CN115034113A - 一种鱼道休息池结构确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鱼道休息池结构确定方法及系统，方法包括：根据预设的休息池的结构参数，确定休息池内水流的主流；如果主流的边界与休息池的池壁相交，则改进预设的休息池的结构参数；从每一组改进后的结构参数对应的主流中确定与池壁不相交的主流；从不相交的主流对应的结构参数中，获取符合预设条件的结构参数，得到鱼道休息池结构。本发明根据休息池中流场分布与水力特性对鱼类洄游的影响，对鱼道休息池的关键设计参数提出改进方案，从而对休息池中的不利流场和水力特性进行优化与调整，以改善休息池中水流条件，使得回流区分布均匀，更有利于在休息池内鱼类的洄游以及体力的恢复，更好地发挥鱼道休息池功能。

Description

一种鱼道休息池结构确定方法及系统

技术领域

本发明公开了一种鱼道休息池结构确定方法及系统，属于水利工程技术领域。

背景技术

鱼道是在水闸或坝上修建的保护鱼类习性，供鱼类洄游的通道，其主要是通过控制水流流速，让鱼类能够克服水流阻力顺利完成上溯，从而辅助鱼类完成繁殖周期的。

目前常用的鱼道为矩形断面的垂直竖缝式鱼道。竖缝式鱼道又称槽式鱼道，其鱼道池室之间的过鱼口是从上到下的一条竖缝，水流从布置在中间或两侧的竖缝中下泄，它结构简单、流态稳定、消能效果好、对进出口水位适应性强，能满足不同偏好水深鱼类的上溯需求，应用非常广泛。

休息池是垂直竖缝式鱼道结构布置中常见的鱼道池室之一，是鱼道的重要组成部分。休息池通常位于鱼道直段和转弯段，通过设置休息池能为鱼类提供上溯途中的休息场所，避免鱼类因过度疲劳而导致上溯失败。现有技术中的鱼道设计规范规定，每隔10～20块隔板宜设一休息池，休息池宜为平底，其长度不宜小于2倍池室长度。上述鱼道设计规范仅仅对休息池的结构进行了限定，其并未明确休息池内的水力特性，致使实际应用过程中，休息池内的主流会出现碰壁及贴壁等不利流态，而上述不利流态会影响过鱼对象的上溯效率，影响鱼类的洄游。

