CN112616752B - 模拟水电站进水口收缩加速流对鱼体影响的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种模拟水电站进水口收缩加速流对鱼体影响的装置及方法,装置包括实验水槽,所述实验水槽通过横向设置的隔板分为上下两层,所述隔板上方横向设有具备弹性的进水口顶板,所述进水口顶板一端穿设于推移挡板的开槽内,另一端通过竖向设置的起吊隔板与起吊装置输出端连接,所述进水口顶板两侧竖向设有加速流侧板,所述加速流侧板一侧与实验水槽内侧壁铰接连接,另一侧与推移挡板侧部铰接连接;另外本发明还公开上述装置对应的实验方法;本发明可以得到鱼体在不同水头、不同流量及不同流速梯度的淹没加速流下不同反应的数据资料,为进一步改善水电站的结构提供支持。
Description
技术领域
本发明涉及测定加速水流对鱼类影响的技术领域,具体地指一种模拟水电站进水口收缩加速流对鱼体影响的装置及方法。
背景技术
大坝的修建在合理管理和充分利用水资源的同时,使原有连续的河流生态系统被分割为不连续的环境单元,造成了生态景观的破碎,阻隔了鱼类的洄游通道。这对完成生活史的过程中需大范围迁移的种类极可能具有毁灭性;对在局部水域内完成生活史的种类,将可能影响不同水域群体间的遗传交流,导致种群整体遗传多样性丧失,未来的发展过程亦不容乐观。
为保护洄游性鱼类,根据工程的特点及鱼类保护的需求,各国修建了各种类型的过鱼设施帮助溯河性洄游鱼上行,同时采用了物理阻隔设施和行为导鱼设施帮助鱼类下行。其中,水电站流道是鱼类下行过坝的一个重要途径,鱼类先由水电站进水口进入管道,然后随水流进入水轮机流道,再经过尾水管到达下游。然而水轮机在运行过程中对鱼类可能造成一定的损伤,尤其是洄游性鱼类在穿过水轮机时将遭受严重的伤害。对普通的水轮机,鱼类通过水轮机的死亡率超过30%。
根据1995年美国陆军工程师团(USACE)水轮机流道鱼类存活率研究小组分析,鱼类通过水轮机流道下行时可能受到伤害的机理有机械、压力、剪切力和空蚀等四种。而在水轮机进口处,由于水轮机特殊的布置位置及流道管径的变化,将产生典型的局部特征流场——淹没加速流,进一步可能会引起鱼类逃离下行过坝通道,产生延迟效应,或因被动卷吸而使鱼类受到生存威胁。
为了进一步构建“亲鱼型”水轮机,需要明确各种机理对鱼类的损伤,从而改造水电站结构,通常采用的是人工模拟实验。因此亟待设计一种实验装置来模拟水电站进水口收缩加速流对过机鱼体影响,以得到尽可能理想的实验效果。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足,提供一种模拟水电站进水口收缩加速流对鱼体影响的装置及方法,进而得到鱼体在不同水头、不同流量及不同流速梯度的淹没加速流下不同反应的数据资料,为进一步改善水电站的结构提供支持。
本发明为解决上述技术问题,所采用的技术方案是:一种模拟水电站进水口收缩加速流对鱼体影响的装置,包括实验水槽,所述实验水槽通过横向设置的隔板分为上下两层,所述隔板上方横向设有具备弹性的进水口顶板,所述进水口顶板一端穿设于推移挡板的开槽内,另一端通过竖向设置的起吊隔板与起吊装置输出端连接,所述进水口顶板两侧竖向设有加速流侧板 ,所述加速流侧板一侧与实验水槽内侧壁铰接连接,另一侧与推移挡板侧部铰接连接。
优选地,所述实验水槽进水端和出水端均设有连接管,所述连接管上端与隔板上层的实验水槽连通,连接管下端与隔板下层的实验水槽连通,所述连接管上设有变频循环水泵。
优选地,靠近进水口顶板下方进水侧的位置还设有流速仪。
优选地,所述流速仪与实验水槽端部之间还设有整流栅。
优选地,充气管出气口伸入到所述整流栅与实验水槽端部之间,充气管进气口与压力罐出口连接,进水口顶板下方进水侧与实验水槽端部之间的实验水槽顶部还设有封盖。
优选地,所述实验水槽上方还设有摄像头,摄像头固定于支架上,实验水槽出水口位置竖向设有拦鱼栅。
