CN106049378B - 一种适应水位变动的鱼道出口和设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适应水位变动的鱼道出口和设计方法，包括：溢流段，溢流段与出游段连接，溢流段由多个长度与宽度与常规水池相同的溢流池连接形成，鱼道与溢流段之间、溢流段与出游段之间、各个常规水池之间、各个溢流池之间均设有过鱼设施；出游段的宽度与常规水池相同，出游段的侧墙高度略高于水库上游水位变动差的最高值；出游段和溢流段各个溢流池的底部在同一水平线上。本发明采用在鱼道的出口设置溢流段和出游段的方式，使不断变化的上游水库的水位在流入鱼道时首先按照鱼道的各个常规水池的水位变化等差下落，以保证水流进入鱼道后不会增加流量，干扰鱼类的游动，形成一个即便上游水库水位变化，保证鱼类能够顺畅进入上游水库的溢流段。

Description

一种适应水位变动的鱼道出口和设计方法

技术领域

本发明涉及一种适应水位变动的鱼道出口和设计方法，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

诸多水工建筑物的上游水位均非恒定值，往往有一定的变幅，尤其是日调节水库，变幅更大。而竖缝式鱼道出口通常布置在水工建筑物上游，因其正常运行时所适应的水深变幅相对较小，因此鱼道单出口将难以适应上游库区水位的大变幅变动。目前解决上述问题所采取的措施为在竖缝式鱼道上游布置多个不同高程的出口，且各鱼道出口处均需设置闸门。鱼道正常运行过程中，需根据水位变化启闭不同闸门，以完成不同出口的切换工作。

针对设置多个不同高程的竖缝式鱼道而言，水工建筑物（尤其是日调节水库）上游水位大变幅、迅速变化将会引起出口闸门的频繁切换，因而降低了鱼道内水流流态的稳定性，不利于鱼类上溯。另外，多出口竖缝式鱼道需要布置多个闸门与其相应自动化控制系统，提高了前期工程建设投资成本与后期设备运行维修费用，增加了鱼道建设与运行管理难度。

综合目前研究成果，为适应水工建筑物上游水位大变幅变化，竖缝式鱼道需设置多个出口，但不同出口之间的切换工作导致鱼道运行过程过于复杂，且造成鱼道部分运行时段水流流态的不稳定性，影响过鱼效率。基于竖缝式鱼道适应上游库区水位大幅度变化问题，简单高效、低投资成本、少运行操作的鱼道出口与其设计方法成为竖缝式鱼道水力特性的关键课题之一。

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鱼道出口和设计方法。所述的鱼道口和设计方法通过不同的高差的鱼道口，自动的适应水位的变化，无需不断的随水位进行调节。

本发明的目的是这样实现的：一种适应水位变动的鱼道出口，包括：与由多个常规水池串联形成的鱼道连接的溢流段，所述的溢流段与出游段连接，所述的溢流段由多个长度与宽度与常规水池相同的溢流池连接形成，所述的鱼道与溢流段之间、溢流段与出游段之间、各个常规水池之间、各个溢流池之间均设有过鱼设施；所述的出游段的宽度与常规水池相同，所述的出游段的侧边墙高度为上游水库变动水位差、常规水池最小水深与安全超高之和；所述出游段和溢流段各个溢流池的底坡与鱼道底坡一致；所述溢流池的侧边墙上设有溢流口，所述的溢流段的下游第一个溢流池的溢流口位置在常规水池中的鱼道正常运行水深的高度，所述的溢流段的上游第一个溢流池的溢流口位置略低于水库水位变动的最高水位，所述溢流段的其他各个溢流池的溢流口位置在下游第一个溢流池的溢流口位置与上游第一个溢流池的溢流口位置之间按鱼道底坡的升高等差分布。