发明内容

本申请的目的在于，提供一种鱼道休息池结构确定方法及系统，以解决现有技术中的鱼道休息池存在主流碰壁及贴壁等不利流态，影响鱼类洄游的技术问题。

本发明的第一方面提供了一种鱼道休息池结构确定方法，包括：

步骤1、根据预设的休息池的结构参数，确定所述休息池内水流的主流；

步骤2、如果所述主流的边界与所述休息池的池壁相交，则改进所述预设的休息池的结构参数；

步骤3、从每一组改进后的结构参数对应的主流中确定与所述池壁不相交的主流；

步骤4、从所述不相交的主流对应的结构参数中，获取符合预设条件的结构参数，得到鱼道休息池结构。

优选地，改进所述预设的休息池的结构参数，具体包括：

获取所述休息池内主流的边界与所述池壁的交点位置；

根据所述交点位置确定多个改进点；

在所述改进点处设置整流板，得到多组改进后的休息池的结构参数。

优选地，在所述改进点处设置整流板，得到多组改进后的休息池的结构参数，具体包括：

在其中一个所述改进点处设置M种尺寸的整流板，得到M组改进后的休息池的结构参数，重复该步骤，直至所有改进点处均设置过整流板，得到多组改进后的休息池的结构参数。

优选地，根据所述交点位置确定多个改进点，具体包括：

获取所述交点位置对应的区间范围；

将所述区间范围的上游边界点及中点作为改进点。

优选地，从所述不相交的主流对应的结构参数中，获取符合预设条件的结构参数，得到鱼道休息池结构，包括：

获取所述不相交的主流的最大流速轨迹线、最大流速值沿程分布及动能分布；

获取所述不相交的主流两侧的回流区水利特性参数；

根据所述最大流速轨迹线、最大流速值沿程分布、动能分布及回流区水利特性参数确定符合预设条件的结构参数，得到鱼道休息池结构。

优选地，获取所述不相交的主流的最大流速轨迹线、最大流速值沿程分布，具体包括：

以所述休息池的长度方向为X轴，以所述休息池的宽度方向为Y轴，构建直角坐标系；

在所述X轴上，间隔设定距离截取所述休息池的多个横断面；

获取每个所述横断面内的不相交的主流的流速最大值及其对应位置；

根据所述流速最大值及其对应位置构建最大流速轨迹线及最大流速值沿程分布。

优选地，获取所述不相交的主流的动能分布，具体包括：

根据第一公式确定所述不相交的主流的平均动能，所述第一公式为：

式中，v_x为所述改进主流x方向的速度，v_y为所述改进主流y方向的速度，v_z为所述改进主流的垂直速度，k为平均动能；

根据所述平均动能确定分布量，获取所述分布量的等值线，得到所述不相交的主流的动能分布。

优选地，获取所述不相交的主流两侧的回流区水利特性参数，具体包括：

确定过鱼对象的游泳参数，所述游泳参数包括游泳水层；

根据所述游泳水层确定所述休息池在高度上的高度截面；

确定所述高度截面上，所述不相交的主流两侧的回流区的影响域。

优选地，确定所述高度截面上，所述不相交的主流两侧的回流区的影响域，具体包括：

根据第二公式确定所述高度截面上，所述不相交的主流两侧的回流区的影响域，所述第二公式为：

D＝(hx/L)×(hy/B)

式中，hx为所述回流区的沿x轴方向的长度，hy为所述回流区的沿y 轴方向的长度，L为所述休息池的长度，B为所述休息池的宽度。

本发明的第二方面公开了一种鱼道休息池结构确定系统，包括：

第一主流确定模块，所述主流确定模块用于根据预设的休息池的结构参数，确定休息池内水流的主流；

改进模块，所述改进模块用于在所述主流的边界与所述休息池的池壁相交时，改进所述预设的休息池的结构参数；

第二主流确定模块，所述第二主流确定模块用于从每一组改进后的结构参数对应的主流中确定与所述池壁不相交的主流；

结构确定模块，所述结构确定模块用于从所述不相交的主流对应的结构参数中，获取符合预设条件的结构参数，得到鱼道休息池结构。

本发明的鱼道休息池结构确定方法及系统，相较于现有技术，具有如下有益效果：

本发明利用数值计算方法，建立竖缝式鱼道休息池数值模型，根据休息池中流场分布与水力特性对鱼类洄游的影响，对鱼道休息池的关键设计参数提出改进方案，从而对休息池中的不利流场和水力特性进行优化与调整，以改善休息池中水流条件，使得回流区分布均匀，更有利于在休息池内鱼类的洄游以及体力的恢复，更好地发挥鱼道休息池功能。

附图说明

图1为本发明提供的鱼道休息池结构确定方法的流程图；

图2为本发明实施例中MIKE软件中分层网格的结构示意图；

图3为本发明实施例中sigma垂直网格的结构示意图；

图4为本发明实施例中sigma/z级混合垂直网格的结构示意图；

图5为本发明提供的鱼道休息池结构确定系统的结构示意图；

图6为本发明具体实施例中计算区域的结构示意图；

图7为本发明具体实施例中计算区域平面网格划分图；

图8为本发明具体实施例中休息池内水深等值线分布图；

图9为本发明具体实施例中休息池内水位等值线分布图；

图10为本发明具体实施例中休息池内流速分布图；

图11为本发明具体实施例中休息池内流速矢量分布图；

图12为本发明具体实施例中休息池最大流速轨迹线图；

图13为本发明具体实施例中休息池最大流速沿程分布图；

图14为本发明具体实施例中休息池内k^0.5/v_max分布；

图15为本发明具体实施例中不同方案休息池内流速矢量图，(a)为原方案的休息池内流速矢量图，(b)为方案1的休息池内流速矢量图， (c)为方案2的休息池内流速矢量图，(d)为方案3的休息池内流速矢量图，(e)为方案4的休息池内流速矢量图，(f)为方案5的休息池内流速矢量图；

图16为本发明具体实施例中不同方案休息池最大流速轨迹线图；

图17为本发明具体实施例中不同方案休息池最大流速沿程分布图；

图18为本发明具体实施例中不同方案休息池内k^0.5/v_max分布，(a)为原方案的休息池内k^0.5/v_max分布，(b)为方案1的休息池内k^0.5/v_max分布， (c)为方案2的休息池内k^0.5/v_max分布，(d)为方案3的休息池内k^0.5/v_max分布，(e)为方案4的休息池内k^0.5/v_max分布，(f)为方案5的休息池内 k^0.5/v_max分布。