优选地,所述起吊装置包括卷扬机,所述卷扬机的卷扬轮与吊绳一端连接,吊绳另一端绕过支撑架顶部的定滑轮与起吊隔板顶部连接。
优选地,所述进水口顶板由铝板或橡胶板弹性材料制成,进水口顶板由梯形板和矩形板固定连接而成,所述梯形板外端与起吊隔板底部铰接,所述矩形板与推移挡板的开槽配合,所述起吊隔板和加速流侧板均为矩形板材结构。
优选地,所述推移挡板的数量为两块,每块推移挡板均为U型板状结构,推移挡板的侧板与实验水槽侧部开设的槽口滑动配合,其滑动连接处涂抹有凡士林,所述推移挡板顶部还设有限位挡块,所述限位挡块安装于实验水槽顶部。
另外,本发明还公开上述装置的实验方法,它包括以下步骤:
步骤1):向实验水槽内注入定量的水,并开启连接管处的变频循环水泵,使得实验水槽内的水以一定的流速循环流动;
步骤2):启动起吊装置的卷扬机,其卷扬轮转动一定角度,从而使得吊绳拉动起吊隔板上升一定高度,进而使得具备弹性的进水口顶板向上弯曲一定角度,使得进水口顶面形成曲面结构,移动推移挡板,从而改变加速流侧板与实验水槽侧壁的角度,模拟水电站进水口的结构;
步骤3):打开压力罐,通过充气管向实验水槽内充气施加一定水流压强,模拟水电站进水口位置水流流动状态,整流栅可以平顺压强改变带来的水流紊动,待流速稳定后读取流速仪测得的流速;
步骤4):打开封盖,取出流速仪,并在整流栅后侧放入一定数量的实验鱼体,重新盖好封盖,进行实验;
步骤5):在水流压强的作用下,实验鱼体依次穿过实验水槽前段的均匀流区及进水口顶板下侧所在的模拟水电站进水口收缩加速流区,直至到达实验水槽后段的实验观察区,摄像头记录实验鱼体运动的全过程及其生理反应;
步骤6):当实验鱼体全部到达实验观察区后,关闭压力罐,取出实验鱼体,对其进行生理解剖及检验,并将摄像头记录的视频资料加载命名,进一步观察实验鱼体反应;
步骤7):改变压力罐输出的压强,即更改模拟的水电站进口处水头,其他条件不变,重复步骤3)至步骤6),开展水电站进水口不同水头下的收缩加速流对鱼体通过水电站进水口影响的对比实验;
步骤8):改变进水口顶板向上弯曲的角度,即改变进水口断面面积,改变进水口进口断面流速,其他条件不变,重复步骤2)至步骤6),开展水电站进水口不同进口断面面积形成的收缩加速流对鱼体通过水电站进水口的影响对比实验;
步骤9):改变变频循环水泵的转速,即更改实验水槽流量,模拟水电站流量改变,其他条件不变,重复步骤1)至步骤6),开展不同水流流量下对鱼体通过水电站进水口影响的对比实验;
步骤10):向外或向内移动推移挡板,从而改变加速流侧板与实验水槽侧壁的角度,即改变模拟水电站进水口收缩加速流区水流流速梯度,重复步骤2)至步骤6),开展水电站进水口不同收缩加速流梯度对鱼体通过水电站进水口影响的对比实验。
本发明的有益效果:
1、本发明在水轮机影响过机鱼体的各种因素中,着重研究水电站进水口收缩加速流的影响,通过人为模拟水电站进口收缩加速流,改变加速流的速度及速度梯度、水流流量、进口处水头,观察不同条件下的水电站进水口收缩加速流对鱼体的损伤情况,可以得到鱼体在不同水头、不同流量及不同流速梯度的淹没加速流下不同反应的数据资料,为进一步改善水电站的结构提供支持,为进一步构建“亲鱼型”水轮机提供参考。
2、本发明所采用的为一种经济环保、简单易行和效果明显的方法,尽可能全面模拟水电站进水口收缩加速流对过机鱼体的影响。
3、本发明通过压力罐上的数字显示操作台,可以定量的控制输出压强的大小,也更好的开展水电站进水口不同水头下的收缩加速流对鱼体通过水电站进水口影响的对比实验。
4、本发明通过设置连接管和变频循环水泵,将实验水槽上半部分和下半部分进行连接,控制整个实验过程中实验水体的循环流动,可以实现“一次放水,多次实验”。
5、本发明可选择带刻度的测流速仪布设器,以定量地测量实验水槽中的水深,然后在不同水深处布设流速仪,进一步判断经由整流栅平顺后的水流在不同水深处的水流流速差值是否在5%以内,更好的模拟水电站进水口前的均匀流;同时经由带刻度的测流速布设器定量得到的水深数据,可作为改变水流流量系列对比实验中的基准数据,进一步减小实验误差。