进一步的，所述的过鱼设施包括：导板和隔板，以及导板和隔板配合形成竖缝。

进一步的，所述的溢流口为矩形缺口、三角形缺口、圆形缺口中的一种，溢流口上设有拦鱼网。

进一步的，所述的溢流段设置溢流口的侧边墙外设有弃水池。

进一步的，所述的弃水池的长度与溢流段相等，宽度为0.5~1.0倍鱼道正常运行水深。

进一步的，所述的弃水池与集水池通过引流管连接，所述的集水池与鱼道进口的诱鱼喷射口连接。

进一步的，所述的引流管，其直径为0.1~0.5倍鱼道正常运行水深。

进一步的，所述的集水池内最大水深低于0.5~1.0倍鱼道正常运行水深。

进一步的，所述的集水池内最大水深时水面高程低于弃水池的最低底面高程，所述集水池底面高程等于或低于溢流段和出游段的底面高程。

一种上述自适应水位变动的鱼道出口的设计方法，所述设计方法的已知条件为：上游水库水位变动的水位差ΔH，常规水池的长度l、常规水池的正常运行水深h _z 、常规水池的最大水深h _max 、常规水池的最小水深h _min 、鱼道坡角α、溢流池个数n，所述方法的步骤如下：

计算出游段侧边墙高度的步骤：使用公式：

h ₀=ΔH+ h _min +0.25h _z

计算出游段侧边墙的高度h ₀；

计算溢流口高程差的步骤：用于通过公式：

Dh=(ΔH+h _min +nltgα-h _z )/n

计算出溢流段各个溢流池的溢流口之间的高程差Dh；

计算溢流段长度的步骤：用于通过公式：

L=nl

计算溢流段长度L；

确定溢流段各个溢流池的最大水深的步骤：用于使用公式：

h _i =ΔH+h _min -iDh，

计算溢流段各个溢流池的池底到溢流口的高度h _i ，即为溢流段中各个溢流池的最大水深深度h _i ，其中i为1，2，……，n的正整数。

本发明产生的有益效果是：本发明采用在鱼道的出口设置溢流段和出游段的方式，当鱼道出口水深高于正常水深时，使不断变化的上游水库的水位在流入鱼道时首先按照溢流口高程变化等差下落，以保证水流进入鱼道后不会增加流量，干扰鱼类的游动，同时形成一个即便上游水库水位变化，也能保证鱼类能够顺畅进入上游水库的溢流段。溢流段的形状与鱼道相类似，但水深却是随上游水库变化，而不是向鱼道那样逐渐升高，避免了鱼类由于上游水库的水位变化而困在鱼道中。

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出口的结构平面示意图；

图2是本发明的实施例以所述鱼道出口的结构立面示意图，是图1中C-C剖面图；

图3是本发明的实施例三所述鱼安装了拦鱼网的道出口结构示意图；

图4是本发明的实施例六所述设有集水池的鱼道出口结构示意图。

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出口，如图1、2所示。图1、2中显示的是本实施例应用在竖缝式鱼道中的例子。本实施例包括：与由多个常规水池串联形成的鱼道1连接的溢流段2，所述的溢流段与出游段3连接，所述的溢流段由多个长度与宽度与常规水池相同的溢流池连接形成，所述的鱼道与溢流段之间、溢流段与出游段之间、各个常规水池之间、各个溢流池之间均设有过鱼设施4；所述的出游段的宽度与常规水池相同，所述的出游段的侧边墙高度为上游水库变动水位差、常规水池最小水深与安全超高之和（图1中用水平线A表示水库上游水位变动差的最高水位）。所述出游段和溢流段各个溢流池的底坡与鱼道底坡一致；所述溢流池的侧边墙上设有溢流口5，所述的溢流段的下游第一个溢流池201的溢流口位置在常规水池中的鱼道正常运行水深的高度（图1中用斜线B表示水库上游水位变动的最低值时溢流段中各个溢流池的水位差值状况所形成的模拟水线），所述的溢流段的上游第一个溢流池202的溢流口位置略低于水库水位变动的最高水位，所述溢流段的其他各个溢流池的溢流口位置在下游第一个溢流池的溢流口位置与上游第一个溢流池的溢流口位置之间以鱼道底坡的升高等差分布。

本实施例所述的鱼道的类型为多个常规水池串联而成的鱼道。各个常规水池之间所设置的过鱼设置可以是各种形式的过鱼设施，基本要求是过鱼设施即可以过鱼也可以过水，上游水池的水流应当可以从过鱼设施的底边进入下游水池，这类鱼道如竖缝式鱼道。

本实施了所述的出游段是与鱼道同宽的水槽，其长度可以与鱼道的常规水池同长，或略长，或略短，其底坡与鱼道的底坡一致（相同的坡度），其侧边墙的高度应当超过上游水库水位变动差的最高值。