图中101为第一主流确定模块；102为改进模块；103为第二主流确定模块；104为结构确定模块。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

本发明的第一方面公开了一种鱼道休息池结构确定方法，其流程如图 1所示，包括：

步骤1、根据预设的休息池的结构参数，确定休息池内水流的主流。

本发明实施例中预设的休息池的结构参数可为已经设计好还未开工建设的鱼道休息池的结构参数也可以为在建的鱼道休息池的结构参数。其中所研究鱼道为垂直竖缝式鱼道，在获取休息池的结构参数之前，需要获取该垂直竖缝式鱼道的总长、带有导板的隔板的数量及设置位置、所形成的池室及休息池的数量、缝宽和每个池室和每个休息池的宽度、长度和底坡。则休息池的结构参数包括休息池两侧的缝宽、休息池的宽度、长度和底坡。

本发明实施例中步骤1具体包括：

步骤1.1、获取预设的休息池的结构参数，根据结构参数构建休息池的水动力数值模型。

本发明实施例中，获取预设的休息池的结构参数，根据结构参数构建休息池的水动力数值模型具体为利用MIKE软件，结合预设的休息池的结构参数，构建休息池的水动力数值模型。

MIKE软件适用于模拟一维河网水动力学系统以及二维的洪泛区和沿海区、宏观上的流域性工程布局论证分析和流域洪水调度研究以及微观水流模拟等领域。

MIKE软件中所使用的基本控制方程为：

连续方程：

x方向水平动量方程：

y方向水平动量方程：

其中，u，v，w分别是笛卡尔坐标系中x方向，y方向，z方向上的水流速度分量；t是时间；η是表面标高；d是静水深度；h＝η+d是总水深； f＝2Ωsinφ是科里奥利参数，Ω是旋转角速度，φ是地理纬度；g是重力加速度；ρ是水的密度；s_xx，s_xy，s_yx和s_yy是辐射应力张量的分量；v_t是垂向涡粘系数；p_a是大气压强；ρ₀是水的参考密度；S是点源的流量大小，

(u_s，v_s)是源汇项水流流速，(F_u，F_v)为水平应力项，用压力梯度相关来描述，简化为公式(4)和公式(5)：

其中，A为水平涡流粘度。

x方向，y方向，z方向上的边界条件为：

(1)z＝η

(2)z＝-d

式中，(τ_sx,τ_sy)为x方向，y方向上的表面风压力；(τ_bx,τ_by)为x方向，y 方向上的底部压力。

可以通过谢才公式与水深、平均流速建立以下关系：

式中，C为谢才系数。

MIKE软件中还会涉及到标准k-ε湍流模型。

在k-ε湍流模型中，涡流粘度v_t是由湍流参数k和ε导出的。

其中，k是单位质量湍流动能(TKE)，ε是紊动耗散率，C_μ是经验常数。

湍流动能k和紊动能耗散率ε可从以下传输方程中获得：

式中，t是时间，单位s；μ、v_t是黏性系数和涡流粘度系数，单位为m²/s；ρ是密度，单位kg/m³；k是单位质量湍流动能，单位m²/s²；ε是紊动耗散率，单位m³/s³；G_k是紊动能产生项；u为x方向的时均速度分量的坐标分量，单位m/s，其他各项常数取值为C_μ＝0.09，σ_ε＝1.3，σ_k＝1.0， C_ε1＝1.44，C_ε2＝1.92。

本发明实施例在利用MIKE软件，结合预设的休息池的结构参数，构建休息池的水动力数值模型时，需要进行网格划分，MIKE软件共有三种网格划分方式，分别为矩形流场模型(FlowModel)、非结构化网格流场模型(Flow Model FM)和曲线网格流场模型(Curvilinear Flow Model)。其中非结构化网格流场模型是一种三角网格，模型将计算区域划分成三角网格，网格的大小(分辨率)由模拟区域大小及具体要求决定，网格越小计算精度越高，耗时也越长。该模型采用有限元解法，能够很好的模拟天然河道和或水上结构物周围区域的流场。根据本模型结构的特点，本发明采用非结构化三角网格对计算区域进行平面网格的划分。