6、本发明中的进水口顶板为弹性材料(例如铝制材料或橡胶材料),属于可改变形状的弹性材料,可以减小水流冲击起吊隔板时的水头损失,起吊隔板底端与进水口顶板相铰接,起吊隔板的运动将直接带动进水口顶板状态随之改变,而起吊隔板经过布置于支撑架上的定滑轮,与卷扬机相连,通过卷扬机的牵引作用,然后经由定滑轮的作用改变力的方向,带动起吊隔板运动,这样的设置可以直接改变进水口顶板的状态,进而模拟水电站进水口断面面积,改变进水口进口断面流速,开展水电站进水口不同进口断面面积形成的收缩加速流对鱼体通过水电站进水口的影响对比实验。
7、本发明中进水口顶板的起吊方向与竖直方向间的夹角为45-60°,这样在进水口顶板特殊的弹性力作用之下,进水口顶板将呈现曲面状态:一方面可以更好的模拟水电站进水口的状态,另一方面,若直接将进水口顶板竖直提起,其将呈现平面而非曲面的状态,将直接增加水流撞击的水头损失。
8、本发明中的推移挡板设置为U型结构,在进水口顶板高度处设置为穿孔的开槽结构,对称布置于所述实验水槽两侧,可对称向实验水槽内部或外部进行推移,从而模拟改变水电站进水口的宽度;所述加速流侧板对称布置于所述实验水槽的两侧,且其靠近推移挡板的一侧与推移挡板相铰接,推移挡板的伸缩将带动加速流侧板的转动,进而调节加速流侧板与实验水槽槽壁间的夹角,以改变进水口侧向收缩角。
9、本发明中的实验水槽通过隔板隔断,能够尽可能减小对实验场地的占用。
10、实验水槽上部分采用透明的钢化板拼接而成,一方面有利于实验过程中直接观察实验鱼体在不同实验条件下的反应,另一方面也有利于所有独立实验及对比实验结束后对实验设备的拆卸清理;实验水槽下部分可采用不锈钢板焊接而成,可以节省实验设备的造价;同时,水槽的隔板也采用透明的钢化玻璃,可以监测实验水槽中的储水量。
11、实验水槽后段实验观察区不布置任何顶板,直接露天设置,一方面对应于水轮机过鱼时的开敞尾水位,另一方面若实验水槽观察区也采用顶板,则整个实验水槽也为密封结构,实验水槽中的水体在实验时充满整个槽身,存在着水压对实验水槽的破坏的威胁。
12、拦鱼栅拦住经由水电站进水口收缩加速流后的实验鱼体,可用作实验设备的取鱼口,也可方便后续实验过程中实验水流的循环利用。
13、摄像头记录实验鱼体在模拟水轮机进口淹没加速流中运动的全过程,按照压力罐输出的压强+加速流槽顶板被吊起来的距离+实验水槽内的水深+推移挡板的移动距离对视频资料进行命名,可为“亲鱼型”水轮机的构建提供丰富的视频资料。
附图说明
图1 为一种模拟水电站进水口收缩加速流对鱼体影响的装置的立体结构示意图;
图2为图1去掉封盖后的立体结构示意图;
图3为图1去掉实验水槽前侧板后的立体结构示意图;
图4为进水口顶板、推移挡板、起吊隔板和加速流侧板连接的结构示意图;
图5为进水口顶板与推移挡板连接的结构示意图;
图中,实验水槽1、隔板2、进水口顶板3、梯形板3.1、矩形板3.2、推移挡板4、开槽4.1、侧板4.2、起吊隔板5、起吊装置6、卷扬机6.1、吊绳6.2、支撑架6.3、定滑轮6.4、加速流侧板7、连接管8、变频循环水泵9、流速仪10、整流栅11、充气管12、压力罐13、封盖14、摄像头15、支架16、拦鱼栅17、限位挡块18。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1至5所示,一种模拟水电站进水口收缩加速流对鱼体影响的装置,包括实验水槽1,所述实验水槽1通过横向设置的隔板2分为上下两层,所述隔板2上方横向设有具备弹性的进水口顶板3,所述进水口顶板3一端穿设于推移挡板4的开槽4.1内,另一端通过竖向设置的起吊隔板5与起吊装置6输出端连接,所述进水口顶板3两侧竖向设有加速流侧板7,所述加速流侧板7一侧与实验水槽1内侧壁铰接连接,另一侧与推移挡板4侧部铰接连接。
