CN110396998B - 符合自然流动规律和鱼类行为特点的进鱼口设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了符合自然流动规律和鱼类行为特点的进鱼口设计方法，包括五个部分，一是调查收集工程区域鱼类的种类与习性，二是收集或通过鱼类游泳能力测试确定靶鱼的特征流速，包括感应流速S_r、突进泳速S_b、和S_l喜好流速，三是获取天然河流靶鱼极限流量，四是从工程建成后实际的运行功能出发，寻找与工程前天然状态靶鱼喜好水流条件吻合度高的闸门及过鱼设施运行方式，五是确定对靶鱼有足够吸引力的进鱼口诱鱼水流条件和进鱼口体型。本发明可充分发挥工程原有的运行功能，找到符合天然河流流动特性和鱼类洄游及集群行为所喜好水力学特征的最佳过鱼技术路线，过鱼效率高，对保护生物多样性及河流的联通性具有重要社会经济和环境效益。

Description

符合自然流动规律和鱼类行为特点的进鱼口设计方法

技术领域

本发明属于过鱼设施工程建设技术领域，具体涉及符合自然流动规律和鱼类行为特点的进鱼口设计方法。

背景技术

天然河流上修建永久性拦河建筑物后，改变了河流的连贯性和水文节律，这对完成生活史过程中需要进行大范围迁移的洄游性和半洄游性水生物，往往是毁灭性打击，由于这些水生物不能到达原来的繁殖场、索饵场或越冬场去完成生活史，导致资源量受到严重影响，种群遗传多样性下降，鱼类品质退化，珍稀濒危的鱼类面临绝迹的风险。江苏省扬州地区三河和万福闸的建设，切断了湖泊与长江的鱼类洄游路线，曾使洪泽湖的水产资源的总产量下降71-79％，长江上溯鱼类减少57％，经济价值大的鱼类明显减小，杂鱼明显增加，鳗鱼及蟹类几乎绝迹。事实上，任何一项水利工程其本质上应该是生态工程，水利工程在改变自然为人类造福的同时不应以破坏生态为代价，鱼类是自然河川的主人，鱼道是闸坝为鱼类洄游而兴建的一种过鱼建筑物，是保护天然渔业资源、达到生物多样性及可持续发展的重要措施，其成功与否是河流生态系统健康的重要评价指标。世界上最早的鱼道出现在法国，1662年法国西南部的贝阿尔省首次颁布规定，要求在堰、坝上建造鱼类上下行的通道，以利水生物上溯。20世纪60年代后，鱼道在美国、加拿大、欧洲及日本得到了长足发展，但由于缺乏对鱼类行为学与天然河流流动特性的深入研究，关键核心技术尚未突破，真正成功的鱼道并不多，1991年北非塞布河加尔德大坝修建的鱼道就不适合当地河流中的西鲱鱼的上溯；澳大利亚的新南威尔士，20世纪80年代中期由于采用设计标准不适应当地鱼类，最终被评定为无效，日本、中国台湾也发生过类似情况。我国鱼类种类繁多、生物多样性高、江河生态系统复杂，但直到1958年，我国才首次在浙江富春江七里垅电站建设中进行有关鱼道的科学实验，加上上世纪80-90年代的停滞期，我国鱼道的发展整整落后欧洲发达国家约300年，因此，迫切需要研发鱼道相关的技术以满足我国生态文明建设和社会进步的需求。

发明内容

(1)要解决的技术问题

鱼道进口布置是鱼道设计中首要技术问题，是过鱼设施成败的先决条件和亟待解决的技术难题，如果进鱼口没有足够吸引鱼类洄游和集群行为的水力学特征，靶鱼进不了鱼道，那么，再好的鱼道设计都起不了相应的作用。

(2)技术方案

为了克服现有技术的不足之处，本发明提供本发明为了解决现有技术的技术问题，提出符合自然流动规律和鱼类行为特点的进鱼口设计方法，符合自然流动规律和鱼类行为特点的进鱼口设计方法包括五个部分：一是调查收集工程区域鱼类的种类与习性；二是收集或通过鱼类游泳能力测试确定靶鱼的特征流速，所述特征流速包括感应流速S_r、极限流速S_b、和S_l喜好流速(持续泳速)；三是获取天然河流靶鱼极限流量；四是从工程建成后实际的运行功能出发，寻找与工程前天然状态靶鱼喜好水流条件吻合度高的闸门及过鱼设施运行方式；五是设定对靶鱼有足够吸引力的进鱼口诱鱼水流条件。