在用MIKE 3 FM进行计算时，使用分层网格，如图2所示：在水平域中使用非结构化网格，而在垂直域中使用结构化网格。垂直网格有基于 sigma坐标或组合sigma/z级坐标两种表示方式。对于混合sigma/z级网格，从自由表面到指定深度使用sigma坐标，下面使用z级坐标。不同类型的垂直网格如图3和图4所示。图4中粗实线表示z级域和sigma级域之间的接口。使用sigma坐标最重要的优点是能够准确表示水深测量，并在河床附近提供一致的分辨率。而Z级坐标在表示水深时不准确，进而可能导致底部附近的流速不切实际，故本发明垂直网格使用sigma网格。

本发明中MIKE软件的求解方法为：MIKE 3水动力模块的空间离散采用单元中心的有限体积法(控制体积法)，它是将区域划分为一系列不重复的控制体积，使每个网格节点周围都有一个控制体积；然后将待解的微分方程对每一个控制体积进行积分，便可得出一组离散方程。离散方程的物理意义就是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，这与微分方程表示因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一样。有限体积法得出的离散方程要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到满足，对整个计算区域，也就得到满足。

时间积分的一般方程形式：

对于三维模拟，时间积分是半隐式的。即水平项隐式处理而垂直项隐式、部分显式或部分隐式处理。考虑一般半隐式形式的方程：

其中，h和v下标分别表示水平项和垂直项，上标I和V分别表示非粘性项和粘性项。

用于三维浅水方程的低阶表达式可以写成：

其中水平项使用一阶显式欧拉公式进行积分，垂直项使用二阶隐式梯形法则进行积分。高阶方法的表达式为：

水平项使用二阶Runge Kutta进行积分，垂直项使用二阶隐式梯形法则进行积分。

步骤1.2、根据水动力数值模型确定休息池内水流的主流。

本发明实施例中，利用MIKE软件中的水动力数值模型，即可确定休息池内流速分布图以及流速矢量图，根据流速分布图以及流速矢量图即可确定水流的主流和回流。

步骤2、判断主流的边界是否与池壁相交，如果主流的边界与休息池的池壁相交，则改进预设的休息池的结构参数，如否，则预设的休息池的结构参数即为所确定的鱼道休息池结构。

本发明实施例中，为便于获取最优的改进结构参数，在改进预设的休息池的结构参数时，采用多种改进方案，从而在改进方案中确定最优的鱼道休息池结构。

其中改进预设的休息池的结构参数，具体包括：

(a)获取休息池内水流的主流边界与池壁的交点位置。

本发明实施例中，水流的主流边界与池壁可能交于一点或者交于一个连续的区域。

(b)根据交点位置确定多个改进点，具体包括：

获取交点位置对应的区间范围；

将区间范围的上游边界点及中点作为改进点。

采用该种方式确定的改进点，改进效果最佳。

(c)在改进点处设置整流板，得到多组改进后的休息池的结构参数，具体包括：

在其中一个改进点处设置M种尺寸的整流板，得到休息池的M组改进后的休息池的结构参数，重复该步骤，直至所有改进点处均设置过整流板，得到多组改进后的休息池的结构参数。

步骤3、判断每一组改进后的结构参数对应的主流是否与池壁相交，并从每一组改进后的结构参数对应的主流中确定与池壁不相交的主流。

本发明实施例中，改进后的结构参数对应的主流是利用步骤1确定的。

步骤4、从不相交的主流对应的结构参数中，获取符合预设条件的结构参数，得到鱼道休息池结构包括：

(a)获取不相交的主流的最大流速轨迹线、最大流速值沿程分布及动能分布，具体包括：

以休息池的长度方向为X轴，以休息池的宽度方向为Y轴，构建直角坐标系；

在X轴上，间隔设定距离截取休息池的多个横断面；

获取每个横断面内的不相交的主流的流速最大值及其对应位置；

根据流速最大值及其对应位置构建最大流速轨迹线及最大流速值沿程分布。

其中最大流速轨迹线的横坐标为X/L，纵坐标为Y/B，其中X为最大流速所在位置对应的横坐标，L为休息池的长度，Y为最大流速所在位置对应的纵坐标，B为休息池的宽度。

最大流速值沿程分布的横坐标为X/L，纵坐标为v/V_max。其中X为最大流速所在位置对应的横坐标，L为休息池的长度，v为每个横断面内的最大流速值，V_max为休息池内最大流速值。

