CN113774867B - 一种高水头、大落差作用下的鱼道池室补水系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在高水头、大落差作用下的鱼道池室补水系统，通过库内进水口、输水结构、出水口、补水池、闸阀结构等实现库内水流对鱼道池室内部水位的实时、定量、精准化平稳补充。另外，该补水系统内部安装的流量监控装置和水位监测设备实现水位与流量的实时馈控，为鱼道补水系统全天候运行、自动补水提供保证。多级消能方式，实现了高水头、大落差作用下对鱼道池室补水的可能，且避免了对鱼道池室内部水流的干扰；一对多出口高效补水方式，不仅提高了补水效率，还实现了结构简单、施工方便的优势，该系统真正实现了智能化、全天候、无人值守模式下定量向下游鱼道池室内自动补水功能，对鱼道运行稳定提供保障，对鱼类等水生生物的洄游具有重要意义。

Description

一种高水头、大落差作用下的鱼道池室补水系统

技术领域

本发明涉及一种在高水头、大落差作用下的新型鱼道池室补水系统，该系统可实现智能化、不间断、从水库向下游鱼道池室内自动补水功能，属于一种自动控制鱼道池室内部水深和流量的补水装备。

背景技术

水电作为一种可持续的清洁能源，对于改善生态环境和提高资源利用率具有重要的作用，目前我国已建大、中、小型大坝已超过10万座，水电站的修建，在一定程度上会改变一些水生生物的生存环境，并对上、下游洄游生物的信息交流产生一定的影响。为保护水生生物多样性，促进人与自然和谐相处，鱼道的修建至关重要。

目前，根据已有文献及研究表明，鱼道池室补水系统仅在鱼道进口附近补水，并形成射流以此来诱鱼或通过调节池结构根据内部水位变幅进行自然调整等措施，这些都存在以下问题：（1）对鱼道池室内部无法做到定量精准补水，鱼道池室内部水位变幅较大，不利于鱼类游动；（2）无法对鱼道池室内水位进行馈控调节，目前鱼道补水系统根据水位变化进行调整，水位较高补水较多，水位较低则补水量减少或无法补水。（3）补水系统无法做到实时监测，不能做到不间断、自动化补水，且易受天气变化与库区水位变化的影响。（4）已有鱼道补水系统运行工况为小流量、低水头条件下进行鱼道补水，面对高水头、大落差水位下补水的效率和运行稳定性未知。

发明内容

本发明的目的是提供一种高水头、大落差作用下鱼道池室补水系统，该补水系统能够实现全天候、自动化、智能化实时补水，结构简易、运行稳定、人力资源投入低、补水效率高，对维持鱼道池室内水位稳定和鱼类洄游具有重要意义。

本发明主要采取以下技术方案：一种在高水头、大落差作用下的鱼道池室补水系统，其特征在于包括进水口及附属结构、补水管路、补水管路出水口及附属结构、补水池及其中的组合消能结构；

在出水口及附属结构中设置闸门井，输水结构出水口设置在补水池，所述补水池在输水结构的出水口外设置消能结构，所述补水池的出口和鱼道池室的一处或多处相连；所述鱼道池室补水系统设置水位监控和流量监控系统，所述水位监控和流量监控系统控制闸门井。

所述水位监控和流量监控系统通过其控制器与闸门启闭电机的连接，控制闸门井的闸门开闭和开闭幅度，精准控制出水口流量，避免水流流量过大对补水池结构产生冲刷破坏以及干扰鱼道池室内鱼类洄游；所述水位监控和流量监控系统的水位传感器和流量传感器可布置在补水池流道内。所述水位监控和流量监控系统实现水位与流量的实时馈控，为鱼道补水系统不间断运行、自动补水提供保证。通过组合消能结构的多级消能方式，实现了高水头、大落差作用下对鱼道池室补水的可能，且避免了对鱼道池室内部水流的干扰。

所述补水系统的进水口与上游水库相连通，出水口与鱼道下游各出口相连接。上游水库水流经过进水口进入输水钢管，进口处布置的所述阀可以作为检修阀对进口实现检修关闭，该阀的驱动电路也可与水位监控和流量监控系统连接，尤其控制启闭。水流经过输水结构到达下游补水池，落差可达数十米，补水池出水口上游设置一个闸阀结构（所述闸门井），可以调整输水结构出口流量。