(1)、调查收集工程区域鱼类的种类与习性由下列矩阵确定：

{N}＝[n₁ n₂ n₃.......n_i]^T·[h₁ h₂ h₃......h_j]

n₁ n₂ n₃.......n_i为工程区域鱼类类别名称，i＝1～n_t，鱼类总数共计n_t种，h₁ h₂h₃......h_j为鱼类的习性，j＝1～h_t，h_t为鱼类总的习性数。

(2)、收集或通过鱼类游泳能力测试确定靶鱼的特征流速，通过下列步骤确定感应流速S_r、极限流速S_b、和S_l喜好流速(持续泳速)，由下表确定：

{M}＝[m₁ m₂ m₃.......m_i]^T·[S_ir S_il S_ib]

m₁ m₂ m₃.......m_i为靶鱼类别名称，i＝1～m_t，靶鱼种类共计m_t种，S_ir S_il S_ib为第i种靶鱼的感应流速、喜好流速、极限流速，对于有变化范围的S_ir S_il S_ib，各种靶鱼的感应流速均取小值，没有感应流速资料的重要靶鱼对象，采用喜好流速的2/3做为靶鱼感应流速，喜好流速取平均值，极限流速均取最大值，感应流速、喜好流速、极限流速均以重要靶鱼对象特征流速平均值占权重80％，次要靶鱼对象特征流速平均值占权重20％共同组成。

(3)、获取天然河流靶鱼极限流量，天然河流最大流速与下泄流量关系由下式确定：

V_max＝A·Q^B

A、B为常数，根据天然河流水流和边界条件确定；

根据靶鱼的极限流速S_b，由上式可确定工程区域天然河流重要靶鱼对象及兼顾次要靶鱼对象上溯所可以承受的最大流量Q_b，根据靶鱼的喜好流速S_l，求得天然河流靶鱼喜好流量Q_l，根据靶鱼的感应流速S_r，求得天然河流靶鱼感应流量Q_r；

然后，确定天然河流四区特性，天然河流区域大于极限流速区域，为I区；极限流速与喜好流速之间区域，为II区；喜好流速与感应流速之间区域，为III区；小于感应流速区域，为IV区；

由下式确定天然河流状态下，靶鱼单位水体感应功率耗散PD_r、喜好功率耗散PD_l和极限功率耗散PD_b

其中，PD为单位水体功率耗散，单位w/m³，ρ为水的密度，单位kg/m³，g为重力加速度，单位为m/s²，△h为河段水位差，单位为m，Q天然河流流量，单位为m³/s，V为河段体积，单位为m³，下标i＝b，l，r。

(4)、从工程建成后实际的运行功能出发，寻找与工程前天然状态靶鱼喜好水流条件吻合度高的闸门及过鱼设施运行方式，根据工程的实际功能，提出若干种闸门及过鱼设施运行方式，获取工程实际运行条件下四区特性，比较其与天然河流相应特性的吻合度，确定最佳过鱼工况。

(5)、确定对靶鱼有足够吸引力的进鱼口诱鱼水流条件和进鱼口体型，进鱼口流速是临近河道流速的2倍，且进鱼口流速小于靶鱼的极限流速。

(3)有益效果

本发明的有益效果在于：本发明公开的符合自然流动规律和鱼类行为特点的进鱼口设计方法，充分尊重工程区域天然河流的流动特点，以及工程前靶鱼天然的过鱼喜好流场和水流环境，基本不受工程影响，有工程后过鱼工况条件下，能重现工程前天然河道靶鱼所喜好的水流特征的显著特点，过鱼效率高，对保护生物多样性及河流的联通性具有重要社会经济和环境效益。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