本实施例的关键在于上游水库在水位变动差的变化范围内变动时，鱼道内的鱼类可以顺利的进入上游库区，并且在上游库区高水位时不会有过大的流量进入鱼道，维持鱼道中的正常流量，避免影响鱼类的洄游。为此，本实施例在鱼道的出口处设置了溢流段。

为达到上述两个目的，本实施例在溢流段设置了与鱼道中常规水池长度、宽度和底坡相同的溢流池，整个溢流段由多个溢流池串联形成，溢流池之间也设置与常规水池之间相同的过鱼设置，如导板、隔板和竖缝。溢流池的个数根据上游水库的水位变动差和鱼道底坡，以及常规水池的长度等参数而定。

例如：常规水池的长度l与宽度B分别为2.5m与2.0m，水库上游水位变幅为DH=3.0m，鱼道正常水深为h _z =2.0m，其适应的水深变化范围为1.5~2.5m即：鱼道的常规水池的水深范围是：最小水深为h _min =1.5m；最大水深为h _max =2.5m。所述竖缝式鱼道采用2%的底坡（tgα=2%，其中α为鱼道底坡的坡角，如图2所示）。

因鱼道出口最低水深为h _min =1.5m，故出游段最大水深为h _max +DH= 4.5m。常规水池中的正常水深为h _z =2.0m，溢流池个数为20，,溢流口高程差Dh为：

Dh=(ΔH+h _min +nltgα-h _z )/n=0.175m

溢流段的长度L=nl=20×2.5=50m。

为使鱼类在上游库区的水位变动时，可以顺利的游出鱼道进入上游库区，溢流段中的各个溢流池的深度不同，但溢流池的池底在同一水平线上，这样，不论上游水库水位在什么位置，只要在水位差变动范围之内，游出鱼道的鱼类就可以通过溢流池的过鱼设置进入上游库区，而不会由于水位下降而被阻挡在鱼道中，无法游出鱼道。

如上所述的例子中，当鱼道上游第一个常规水池底板高程设为0，则溢流段上游第一个溢流池的最高水位为：

h ₁=ΔH+h _min +nltgα-Dh=3+1.5+1-0.175=5.325m

溢流段下游第一个溢流池的最高水位为：

h ₂₀=ΔH+h _min +nltgα-20Dh=5.5-3.5=2.0m

为解决上游库区水位变化而产生的鱼道流量变化的问题，本实施例在溢流池的侧壁上设置了溢流口。溢流口在溢流池侧壁上的高度根据溢流池的位置而定，即为溢流池的最高水位。

溢流段上游第一个溢流池的溢流口高度为略低于上游水库最高水位。按照上述例子，溢流段上游第一个溢流池的溢流口高度h ₁是：

h ₁=DH +h _min +nltgα-Dh =5.325m。

溢流段下游第一个溢流池的溢流口的高度与鱼道上游第一个常规水池的水位等高或略高。按照上述例子，溢流段下游第一个溢流池的溢流口的高度h ₂₀为：

H ₂₀= h _z = 2.0m。

其他各溢流池的溢流口在上述俩者之间等差排布。也就是：

h _i =ΔH+h _min +nltgα-iDh

当上游水库的水位变化时，总有一个溢流口可以将溢流池中高于该溢流口的水溢流掉，由于溢流口是按照鱼道的坡度等差排列，不论上游水库的水位多高，只要在变化范围内，进入鱼道常规水池的流量按照鱼道升高的差值增加，就可以使溢流段进入鱼道的流量稳定在一个水平上。

所述的溢流段侧边墙上的溢流口，可以有多种形式，墙上矩形的缺口，如图1所示，也可以是圆形，或三角形缺口等。溢流口可以设置一边的侧边墙上，也可以在两边的侧边墙上都设置溢流口。为防止鱼类从溢流口跳出鱼道，造成死亡，可以在缺口上设置拦鱼网。

由于溢流段的溢流口会溢出大量的水，可以在溢流段设有溢流口的侧边墙外设置弃水池。如果溢流池的两边侧边墙都设有溢流口，就需要在溢流段的两侧边都设置弃水池，如果只有一边的侧边墙上设置了溢流口，仅需要在设有溢流口的一边侧边墙外设置弃水池。