补水池的流道内可安装流量监测装置和水位监测设备，实现补水流量和水位实时馈控，为鱼道补水系统不间断运行、自动补水提供保证。

进一步，进水口设置在坝前死水位高程以下位置处。

进一步，补水管路穿过坝体后，沿鱼道走向布设，根据地形条件，局部预埋在鱼道基础混凝土内并在下游侧顺边坡铺设，补水管道明铺段采用保温材料覆盖。

优选地，所述闸门井后的输水管道、补水池内组成多级消能方式，包括：

（1）在闸门井之后的补水池补水管路采用多级不连续折弯形式，通过增加内摩擦和改变管道内压的升降，从而降低水流动能；

（2）补水管路的出口位于补水池正常运行水位以下，有淹没出流特征，从而达到分散水流，并降低射流速度的效果，且在出口前方对面设置消能钢板，避免大流量、高流速、长时间运行工况下混凝土表面冲刷与磨蚀；

（3）位于出口和消能钢板之间的上方设置消能板，所述上方消能板布设消能孔；消能板上设置消能孔，实现对补水池下部水流进行消能，降低其动能，从而使鱼道池室高程水流趋于平缓；

（4）补水池内设置联通渠结构，使消能过后的水流平顺流入鱼道池室结构，从而实现对鱼道池室补水，并维持鱼道水位稳定，避免因池室内水位变化对鱼类上溯的影响；另外，联通渠结构内可安装流量监测仪器，对补水流量进行实时监测和反馈调节。

（5）补水池与鱼道池室之间流道出口设置拦鱼网栅，避免鱼类等水生生物误入补水池，且其具有一定的消能作用。

进一步 所述补水池的高程比鱼道下游进/出口的高程高。如鱼道下游有多个鱼道进/出口，则补水池可以处在这多个鱼道进/出口之间的枢纽位置，与多个鱼道进/出口直接相贯通，可实现一对多连续补水运行，补水效率高，避免一对一补水的繁琐与施工复杂的困境。

本发明的另一个特征是可实现无人值守、自动补水模式，该系统全天候对补水流量和鱼道池室内部水位的自动监测，并根据水位变化以及水位与补水流量之间的关系自动调节闸阀开度，对鱼道池室精准定量补水，从而实现了维持鱼道池室内水位稳定的需求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以适应水电站以及相关水利枢纽的高水头和大落差的运行工况，实现全天候、实时监测鱼道池室内水位与补水流量，所述鱼道池室补水系统通过库内进水口、输水钢管、出水口、闸阀结构、补水池、联通渠等实现库内水流对鱼道池室内部水位的直接补水。并根据鱼道内水位变幅，实现精准补水的目的，且补水管出口采用多组合消能方式，实现一对多出口连续平稳补水的功能，该补水系统具有智能化、自动化、无人化特征，集运行、调节、监控、反馈于一体，实现了真正意义的无人值守、自动巡检的模式，大大提高了鱼道补水的效率，对鱼道池室内水位稳定和维持鱼类上、下交通具重要的现实意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种高水头作用下的鱼道补水系统总平面布置图。

图2为本发明提供的鱼道补水系统出口和多组合消能结构布置图。

图3、4分别为图2的A-A剖视图、B-B剖面图。

具体实施方式

下面将结合附图和运行方式对本发明进一步详细说明：

如图1~4所示，本发明提供的鱼道补水系统主要包括进水口及附属结构、输水结构、出水口及附属结构、补水池及其中的组合消能结构四部分。所述鱼道池室补水系统通过库内进水口、输水钢管、出水口、闸阀结构、补水池、联通渠等实现库内水流对鱼道池室内部水位的直接补水。

进水口及附属结构由补水池进口钢管1和进水口锥形阀2组成，其中进水口中心线位于库区死水位以下位置，距离补水池进口1一定距离处设置锥形阀2，锥形阀2根据鱼道池室内反馈的水位变化信息进行开度调整，从而达到控制鱼道池室内流量变化的功能。

输水结构为补水钢管3，预埋在鱼道基础混凝土中，其进口和出口之间的高度差匹配于所述大落差；在下游边坡处4，局部沿岩质边坡进行明敷并采用保温材料进行保温。该补水钢管3具有距离长、落差大的特点。

出水口及附属结构包括控制出口流量的闸门井5和补水钢管出口段结构组成，闸门井5可精准控制出水口流速，避免大流量、高水头作用下水流对鱼道池室内流态产生扰动。另外，补水钢管3在闸门井5和补水钢管出口6之间的区段30采用多级不连续弯折，在一定程度上增加内摩擦和水头损失，从而降低水流动能。所述多级不连续弯折是指每隔一定距离设置一个弯头，在弯头与弯头之间具有一定长度的直道或者接近直的流道。