图1是本发明莒口闸址的工程位置图；

图2是本发明模型下游边界潮位过程；

图3是本发明天然河床近闸区域不同泄量与河床最大流速关系；

图4是本发明工程前天然河床与极限流速相对应的高潮位时流速分布等值线图；

图5是本发明工程前天然河床与极限流速相对应的低潮位时流速分布等值线图；

图6是本发明工程前天然河床与极限流速相对应的高潮位时流速矢量图；

图7是本发明工程前天然河床与极限流速相对应的低潮位时流速矢量图；

图8是本发明莒口拦河闸枢纽平面布置图；

图9是本发明莒口鱼道进口推荐位置；

图10是本发明工况1遭遇1.25m低潮位闸下水流结构；

图11是本发明工况1遭遇1.25m低潮位进鱼口水流结构；

图12是本发明工况1遭遇1.80m高潮位闸下水流结构；

图13是本发明工况1遭遇1.80m高潮位进鱼口水流结构；

图14是本发明工况2遭遇1.25m低潮位闸下水流结构；

图15是本发明工况2遭遇1.25m低潮位进鱼口水流结构；

图16是本发明工况2遭遇1.80m高潮位闸下水流结构；

图17是本发明工况2遭遇1.80m高潮位进鱼口水流结构。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明实施例中的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

第一步：调查收集工程区域鱼类的种类与习性

2014年4月至7月与4月至8月分别对对闽江下游(竹岐大桥下游)以及大樟溪干流界竹口水电站以下鱼类资源进行了调查，闽江下游从竹岐大桥至河口共设9个调查断面，大樟溪干流从界竹口水电站以下共设6个断面，主要调查方法为现场渔获物采集统计分析，成果见表1。图中莒口闸址工程位置1，莒口鱼道2，莒口鱼道进口3

大樟溪干流界竹口水电站以下共采集鱼类61种，隶属于5目13科47属。从目的水平上看，以鲤形目种类数最多，有34种，占总调查种类数的56.7％；其次为鲈形目，有12种，占调查种类数的20.0％，鲇形目11种，占调查种类数的18.3％。从科的水平上看，以鲤科鱼类居多，有28种，占调查种类数的46.7％，其次为鮠科，有8种，占调查种类数的13.3％；鳅科有6种，占调查种类数的10％。

表1调查江段鱼类

第二步：收集或通过鱼类游泳能力测试确定靶鱼的特征流速

根据生物代谢模式和游泳持续时间不同，鱼类特征流速分为三类，喜好流速(持续泳速)，即鱼类保持相当长时间而不感到疲劳的应用速度，通常指持续时间大于200min的泳速；极限流速即鱼类能达到的最大泳速，持续时间小于20s；感应泳速，即水体从静止到流动，鱼类开始感应并趋流前进的水流速度。鱼道靶鱼对象确定应满足以下特性：具有洄游特性的鱼类，受保护的鱼类、珍稀、特有或濒危的鱼类、具有经济价值的鱼类、作为实验对象易获得的鱼类。莒口工程重要靶鱼和次要靶鱼对象选定和特征流速见表2和表3。

由表1可知，带“*”为重要靶鱼对象，即花鳗鲡，极限流速0.5m/s,喜好流速(0.18+0.25)/2＝0.215m/s，感应流速＝0.18*2/3＝0.12m/s，次要靶鱼对象15个，次要靶鱼平均极限流速0.958m/s，次要靶鱼平均喜好流速0.638m/s，次要靶鱼平均感应流速0.139m/s，计算得：

靶鱼极限流速＝0.5*0.8+0.958*0.2＝0.592(m/s)

靶鱼喜好流速＝0.215*0.8+0.638*0.2＝0.300(m/s)

靶鱼感应流速＝0.12*0.8+0.139*0.2＝0.124(m/s)

表2靶鱼对象筛选表

表3靶鱼种类与特征流速

第三步：获取天然河流靶鱼极限流量

莒口坝址工程位置见图1，坝址距闽江与大樟溪汇合口20km，根据相关资料查询乌龙江峡南站90％保证率低水位为-1.79m(黄海高程)，结合实测的大潮过程，拟合得模型下游水位边界，见图2。

通过数值模拟计算，求得工程前天然河床下泄流量为13.8-4032m³/s时，遭遇最高潮位与最低潮位条件下，近闸区域(闸轴线下游1000m)最大流速列于表4，下泄流量与近闸区域最大流速关系见图3。