本实施例中获取不相交的主流的的动能分布，具体包括：

根据公式(20)确定不相交的主流的的平均动能：

式中，v_x为改进主流x方向的速度，v_y为改进主流y方向的速度，v_z为改进主流的垂直速度，k为平均动能；

根据平均动能确定分布量，获取分布量的等值线，得到改进主流对应的动能分布。

本发明实施例中，引入无量纲量k^0.5/v_max(v_max为竖缝处的最大流速， m/s)来表征池室内平均动能的分布情况。

(b)获取不相交的主流两侧的回流区水利特性参数，具体包括：

确定过鱼对象的游泳参数，游泳参数包括游泳水层；

根据游泳水层确定休息池在高度上的高度截面；

确定高度截面上，不相交的主流两侧的回流区的影响域，具体包括：

根据公式(21)确定不相交的主流两侧的回流区的影响域：

D＝(hx/L)×(hy/B)

式中，hx为回流区的沿x轴方向的长度，hy为回流区的沿y轴方向的长度，L为休息池的长度，B为休息池的宽度。

(c)根据最大流速轨迹线、最大流速值沿程分布、动能分布及回流区水利特性参数确定符合预设条件的结构参数，得到鱼道休息池结构。

在一个具体的实施例中，在多条不相交的主流中，将最大流速轨迹线相对居中、最大流速值沿程分布消减最多、动能小于预设动能阈值、主流两侧的回流区范围最接近的不相交的主流对应的结构参数，作为本申请的鱼道休息池的结构。

其中，最大流速轨迹线相对居中即其距右岸及左岸的距离均大于预设阈值或者距左岸及右岸的距离之差最小；

最大流速值沿程分布消减最多即最大流速值沿程曲线的下降斜率最大；主流流速沿程消减越厉害，消能效果就越好，从而越有利于鱼类上溯洄游。

主流两侧的回流区范围最接近即主流两侧的回流区的影响域之间的差值最小。

本发明的第二方面提供了一种鱼道休息池结构确定系统，如图5所示，包括第一主流确定模块101、改进模块102、第二主流确定模块103和结构确定模块104。

其中第一主流确定模块101用于根据预设的休息池的结构参数，确定休息池内水流的主流；改进模块102用于在主流的边界与休息池的池壁相交时，改进预设的休息池的结构参数；第二主流确定模块103用于从每一组改进后的结构参数对应的主流中确定与池壁不相交的主流；结构确定模块104用于从不相交的主流对应的结构参数中，获取符合预设条件的结构参数，得到鱼道休息池结构。

本发明利用数值计算方法，建立竖缝式鱼道休息池数值模型，根据休息池中流场分布与水力特性对鱼类洄游的影响，对鱼道休息池的关键设计参数提出改进方案，从而对休息池中的不利流场和水力特性进行优化与调整，以改善休息池中水流条件，使得回流区分布均匀，更有利于在休息池内鱼类的洄游以及体力的恢复，更好地发挥鱼道休息池功能。

下面将以更为具体的实施例详述本申请。

黄金峡位于汉江水道洋县境内的峡谷段航道当中。黄金峡全长九十里，西起洋县城以东的青石港，东流至渭门注入西乡县境。黄金峡有大、小峡之分，小峡是从青石港至新铺的环珠庙，长约四十五里。其中约有十里属于汉江平原段，其余属于峡谷段。环珠庙至渭门间约三十公里，称为黄金峡，又称大峡，是汉江最著名的峡谷。

洋县至渭门为深切峡谷段。本段为汉江干流上最大峡谷，全长约53 公里，可分为上、下两段。上段从洋县小峡口至环珠庙，长约23千米，称为小峡。汉江进入小峡后，河身骤束至200米，两岸山岭高出河床100～ 200米。环珠庙至渭门间约30公里，称为黄金峡，又称大峡，是汉江最著名的峡谷。大峡成一大轭形，水程30公里，陆程仅9公里。汉江进入大峡后，两岸山岭高出河床300～400米，谷坡倾角达50～60度，河身最窄处仅50米，最高与最低水位相差达24～25米，河中险滩甚多，著名者30 余处，其中龟滩、笼滩、金溜子等为最险。黄金峡是陕西省“引汉济渭”输水线路的起点，黄金峡水电站担负着为八百里秦川输水的任务。