补水池设置的组合消能结构消能防冲，降低对鱼道池室内部水位和流速的影响，主要包括：1)消能钢板13，消能钢板13采用锚筋与鱼道基础侧面混凝土连接，消能钢板13正对在补水钢管出口6的前方对面；2) 位于补水钢管出口6和消能钢板13之间的消能空间60上方的上方消能板11，消能板11上布设消能孔12（流道16内的底板111也作为消能板，和上方消能板11相接，底板111凌空设置，下方有消能区，但底板不设消能孔)；3）流道16由底板111、鱼道边墙20、补水池内部导墙17组成，且流道内安装流量监测装置21，实现补水流量实时监测；4）沉沙池15，在流道16进口处的补水池底部设置的沉沙池15，用于沉淀水流中的泥沙等杂质，并便于定期清理。4）拦鱼网栅18设置在流道出口位置，网栅表面铺设一个孔径为3cm的铅丝网，拦鱼网栅18由槽钢、钢筋、钢板、锚筋等配件组成，且钢筋表面进行防锈处理，拦鱼网栅一方面具有拦鱼，避免鱼类等水生生物游入补水池，另一方面对水流具有消能作用，避免补水池内水流对鱼道池室内部流态产生干扰的作用，为鱼类洄游创造一个相对稳定的环境。

以下根据实际情况，并结合附图进一步说明其工作机理：

第一步：首先打开补水系统上游进口锥形阀2，库内水流经过进水口和锥形阀2，沿着补水池补水钢管3向下游流动，并经过大落差流向下游闸门井5位置，闸门井5通过调节阀门开度，调整水流流速，然后水流通过区段30的三维空间多级非连续弯折后从补水钢管出口6以射流状态流入补水池7。最后，在补水池内经过消能钢板13和消能板11作用，通过流道16（所述流道16可采用连通渠的方式）平缓流入鱼道池室内，14为补水池与鱼道流道之间的内部边墙。（流道16的出口高程比鱼道进/出口的高程高，但已比较接近，而能最佳地保持鱼道进口的水位以及流速），实现对下游多个鱼道进/出口8、9、10补水的功能。

第二步：鱼道补水系统进水口和出水口安装相应阀门（锥形阀2和闸门井5）控制补水钢管3内部流量，且流道内安装流量监测装置20、鱼道池室内部安装水位监测设备19，并将采集到的数据实时反馈到中央处理器，进一步反馈调节闸阀（锥形阀2和闸门井5）的开度，控制补水钢管3的出水口流量，从而实现根据鱼道池室内水位变化情况，实时、精准化调控，从而维持了鱼道池室内水位稳定，具有良好的补水效果。

以上所述仅为发明的具体实施案例，本发明的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种在高水头、大落差作用下的鱼道池室补水系统，其特征在于包括进水口及附属结构、补水管路、补水管路出水口及附属结构、补水池及其中的组合消能结构；

在补水管路出水口及附属结构中设置闸门井，输水结构出水口设置在补水池，所述补水池在输水结构的出水口外设置消能结构，所述补水池的出口和鱼道池室的一处或多处相连；所述鱼道池室补水系统设置水位监控和流量监控系统，所述水位监控和流量监控系统控制闸门井；

进水口及附属结构中设置阀，所述水位监控和流量监控系统控制所述阀；

所述水位监控和流量监控系统包括补水池内部安装流量监控装置和水位监测设备实现水位与流量的实时馈控；

所述闸门井后的补水管路、补水池内组成多级消能方式，包括：

（1）在闸门井之后的补水池补水管路采用多级不连续折弯形式，通过增加内摩擦和改变管道内压的升降，从而降低水流动能；

（2）补水管路的出口位于补水池正常运行水位以下，具有淹没出流特征，从而达到分散水流，并降低射流速度的效果，且在出口前方对面设置消能钢板，避免大流量、高流速、长时间运行工况下混凝土表面冲刷与磨蚀；

（3）位于出口和消能钢板之间的上方设置消能板，所述消能板布设消能孔，实现对补水池下部水流进行消能，降低其动能，从而使鱼道池室高程水流趋于平缓；

（4）补水池内设置联通渠结构，使消能过后的水流平顺流入鱼道池室结构，从而实现对鱼道池室补水，并维持鱼道水位稳定，避免因鱼道池室内水位变化对鱼类上溯的影响；

（5）补水池与鱼道池室之间流道出口设置拦鱼网栅，避免鱼类误入补水池，且其具有消能作用。

2.根据权利要求1所述的一种在高水头、大落差作用下的鱼道池室补水系统，其特征在于补水管路穿过坝体后，沿鱼道走向布设，根据地形条件，局部预埋在鱼道基础混凝土内并在下游侧顺边坡铺设，补水管道明铺段采用保温材料覆盖。

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