表4天然河床不同泄量河道最大流速

上游流量m<sup>3</sup>/s	高潮最大流速m/s	低潮最大流速m/s
			13.8	0.12	0.28
219	0.52	0.88
			500	0.78	1.04
1008	1.04	1.2
			2016	1.3	1.35
4032	1.65	1.65

根据表4和图3计算得，与高潮靶鱼极限流速相对应的极限流量Q_b＝346m³/s，与低潮靶鱼极限流速相对应的极限流量Q_b＝107m³/s，平均流量为226.5m³/s，此流量为感潮区靶鱼极限流速所对应的极限流量，是天然状态下靶鱼上溯的重要工况，该工况流场结构见图4～7。

第四步：从工程建成后实际的运行功能出发，寻找与工程前天然状态靶鱼喜好水流条件吻合度高的闸门及过鱼设施运行方式

莒口拦河闸枢纽平面布置见图8，下面对比莒口工程建成后，在同样下泄流量Q＝226.5m³/s，且下游潮位边界条件相同时，对比以下两种运行工况与天然状态流场结构的吻合度。工况1的鱼道下泄流速为2m³/s，5#先启孔下泄流量210.7m³/s，生态放水孔下泄流量13.8m³/s，工况2的鱼道下泄流量为2m³/s，12#～14#后启孔下泄流量210.7m³/s，生态放水孔下泄流量13.8m³/s。

水闸建成后，总泄量Q＝226.5m³/s，闸下诱鱼口位置为闸下0+534m处，该断面高水位3.53m，低水位1.25m，模型下边界控制断面高潮位3.21m，低潮位-1.79m，诱鱼口至下游控制断面距离19.466km，诱鱼口与下游控制断面最大水位差5.32m，最小水位差0.32m。工程前天然状态下，Q＝226.5m³/s，闸下诱鱼口位置高水位3.21m，低水位1.64m，模型下边界控制断面高低潮位与工程后相同，诱鱼口与下游控制断面最大水位差5.00m，最小水位差0m。

表5列出工程前后靶鱼水流生境显示：工程建成后，运行工况1和2中靶鱼的舒适区域的水深较工程实施前更大，舒适区域即II区和III区，单位水体耗散功率在天然状态理想范围内，水流生境满足鱼类上溯要求。

表5程前后靶鱼水流条件吻合度(Q＝226.5m³/s，最大水位差条件下)

第五步：确定对靶鱼有足够吸引力的进鱼口诱鱼水流条件和进鱼口体型。

根据表5，确定莒口鱼道进口位置为闸轴线0+534m处，见图9，该处最高水位3.53m和最低水位-0.11m，为确保鱼道进口最小水深2m，高进鱼口底板高程为-0.2m，低进鱼口底板高程为-2.2m。

由表3可知，带“*”为重要靶鱼对象，即花鳗鲡，体长0.1m,次要靶鱼对象15个，次要靶鱼平均体长0.23m，按重要靶鱼对象体长权重80％，次要靶鱼对象体长权重20％，计算得靶鱼体长：