优选地,所述实验水槽1进水端和出水端均设有连接管8,所述连接管8上端与隔板2上层的实验水槽1连通,连接管8下端与隔板2下层的实验水槽1连通,所述连接管8上设有变频循环水泵9。
优选地,靠近进水口顶板3下方进水侧的位置还设有流速仪10。
优选地,所述流速仪10与实验水槽1端部之间还设有整流栅11。
优选地,充气管12出气口伸入到所述整流栅11与实验水槽1端部之间,充气管12进气口与压力罐13出口连接,进水口顶板3下方进水侧与实验水槽1端部之间的实验水槽1顶部还设有封盖14。
优选地,所述实验水槽1上方还设有摄像头15,摄像头15固定于支架16上,实验水槽1出水口位置竖向设有拦鱼栅17。
优选地,所述起吊装置6包括卷扬机6.1,所述卷扬机6.1的卷扬轮与吊绳6.2一端连接,吊绳6.2另一端绕过支撑架6.3顶部的定滑轮6.4与起吊隔板5顶部连接。本实施例中,卷扬机6.1可采用微型卷扬机,其采用旭鸽(中国)PA200型,单钩形式,最大提升高度可达1200mm。
优选地,所述进水口顶板3由铝板或橡胶板弹性材料制成,进水口顶板3由梯形板3.1和矩形板3.2固定连接而成,所述梯形板3.1外端与起吊隔板5底部铰接,所述矩形板3.2与推移挡板4的开槽4.1配合,所述起吊隔板5和加速流侧板7均为矩形板材结构。
优选地,所述推移挡板4的数量为两块,每块推移挡板4均为U型板状结构,推移挡板4的侧板4.2与实验水槽1侧部开设的槽口滑动配合,其滑动连接处涂抹有凡士林,所述推移挡板4顶部还设有限位挡块18,所述限位挡块18安装于实验水槽1顶部。
另外,本发明还公开上述装置的实验方法,它包括以下步骤:
步骤1):向实验水槽1内注入定量的水,并开启连接管8处的变频循环水泵9,使得实验水槽1内的水以一定的流速循环流动;
步骤2):启动起吊装置6的卷扬机6.1,其卷扬轮转动一定角度,从而使得吊绳6.2拉动起吊隔板5上升一定高度,进而使得具备弹性的进水口顶板3向上弯曲一定角度,使得进水口顶面形成曲面结构,移动推移挡板4,从而改变加速流侧板7与实验水槽1侧壁的角度,模拟水电站进水口的结构;每次记录卷扬机6.1将起吊隔板5拉起来的距离,不同的拉起距离可对应进水口顶板3不同的弯曲角度,方便定量化操作过程;
步骤3):打开压力罐13,通过充气管12向实验水槽1内充气施加一定水流压强,模拟水电站进水口位置水流流动状态,整流栅11可以平顺压强改变带来的水流紊动,待流速稳定后读取流速仪10测得的流速;本实施例中,流速仪10通过布设器安装,安装四个流速仪6,可读取布设器的刻度所显示的实验水槽1水深及不同水深处流速仪10所测得的流速,当四个流速仪6所显示的流速间的差值不超过5%时,即认为实验水槽1均匀流区水流的流动状态满足实验要求。
步骤4):打开封盖14,取出流速仪10,并在整流栅11后侧放入一定数量的实验鱼体,重新盖好封盖14,进行实验;本实施例中放入的实验鱼体为20条体长为10-12cm的幼鱼。
步骤5):在水流压强的作用下,实验鱼体依次穿过实验水槽1前段的均匀流区及进水口顶板3下侧所在的模拟水电站进水口收缩加速流区,直至到达实验水槽1后段的实验观察区,摄像头15记录实验鱼体运动的全过程及其生理反应;
步骤6):当实验鱼体全部到达实验观察区后,关闭压力罐13,取出实验鱼体,对其进行生理解剖及检验,并将摄像头15记录的视频资料加载命名,进一步观察实验鱼体反应;
步骤7):改变压力罐13输出的压强,即更改模拟的水电站进口处水头,其他条件不变,重复步骤3)至步骤6),开展水电站进水口不同水头下的收缩加速流对鱼体通过水电站进水口影响的对比实验;
步骤8):改变进水口顶板3向上弯曲的角度,即改变进水口断面面积,改变进水口进口断面流速,其他条件不变,重复步骤2)至步骤6),开展水电站进水口不同进口断面面积形成的收缩加速流对鱼体通过水电站进水口的影响对比实验;
步骤9):改变变频循环水泵9的转速,即更改实验水槽1流量,模拟水电站流量改变,其他条件不变,重复步骤1)至步骤6),开展不同水流流量下对鱼体通过水电站进水口影响的对比实验;
