CN108824381B - 一种局部挡水高度可调节的阶梯型鱼道及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局部挡水高度可调节的阶梯型鱼道及其设计方法，包括呈阶梯式分布设置的鱼道；鱼道上分布有若干块将鱼道间隔隔开的隔板；相邻隔板之间为池室；隔板包括并排设置的溢流隔板和液压翻板式隔板；液压翻板式隔板的一侧面与至少两个液压缸的活塞杆动力连接。本发明依据鱼类洄游期河道流量变化范围，对鱼道各个组成部件进行参数设置，使各个组成部件之间相互契合。在使用时，可根据鱼类游泳特性调整隔板位置，能够有效应对低流量断流造成的影响，扩大阶梯型池式鱼道的流量适应范围，能够有效地解决传统阶梯型池式鱼道对河道低流量适应性差的问题。

Description

一种局部挡水高度可调节的阶梯型鱼道及其设计方法

技术领域

本发明属于鱼道的技术领域，具体涉及一种局部挡水高度可调节的阶梯型鱼道及其设计方法。

背景技术

鱼类洄游是因其生长发育和外界环境变化的需要而在长期适应过程中所获得的特性，是一种周期性、定向性和集群性的迁移活动。鱼类通过洄游可以实现自然选择和自我调节，从而保证其种质优良及遗传多样性。天然河流上修建永久性拦河建筑物后，使原来连续的河流生态系统被分隔成片段环境单元，对鱼类造成最直接的不利影响就是阻隔了洄游通道。最近一个世纪，鱼类物种和数量正在急速减少，而大坝是造成全球9000种可识别淡水鱼近1\5遭受灭绝、受威胁或濒危的主要原因。目前我国已建的水库大坝约有9.8万多座，另外还有数以万计的闸堰等水利设施建设已达到无法统计的程度。这些人工建筑物阻断了河流水生生境，阻隔鱼类洄游通道，阻碍上下游鱼类种质交流，导致河流鱼类资源逐年衰退。

鱼道是在闸、坝或天然障碍处为沟通鱼类洄游通道而设置的一种过鱼建筑物，对保护鱼类种群完整性、恢复河流生态系统部分功能具有重要意义。通过在挡水建筑物上设置鱼道，可以满足洄游性鱼类的上溯或降河要求。国内外研究者在大量的研究和观测基础上，已经提出了水池式、竖缝式、挡板式、简易式等各种形式的鱼道，每种鱼道形成不同的水流条件，以满足不同地形和水文条件下，不同鱼种顺利通过闸坝等挡水建筑物。

总结国内外鱼道建设及运行的成功经验与失败教训可知，鱼道是一个鱼类生态习性与水力学等多学科交叉的课题，其中鱼道水力学问题是影响鱼道成功的关键问题。鱼道水力学主要包括三个关键问题：第一，鱼道入口附近的水流流态和流速分布；第二，鱼道内部流量、流速、水深和流态的控制；第三，鱼道出口附近的流态及流速分布。其中，鱼道内部水流条件的控制一方面要满足多种水文条件下水力学意义上的消能需要，另一方面也要满足鱼类游泳特性和栖息条件的需要，即在河道丰枯水不同来水条件下，通过采取特定消能方式在预定的鱼道长度内消除闸坝上下游水头差，同时形成适合上溯鱼类身体特征、游泳能力、跳跃速度以及行为特征所需的水流条件。