在弃水池外还可以设置集水池，将弃水池中的水集中起来，并用管道引至鱼道进口，作为引导鱼类进入鱼道的诱鱼射流使用。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例二关于过鱼设施的细化。本实施例所述的过鱼设施包括：导板401和隔板403，以及导板和隔板配合形成竖缝402，如图1所示。

本实施例所述的鱼道使用的是竖缝式鱼道，使用隔板和导板形成竖缝，令与和水从其中通过，各个常规水池的底部不断的向上升高，使鱼类可以轻松的进入上游水库。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于溢流口的细化。本实施例所述的溢流口为矩形缺口、三角形缺口、圆形缺口中的一种，溢流口上设有拦鱼网501，如图3所示。

所述的矩形溢流口的长度可以与溢流池的长度相同，实际可以看做是溢流墙短了一截，形成的溢流口。如果是其他形式的溢流口，可以在溢流池的侧边墙上开挖出各种形状的溢流口。

由于溢流池中的水位是有溢流口决定的。鱼类十分容易从溢流口上跳出溢流池，因此可以在溢流口上设置拦鱼网，放置鱼类逃出溢流池，造成鱼类死亡。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于溢流段的细化。本实施例所述的溢流段设置溢流口的侧边墙外设有弃水池6，如图1所示。

由于溢流段中各个溢流池中的水被会从溢流口中溢出，因此，可以在设有溢流口的溢流池外侧设置弃水池，使溢流口溢出的水不会随处流动，而是集中到弃水池中。弃水池的长度应当与溢流段等长或略长一些，其宽度和深度游弃水量而定。弃水池上沿的水平高度应当低于最低溢流段下游第一个溢流口的水平高度。

实施例五：

本实施例是实施例四的改进，是实施例四关于弃水池的细化。本实施例所述的弃水池的长度与溢流段相等，宽度为0.5~1.0倍鱼道正常运行水深。

弃水池的宽度可以安装鱼道的正常水深计算，也可以按照弃水量进行计算。

实施例六：

本实施例上述实施例的改进，是上述实施例关于弃水池的细化。本实施例所述的弃水池与集水池7通过引流管701连接，所述的集水池与鱼道进口的诱鱼喷射口连接，如图4所示。

所述的引流管、集水池的大小与鱼道的水深有一定关系，以便使溢流池溢出的水流可以顺畅的流入水库下游。集水池的水平高度应当低于弃水池的底板。

实施例七：

本实施例是实施例六的改进，是实施例六关于引流管的细化。本实施例所述的引流管，其直径为0.1~0.5倍鱼道正常运行水深。

实施例八：

本实施例是实施例七的改进，是实施例七关于集水池的细化。本实施例所述的集水池内最大水深低于0.5~1.0倍鱼道正常运行水深。

实施例九：

本实施例是实施例八的改进，是实施例八关于集水池的细化。本实施例所述的集水池内最大水深时水面高程低于弃水池的最低底面高程，所述集水池底面高程等于或低于溢流段和出游段的底面高程。

实施例十：

本实施例是一种上述实施例所述自适应水位变动的鱼道出口的设计方法。

本实施例所述的设计方法适应于带有多个常规水池串联形成的鱼道，各个常规水池之间设有过于设施，如果竖缝式鱼道。

所述设计方法的已知条件为：上游水库水位变动的水位差ΔH，常规水池的长度l、常规水池的正常运行水深h _z 、常规水池的最大水深h _max 、常规水池的最小水深h _min 、鱼道坡角α、溢流池个数n。其中鱼道的底坡坡度可以用百分比表示，或比例表示。本实施例所述方法的具体步骤如下：

计算出游段侧边墙高度的步骤：使用公式：

h ₀=ΔH+h _min +0.25h _z ，

计算出游段侧边墙的高度h ₀。所述的游出段是一段与上游水库的水体连接的部分，因此其侧边墙的高度应当高于上游水库变化差的上限。本公式中出游段侧边墙高度为上游水库变动水位差ΔH、常规水池最小水深h _min 与安全超高之和，这里安全超高为0.25倍的常规水池的正常运行水深h _z 。