黄金峡水利枢纽位于汉江干流上游峡谷段，地处陕西南部汉中盆地以东的洋县境内。黄金峡水利枢纽工区包括枢纽与秦岭隧洞黄三段(黄金峡—三河口)两大主体工程。黄金峡水利枢纽拥有当前亚洲最大的泵站，总装机12.6万千瓦，设计流量70立方米每秒，设计扬程106.5米。枢纽建成后主要以供水为主，多年平均调水约10亿立方米，兼顾发电，同时改善水上航运条件。秦岭隧洞(黄三段)是连接黄金峡与三河口两大心脏工程的大动脉，设计流量70立方米每秒，全长16.5公里。

黄金峡水利枢纽鱼道主要过鱼对象为过鱼对象为青鱼、草鱼、鲢、鳙等，主要过鱼季节为每年4～7月。由于青鱼常在水的中、下层游泳，草鱼一般喜居于水的中下层，鲢和鳙均为中上层鱼类。其中，草鱼洄游的适应流速范围在0.40～1.00m/s，刺激草鱼洄游的最小流速阈值为0.20m/s。

本申请数值模型原型为黄金峡水利枢纽鱼道休息池，主要过鱼对象为草鱼(适应流速范围在0.40～1.00m/s，刺激草鱼洄游的最小流速阈值为 0.20m/s)，同时兼顾其他鱼种的洄游。

鱼道总长约1908米，为混凝土结构，中间布置有带有导板的隔板，形成118个池室和41个休息池，池室宽2.0m，长2.5米，长宽比为5:4，底坡1:40；休息池宽度与池室一致，长7m，长宽比为15:4，底坡1:100，缝宽与池室宽度比值为0.175。

为了降低边界条件对休息池流场的影响，本申请计算中在上游模拟3 个标准池室，中间模拟1个休息池，下游模拟3个标准池室，以中间的休息池作为研究对象，计算区域见图6。

模型在平面上采用非结构化三角网格，网格平均边长0.2m，模型网格数2948个，网格节点数1699个，划分完成后经过后处理调整，以增强区域内网格划分的合理性。垂向采用正交sigma网格划分平均分成5层。计算区域平面网格划分如图7所示。

考虑到水体的连通性和数值模拟的相似性，计算区域上游边界设置为流量条件，流量为1.0m³/s；下游边界设置为水深条件，水深值为3.0m；顶部设置为压力边界，压力值为一个大气压；计算域给定初始水深为3.0m，初始流速及紊动能均为0。干湿边界选用软件默认值；模型静止启动。

为了能够全面而精确地了解休息池内部的流场特征，需要通过数值模型对原设计方案中休息池的水流结构进行分析，进而提出产生最佳过鱼效果的改进方案。

在鱼道工程设计中，水深和水位是关键参数，水深影响着休息池内流速的大小；水位的高低则决定着鱼道过流情况下，鱼道边墙的设计高度是否安全，水流是否能够保持。休息池内水深与水位等值线的平面分布如图 8和图9所示。

通过图8可以发现，休息池内水深等值线在休息池内分布较稀疏，在竖缝处分布较密集。因为有底坡的存在，水深等值线在左侧回流区基本与鱼道走向相垂直，水深逐渐变小；而在右侧主流区，等值线间距与回流区相比明显变小，这说明主流区的水深变化与回流区相比更加剧烈。

通过图9可以看出，竖缝鱼道内隔板阻水作用明显。在休息池内水位等值线稀疏，水位近似在同一高程上在竖缝内，水位的等值线较其他位置更加密集，说明在此处水位下剧烈，呈现出明显的堰流过流特性。综上所述，在该过鱼设施中，除了竖缝处的水位有明显变化外，休息池内水位接近水平、水面平稳，有利于鱼类通过。

休息池内流速的大小对于鱼类的洄游有着至关重要的影响，S.Wu和 Liu Min等通过模型实验研究了鱼道底坡对于鱼道内水流水力特性的影响，发现当底坡小于或等于5％时，休息池内水流表现出明显的二维分布特征；而且池室内的水流形态可以分为主流区与回流区。黄金峡水利枢纽鱼道底坡最大处为2.5％，在休息池底坡为1％，远小于5％，故可对休息池内的流速分布在二维层面上进行研究。