根据消能方式的不同，鱼道大致可分为水池式消能和阻流式消能控制两种。其中，水池式消能是通过溢流或孔口出流，在水池内降低部分流速水头。阻流式消能是通过鱼道底部铺设粗石或侧壁设置导流板等方式增加抵抗水流能力，形成旋涡流或扰流而降低流速水头的消能方式。阶梯型池式鱼道就是一种典型的水池式鱼道，每一级鱼道池室之间通过混凝土隔板分隔，上下游相邻的两个混凝土隔板之间是水池型的鱼道池室。水流通过混凝土隔板溢流下泄，以堰流方式实现池室之间的水流衔接。这种鱼道结构适合香鱼、裸鲤等在河道上层游泳、跳跃能力较强的鱼类。但是阶梯型池式鱼道存在一个比较大的问题，就是其适应的流量范围较小。当流量较小时，混凝土隔板上的堰上水深太浅，水池之间的水流就变得不再连续，此时鱼类就不能沿着溢流的水舌上溯，鱼类就会被搁浅在水池内，鱼道就失去了洄游通道的功能。

现有阶梯型鱼道尤其全断面阶梯型鱼道难以应对变化范围较大的水文条件，小流量条件会导致鱼道水流连续性下降，使得鱼类洄游通道受阻。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种局部挡水高度可调节的阶梯型鱼道及其设计方法，以解决传统阶梯型池式鱼道对河道低流量适应性差的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种局部挡水高度可调节的阶梯型鱼道及其设计方法，其包括呈阶梯式分布设置的鱼道；鱼道上分布有若干块将鱼道间隔隔开的隔板；相邻隔板之间为池室；隔板包括并排设置的溢流隔板和液压翻板式隔板；液压翻板式隔板的一侧面与至少两个液压缸的活塞杆动力连接。

一种局部挡水高度可调节的阶梯型鱼道的设计方法，其包括：

根据保护鱼种平均跳跃高度计算得到相邻隔板顶部的高程差：

H₁≤δ

其中，δ为保护鱼种的跳跃高度，H₁为相邻隔板顶部的高程差；

根据河床阻力和其最高的稳定性，计算每一级池室顺水流方向的长度L：

其中，L为阶梯-深潭的单元长度，S为河槽坡降，H_s为阶梯高度， H_s＝y₁+H₁，y₁为鱼类上溯适宜的平均水深；

根据鱼道工程的设计流量Q₁，且在液压翻板式隔板位于最高高度时，采用宽顶堰流量公式计算鱼道池室溢流隔板总体宽度B1：

其中，g为重力加速度，σ_s为淹没系数，σ_c为收缩系数，H₀为鱼道池室溢流隔板上的水头，H₀取2～4倍的h_m，h_m为鱼类洄游的最小水深，m为流量系数，采用进口边缘修圆的宽顶堰流量系数计算公式，如下：

m＝0.36，P/H≥3.0

式中，P为鱼道溢流隔板上游方向的高度，H为溢流堰隔板上的水深；

根据鱼道最小流量Q₂，利用宽顶堰流量公式可得到液压翻板式隔板的宽度 B₂：

其中，各个字母与溢流隔板总体宽度B1计算公式中字母含义相同；

根据保护鱼种的游泳能力确定若干块液压翻板式隔板的布置形式：

若保护鱼种具有较强的游泳能力，则将若干块液压翻板式隔板同列布置；

若保护鱼种具有较弱的游泳能力，则将若干块液压翻板式隔板交错布置。

优选地，通过在水槽内进行若干组鱼道模拟试验，当阶梯高度H_s、阶梯- 深潭的单元长度L和河槽坡降S的满足限制条件为：

时，

将形成最大的河床阻力和最高的稳定性。

本发明提供的局部挡水高度可调节的阶梯型鱼道及其设计方法，具有以下有益效果：

本发明依据鱼类洄游期河道流量变化范围，对鱼道各个组成部件进行参数设置，使各个组成部件之间相互契合。在使用时，可根据鱼类游泳特性调整隔板位置，能够有效应对低流量断流造成的影响，扩大阶梯型池式鱼道的流量适应范围，能够有效地解决传统阶梯型池式鱼道对河道低流量适应性差的问题。

水资源再分配：

遭遇干旱天气，人畜用水紧张，同时鱼类洄游对连续水流的需求也有较强的时效性，通过局部调节阶梯型鱼道的液压翻板隔板，可以有效调控、监测生态流量的大小，便于核算下泄流量的生态效益。