计算溢流口高程差的步骤：用于通过公式：

Dh=(ΔH+h _min +nltgα-h _z )/n

计算出溢流段各个溢流池的溢流口之间的高程差Dh。公式可解释为：各个溢流口之间高程差为上游水库最高水位高程、溢流段下游第一个溢流口高程的差值与溢流池个数的比值。为使溢流段中的水位有一定的变化，但不影响鱼道中的流量，本实施例采取了阶梯形的水位变化，不论上游水库的水位如何变化，只要在变化范围内，就可以使鱼道中的水流流体保持稳定。因此，需要一个适当的等级变化差（水位高程差），而这个等级变化差与鱼道的坡度有关，以及常规水池的长度等参数有关，实际形成一个与常规水池差不多的溢流池，其过鱼设施的高度与各个常规水池的高程变化相符。

计算溢流段长度的步骤：用于通过公式：

L=nl

计算溢流段长度L。通过本步骤可以计算出整个溢流段的长度，也就可以确定弃水池的长度。通常情况下弃水池的长度等于或略长于溢流段的长度。

确定溢流段各个溢流池的水深的步骤：用于使用公式：

h _i =ΔH+h _min -iDh，

计算溢流段各个溢流池的池底到溢流口的高度h _i ，即为溢流段中各个溢流池的最大水深深度h _i ，其中i为1，2，……，n的正整数。本步骤中，各个溢流池的溢流口的高度实际就是溢流池的水位高度，各个溢流池的水位高度可以使鱼道的各个常规水池维持稳定的流量，同时可以使游出鱼道的鱼类可以顺畅的进入上游水库，而不会由于上游水库的水位变化，被阻止在鱼道中而大量死亡。

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（比如鱼道的形式、鱼道的长短尺寸、步骤的先后顺序等）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 (1)

1.一种适应水位变动的鱼道出口的设计方法，所述方法所设计的鱼道口包括：与由多个常规水池串联形成的鱼道连接的溢流段，所述的溢流段与出游段连接，所述的溢流段由多个长度与宽度与常规水池相同的溢流池连接形成，所述的鱼道与溢流段之间、溢流段与出游段之间、各个常规水池之间、各个溢流池之间均设有过鱼设施；所述的出游段的宽度与常规水池相同，所述的出游段的侧边墙高度为上游水库变动水位差、常规水池最小水深与安全超高之和；所述出游段和溢流段各个溢流池的底坡与鱼道底坡一致；所述溢流池的侧边墙上设有溢流口，所述的溢流段的下游第一个溢流池的溢流口位置在常规水池中的鱼道正常运行水深的高度，所述的溢流段的上游第一个溢流池的溢流口位置略低于水库水位变动的最高水位，所述溢流段的其他各个溢流池的溢流口位置在下游第一个溢流池的溢流口位置与上游第一个溢流池的溢流口位置之间按鱼道底坡的升高等差分布，所述的过鱼设施包括：导板和隔板，以及导板和隔板配合形成竖缝，所述的溢流口为矩形缺口、三角形缺口、圆形缺口中的一种，溢流口上设有拦鱼网，所述的溢流段设置溢流口的侧边墙外设有弃水池，所述的弃水池的长度与溢流段相等，宽度为0.5~1.0倍鱼道正常运行水深，所述的弃水池与集水池通过引流管连接，所述的集水池与鱼道进口的诱鱼喷射口连接，所述的引流管，其直径为0.1~0.5倍鱼道正常运行水深，所述的集水池内最大水深低于0.5~1.0倍鱼道正常运行水深，所述的集水池内最大水深时水面高程低于弃水池的最低底面高程，所述集水池底面高程等于或低于溢流段和出游段的底面高程；

所述设计方法的已知条件为：上游水库水位变动的水位差ΔH，常规水池的长度l、常规水池的正常运行水深h _z 、常规水池的最大水深h _max 、鱼道坡角α、溢流池个数n，其特征在于，所述方法的步骤如下：

计算出游段侧边墙高度的步骤：使用公式：

h ₀=ΔH+h _min +0.25h _z ，

计算出游段侧边墙的高度h ₀；

计算溢流口高程差的步骤：用于通过公式：

Dh=(ΔH+h _min +nltgα-h _z )/n

计算出溢流段各个溢流池的溢流口之间的高程差Dh；

计算溢流段长度的步骤：用于通过公式：

L=nl

计算溢流段长度L；

确定溢流段各个溢流池的水深的步骤：用于使用公式：

h _i =ΔH+h _min -iDh，

计算溢流段各个溢流池的池底到溢流口的高度h _i ，即为溢流段中各个溢流池的最大水深深度h _i ，其中i为1，2，……，n的正整数。