步骤10):向外或向内移动推移挡板4,从而改变加速流侧板7与实验水槽1侧壁的角度,即改变模拟水电站进水口收缩加速流区水流流速梯度,重复步骤2)至步骤6),开展水电站进水口不同收缩加速流梯度对鱼体通过水电站进水口影响的对比实验。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案,而不应视为对于本发明的限制,本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下,可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案,包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进,也在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种模拟水电站进水口收缩加速流对鱼体影响的装置,包括实验水槽(1),所述实验水槽(1)通过横向设置的隔板(2)分为上下两层,其特征在于:所述隔板(2)上方横向设有具备弹性的进水口顶板(3),所述进水口顶板(3)一端穿设于推移挡板(4)的开槽(4.1)内,另一端通过竖向设置的起吊隔板(5)与起吊装置(6)输出端连接,所述进水口顶板(3)两侧竖向设有加速流侧板(7) ,所述加速流侧板(7)一侧与实验水槽(1)内侧壁铰接连接,另一侧与推移挡板(4)侧部铰接连接;
所述进水口顶板(3)由铝板或橡胶板弹性材料制成,进水口顶板(3)由梯形板(3.1)和矩形板(3.2)固定连接而成,所述梯形板(3.1)外端与起吊隔板(5)底部铰接连接,所述矩形板(3.2)与推移挡板(4)的开槽(4.1)配合,所述起吊隔板(5)和加速流侧板(7)均为矩形板材结构;具备弹性的进水口顶板(3)向上弯曲一定角度时,使得进水口顶面形成曲面结构。
2.根据权利要求1所述模拟水电站进水口收缩加速流对鱼体影响的装置,其特征在于:所述实验水槽(1)进水端和出水端均设有连接管(8),所述连接管(8)上端与隔板(2)上层的实验水槽(1)连通,连接管(8)下端与隔板(2)下层的实验水槽(1)连通,所述连接管(8)上设有变频循环水泵(9)。
3.根据权利要求1所述模拟水电站进水口收缩加速流对鱼体影响的装置,其特征在于:靠近进水口顶板(3)下方进水侧的位置还设有流速仪(10)。
4.根据权利要求3所述模拟水电站进水口收缩加速流对鱼体影响的装置,其特征在于:所述流速仪(10)与实验水槽(1)端部之间还设有整流栅(11)。
5.根据权利要求4所述模拟水电站进水口收缩加速流对鱼体影响的装置,其特征在于:充气管(12)出气口伸入到所述整流栅(11)与实验水槽(1)端部之间,充气管(12)进气口与压力罐(13)出口连接,进水口顶板(3)下方进水侧与实验水槽(1)端部之间的实验水槽(1)顶部还设有封盖(14)。
6.根据权利要求1所述模拟水电站进水口收缩加速流对鱼体影响的装置,其特征在于:所述实验水槽(1)上方还设有摄像头(15),摄像头(15)固定于支架(16)上,实验水槽(1)出水口位置竖向设有拦鱼栅(17)。
7.根据权利要求1所述模拟水电站进水口收缩加速流对鱼体影响的装置,其特征在于:所述起吊装置(6)包括卷扬机(6.1),所述卷扬机(6.1)的卷扬轮与吊绳(6.2)一端连接,吊绳(6.2)另一端绕过支撑架(6.3)顶部的定滑轮(6.4)与起吊隔板(5)顶部连接。
8.根据权利要求1所述模拟水电站进水口收缩加速流对鱼体影响的装置,其特征在于:所述推移挡板(4)的数量为两块,每块推移挡板(4)均为U型板状结构,推移挡板(4)的侧板(4.2)与实验水槽(1)侧部开设的槽口滑动配合,其滑动连接处涂抹有凡士林,所述推移挡板(4)顶部还设有限位挡块(18),所述限位挡块(18)安装于实验水槽(1)顶部。
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