靶鱼体长＝0.1*0.8+0.23*0.2＝0.126m

鱼道宽度为5倍靶鱼体长，即0.63m，且不小于0.8m，最终高低进鱼口宽度均取1m。初选鱼道进口流速为靶鱼极限流速的0.85倍，得单个进鱼口流量为1m³/s。

工况1和工况2近闸流速结构与进鱼口附近水流结构见图10～17。由图11可以看出，进鱼口广大区域流速均在靶鱼感应流速附近，进鱼口流速0.52m/s，小于极限流速0.592m/s，与周边流速0.16m/s存在流速梯度，且大于感应流速0.124m/s，是理想的过鱼工况。图13情况类似。当进鱼口流速因下游水位变化无法满足要求时，可通过补充或减少鱼道流量，调整因下游水位变化导致进鱼口水深变化给进鱼口流速带来的影响。由图15可以看出，进鱼口广大区域流速为0.66-0.78m/s，均在超过靶鱼极限流速0.592m/s，靶鱼很难通过该区域进入进鱼口，因此，为不利过鱼工况。图17情况类似。其他满足鱼类上溯要求的水流生境可根据不同下泄流量重复上述第四、第五步骤获取。下泄流量一般介于极限流量226.5m³/s和生态流量13.8m³/s之间。大于极限流量亦可参照上述思路寻找理想过鱼工况。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种符合自然流动规律和鱼类行为特点的进鱼口设计方法，其特征是，符合自然流动规律和鱼类行为特点的进鱼口设计方法包括五个部分：一是调查收集工程区域鱼类的种类与习性；二是收集或通过鱼类游泳能力测试确定靶鱼的特征流速，所述特征流速包括感应流速S_r、极限流速S_b、和S_l喜好流速(持续泳速)；三是获取天然河流靶鱼极限流量；四是从工程建成后实际的运行功能出发，寻找与工程前天然状态靶鱼喜好水流条件吻合度高的闸门及过鱼设施运行方式；五是设定对靶鱼有足够吸引力的进鱼口诱鱼水流条件；

其中，所述的调查收集工程区域鱼类的种类与习性由下列矩阵确定：

{N}＝[n₁ n₂ n₃ ....... n_i]^T·[h₁ h₂ h₃ ...... h_j]

n₁ n₂ n₃ ....... n_i为工程区域鱼类类别名称，i＝1～n_t，鱼类总数共计n_t种，h₁ h₂ h₃...... h_j为鱼类的习性，j＝1～h_t，h_t为鱼类总的习性数；

其中，所述收集或通过鱼类游泳能力测试确定靶鱼的特征流速，通过下列步骤确定感应流速S_r、极限流速S_b、和S_l喜好流速(持续泳速)，由下表确定：

{M}＝[m₁ m₂ m₃ ....... m_i]^T·[S_ir S_il S_ib]

m₁ m₂ m₃ ....... m_i为靶鱼类别名称，i＝1～m_t，靶鱼种类共计m_t种，S_ir S_il S_ib为第i种靶鱼的感应流速、喜好流速、极限流速，对于有变化范围的S_ir S_il S_ib，各种靶鱼的感应流速均取小值，没有感应流速资料的重要靶鱼对象，采用喜好流速的2/3做为靶鱼感应流速，喜好流速取平均值，极限流速均取最大值，感应流速、喜好流速、极限流速均以重要靶鱼对象特征流速平均值占权重80％，次要靶鱼对象特征流速平均值占权重20％共同组成；

其中，获取天然河流靶鱼极限流量，天然河流最大流速与下泄流量关系由下式确定：

V_max＝A·Q^B

A、B为常数，根据天然河流水流和边界条件确定；

根据靶鱼的极限流速S_b，由上式可确定工程区域天然河流重要靶鱼对象及兼顾次要靶鱼对象上溯所可以承受的最大流量Q_b，根据靶鱼的喜好流速S_l，求得天然河流靶鱼喜好流量Q_l，根据靶鱼的感应流速S_r，求得天然河流靶鱼感应流量Q_r；

确定天然河流四区特性：

天然河流区域大于极限流速区域，为I区；极限流速与喜好流速之间区域，为II区；喜好流速与感应流速之间区域，为III区；小于感应流速区域，为IV区；

由下式确定天然河流状态下，靶鱼单位水体感应功率耗散PD_r、喜好功率耗散PD_l和极限功率耗散PD_b

PD为单位水体功率耗散，单位w/m³，ρ为水的密度，单位kg/m³，g为重力加速度，单位为m/s²，Δh为河段水位差，单位为m，Q天然河流流量，单位为m³/s，V为河段体积，单位为m³，下标i＝b，l，r；

从工程建成后实际的运行功能出发，寻找与工程前天然状态靶鱼喜好水流条件吻合度高的闸门及过鱼设施运行方式，根据工程的实际功能，提出若干种闸门及过鱼设施运行方式，获取工程实际运行条件下四区特性，比较其与天然河流相应特性的吻合度，确定最佳过鱼工况。

2.根据权利要求1所述的符合自然流动规律和鱼类行为特点的进鱼口设计方法，其特征是：确定对靶鱼有足够吸引力的进鱼口诱鱼水流条件和进鱼口体型，进鱼口流速是临近河道流速的2倍，且进鱼口流速小于靶鱼的极限流速。

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