，所述的方法的步骤如下：

计算竖缝式进口底板高程，按下列公式计算：

H_inlet= H_min - h_min

式中，H_inlet——竖缝式进口底板高程、H_min——竖缝式进口最低水位、h_min——竖缝式进口最小水深；

计算竖缝式进口的最大水深、最小水深按下列公式计算：

式中，h_max——竖缝式进口最大水深、h_min——竖缝式进口最小水深、u₀——竖缝式进口的竖缝断面平均流速、h₀——鱼道设计水深、u_f——过鱼对象的感应流速、u_b——过鱼对象的克流流速；

竖缝式进口的水位变幅Dh为：

Dh= h_max-h_min

与竖缝式进口相邻的带有豁口的180°转弯段的底板高程H₁，按以下公式计算：

H₁= H_inlet + h_max - h₀

竖缝式进口与相邻带有豁口的180°转弯段之间距离L₁，按下列公式计算：

式中，i——鱼道设计坡度，其中L₁不包括180°转弯段的长度；

豁口底端高程与180°转弯段底板高程之差为鱼道设计水深，而豁口宽度b、豁口最大水深h_1max按下列公式计算：

u_fbh_1max=u₀h_maxB

式中，B——竖缝进口的断面宽度，h_1max——豁口的水位变幅；

其他带有豁口的180°转弯段的底板高程H_i，按下列公式计算：

H_i=H_i-1+h_1max

式中，H_i-1——相邻180°转弯段的底板高程；

相邻180°转弯段的距离L_i按下列公式计算：

， L_i不包括180°转弯段的长度；

180°转弯段的个数n，按下列公式计算：

Dh+（n-1）h_1max≤H_max-H_min≤Dh+nh_1max

式中，H_max——竖缝式进口最高水位；

竖缝式进口段边墙、鱼道的导板、隔板顶端高程为最高豁口顶端高程与安全超高之和。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的竖缝式进口的宽度为鱼道宽度的3/20~4/20倍。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述竖缝式进口的底板高程为拦水建筑物下游最低水位与3/4~5/6倍鱼道宽度的差值。

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的竖缝式进口与相邻180°转弯段之间的鱼道长度为2/3~1倍设计水深与鱼道坡度的比值。

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述180°转弯段之间的鱼道长度为9/30~2/5倍设计水深与鱼道坡度的比值。

6.根据如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的挡水边墙顶端高程为最高水位与安全超高之和。

7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的豁口宽度为鱼道宽度的3/4~1倍。

8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的竖缝式鱼道与180°转弯段的底部坡度为0。