增强局部消能效果，提高过鱼效果：

当上游水流量较大时，池式内水流流态紊动过强，同时可能产生大量掺气水流，这种水流旋滚和掺气对鱼类上溯造成迷失方向等不利影响。通过开启液压翻板隔板，可增大局部位置水流流量，降低混凝土隔板区流速，有利于鱼类穿越混凝土阶梯鱼道，提高过鱼效果。

附图说明

图1为局部挡水高度可调节的阶梯型鱼道及其设计方法鱼道的结构图。

图2为鱼道同列布置图。

图3为鱼道交错布置图。

其中，1、鱼道；2、溢流隔板；3、液压翻板式隔板。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的局部挡水高度可调节的阶梯型鱼道及其设计方法，其包括呈阶梯式分布设置的鱼道1。

鱼道1上分布有若干块将鱼道1间隔隔开的隔板，相邻隔板之间为池室，隔板包括并排设置的溢流隔板2和液压翻板式隔板3，液压翻板式隔板3的一侧面与至少两个液压缸的活塞杆动力连接，液压缸根据水流量调节液压翻板式隔板3的开启角度。当河道上游来流量较大时，液压翻板式隔板3与邻近溢流隔板2共同形成挡水阶梯。当河道上游来流量较小，溢流隔板2几近断流时，依据来流量Q的大小，确定液压翻板式隔板3的开启角度，形成局部水力连通，从而扩大鱼道1对于流量的适用范围，保障鱼道1连续过鱼。

根据本申请的一个实施例，一种局部挡水高度可调节的阶梯型鱼道的设计方法，其包括：

根据保护鱼种平均跳跃高度计算得到相邻隔板顶部的高程差：

H₁≤δ

其中，δ为保护鱼种的跳跃高度，H₁为相邻隔板顶部的高程差。

根据河床阻力和其最高的稳定性，计算每一级池室顺水流方向的长度。

阶梯式鱼道1的结构形式与山区河流所特有阶梯-深潭结构相类似。阶梯- 深潭在山区河流中是一种常见的地貌现象，通常阶梯都由卵石和巨石组成，而深潭中的泥沙主要是细沙，粗沙和少量砾石，河道在顺水流方向上呈现重复的阶梯状。

阶梯-深潭结构能够增加水流阻力，消减水流动能，能对河床起到保护作用，而且具有重要的生态功能。Abraham等以最大洪水能挟带最大石块为假设前提，通过若干组水槽模拟试验和对至少18条发育的阶梯-深潭系统的山区河流的调查研究，发现阶梯深潭系统在阶梯均匀分布且满足

(H_s为阶梯高度， L为阶梯-深潭的单元长度，S为河槽坡降)时，将形成最大的河床阻力和最高的稳定性。

同时，阶梯式池室鱼道1的池深为鱼类上溯适宜的平均水深y₁，可以通过对目标保护鱼种的现场调查获得，则阶梯式鱼道1的每一级的阶梯高度为：

H_s＝y₁+H₁

则鱼道1池室顺水流方向长度L：

取

其中，L为阶梯-深潭的单元长度，S为河槽坡降，H_s为阶梯高度。

根据鱼道1工程的设计流量Q₁，且在液压翻板式隔板3位于最高高度时，即溢流隔板2的高度与液压翻板式隔板3的高度相同，采用宽顶堰流量公式计算鱼道1池室溢流隔板2总体宽度B1：

其中，g为重力加速度，σ_s为淹没系数，当隔板下游池室的水位影响上游隔板的溢流能力时，堰流为淹没堰流，其影响用淹没系数来表达，可以通过查询水力设计手册获得淹没系数的取值；当下游池室水位不影响隔板的溢流能力时，为自由堰流状态，淹没系数取值为1.0。

σ_c为收缩系数，H₀为鱼道池室溢流隔板上的水头，H₀取2～4倍的h_m，h_m为鱼类洄游的最小水深，m为流量系数，采用进口边缘修圆的宽顶堰流量系数计算公式，如下：

m＝0.36，P/H≥3.0

式中，P为鱼道1溢流隔板2上游方向的高度，H为溢流堰隔板上的水深。

当鱼道1的流量很小，鱼道1池室水流不连续时，需要降低液压翻板式隔板3的高度，鱼道1水流由原来的溢流隔板2全长度溢流转变为仅在溢流隔板2 上溢流时。

根据鱼道1最小流量Q₂，利用宽顶堰流量公式可得到液压翻板式隔板3的宽度B₂：

其中，各个字母与溢流隔板2总体宽度B1计算公式中字母含义相同。

参考图2和图3，根据保护鱼种的游泳能力确定若干块液压翻板式隔板3的布置形式：

若保护鱼种具有较强的游泳能力，则将若干块液压翻板式隔板3同列布置；

若保护鱼种具有较弱的游泳能力，则将若干块液压翻板式隔板3交错布置。

本发明依据鱼类洄游期河道流量变化范围，对鱼道1各个组成部件进行参数设置，使各个组成部件之间相互契合。在使用时，可根据鱼类游泳特性调整隔板位置，能够有效应对低流量断流造成的影响，扩大阶梯型池式鱼道1的流量适应范围，能够有效地解决传统阶梯型池式鱼道1对河道低流量适应性差的问题。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种局部挡水高度可调节的阶梯型鱼道的设计方法，其特征在于，包括：

呈阶梯式分布设置的鱼道；所述鱼道上分布有若干块将鱼道间隔隔开的隔板；相邻所述隔板之间为池室；所述隔板包括并排设置的溢流隔板和液压翻板式隔板；所述液压翻板式隔板的一侧面与至少两个液压缸的活塞杆动力连接；

根据保护鱼种平均跳跃高度计算得到相邻隔板顶部的高程差：

H₁≤δ

其中，δ为保护鱼种的跳跃高度，H₁为相邻隔板顶部的高程差；

根据河床阻力和其最高的稳定性，计算每一级池室顺水流方向的长度L：

其中，L为阶梯-深潭的单元长度，S为河槽坡降，H_s为阶梯高度，H_s＝y₁+H₁，y₁为鱼类上溯适宜的平均水深；

根据鱼道工程的设计流量Q₁，且在液压翻板式隔板位于最高高度时，采用宽顶堰流量公式计算鱼道池室溢流隔板总体宽度B1：

其中，g为重力加速度，σ_s为淹没系数，σ_c为收缩系数，H₀为鱼道池室溢流隔板上的水头，H₀取2～4倍的h_m，h_m为鱼类洄游的最小水深，m为流量系数，采用进口边缘修圆的宽顶堰流量系数计算公式，如下：

m＝0.36，P/H≥3.0

式中，P为鱼道溢流隔板上游方向的高度，H为溢流堰隔板上的水深；

根据鱼道最小流量Q₂，利用宽顶堰流量公式可得到液压翻板式隔板的宽度B₂：

其中，各个字母与溢流隔板总体宽度B1计算公式中字母含义相同；

根据保护鱼种的游泳能力确定若干块液压翻板式隔板的布置形式：

若保护鱼种具有较强的游泳能力，则将若干块液压翻板式隔板同列布置；

若保护鱼种具有较弱的游泳能力，则将若干块液压翻板式隔板交错布置。

2.根据权利要求1所述的局部挡水高度可调节的阶梯型鱼道的设计方法，其特征在于，通过在水槽内进行若干组鱼道模拟试验，当所述阶梯高度H_s、阶梯-深潭的单元长度L和河槽坡降S的满足限制条件为：

时，

将形成最大的河床阻力和最高的稳定性。

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