经过软件计算后，得到休息池内的流速分布及流速矢量情况如图10 和图11所示。

由图10和图11可以发现，由于休息池长度较长，主流充分向右岸扩散并在右岸发生碰壁，随后主流发生偏转，流向下游竖缝处。休息池在左岸和右岸角落形成了流速较小的回流区，共有三个回流区，但上游角隅处回流区较小，主流左侧则存在大面积的回流区，其面积约占休息池面积的 46％；主流区流速箭头密集而长，表示竖缝射流的主流区内流速较大，而回流区的水流较缓，为鱼类在洄游途中提供更多的休闲场所。休息池中最大流速1.04m/s，低于突进流速1.19m/s，位于休息池两侧的竖缝处，池内主流区流速在0.24～0.8m/s，低于草鱼幼鱼的临界流速0.84m/s；而回流区流速小于0.24m/s，能让过鱼对象在休息池中较好的恢复体力。综上所述，休息池中有充足的供鱼类洄游过程中休憩的回流低流速区域，但是主流碰壁的流态会对鱼类的上溯效率产生影响。

为进一步分析休息池内流场分布，本发明实施例对休息池内的流速分布进行量化。在接近池底和表面，水流易受边界层的影响，水流流态不够稳定，且过鱼对象偏好中层，故此节取h/H＝0.5横断面(其中h为待研究深度，H为水深)，以导板(图6中竖直的板)一侧边墙与导板迎水面交点为零点，指向下游导板方向为X轴正方向，指向隔板(图6中L形状的板，导板与隔板共同组成竖缝)方向为Y轴正方向。为研究休息池主流区最大流速轨迹线，将X轴正方形每隔0.5m截取一个横断面，共16个断面。从每个横断面筛选出流速最大值和所在的位置，每个断面流速最大值记v_i (i＝1,2，…，16)，并将其无量纲化v_i/V_max，其中V_max为休息池内最大流速。同时将最大流速v_i所在位置的X、Y轴的坐标x，y，分别转换成无量纲值x_i/L，y_i/B，其中基本量纲L为休息池的长度，B为休息池的宽度， L＝3.75B。主流区最大流速轨迹线x_i/L～y_i/B见图12，最大流速值沿程分布 v_i/V_max～x_i/L见图13。

从图12可见，休息池最大流速轨迹线图与水流流速矢量图基本一致。主流从竖缝位置先偏向左侧，当X/L＝0.13时，主流碰壁并且开始贴壁流动，X/L＝0.5后，主流逐渐偏向右侧，直到X/L＝0.93时，主流开始偏向下一个水池的竖缝部位。

而从图13可以看出，在X/L＜0.1时，休息池内主流最大流速迅速沿程降低，但在0.1＜X/L＜0.4以及0.6＜X/L＜0.9时，主流最大流速沿程下降趋势不明显，在0.4＜X/L＜0.6时，主流最大流速沿程逐渐降低，当X/L 大于0.9时，最大流速沿程迅速增大。显然，越是靠近竖缝位置，主流最大流速变化越剧烈。最大流速轨迹线上的流速沿程变化一定程度上能够反映出池内沿程水头损失，一般可以认为，主流流速沿程消减越厉害，消能效果就越好，从而越有利于鱼类上溯洄游。

垂直竖缝鱼道内阻水设施的存在，使鱼道池室内形成了较竖缝处流速更低的水流流动区。当竖缝射流进入流速较小的池室时，由于水流的混掺作用，使部分水流动能转化为热能而耗散掉，减小了水流能量，使鱼类更容易上溯。

动能是描述紊动的重要水力学因子，过鱼通道内控制该因子的大小对鱼类的上溯具有重要意义。速度场的一个重要特征是单位质量的平均动能 k,其定义为：

式中：v_x、v_y和v_z分别为平均纵向、横向平均和垂直速度，单位为m/s。

此处引入无量纲量k^0.5/v_max(v_max为竖缝处的最大流速，m/s)来表征池室内平均动能的分布情况，其等值线分布如图14所示。

由图14可以看出，在休息池内形成了k^0.5/v_max＞0.2的动能条带，动能在该范围内沿程降低，表现出竖缝射流能量在休息池内逐渐耗散，动能逐渐减小。休息池在高动能区域两侧分割出来两个不同大小的低动能区，而竖缝处动能最大，无量纲动能值大约为0.7。综上所述，在现有设计方案下，射流区范围内动能持续衰减，竖缝处无量纲动能k^0.5/v_max达到最大值，回流区动能处于较低水平，而在低动能区，鱼类洄游更加节省能量，通过时间花费也更短。在该方案下，除去小范围高动能区，休息池内大部分区域的无量纲动能值在0.4以下，能够满足鱼类在休息池休憩洄游要求。

经过以上对原设计方案数值模拟结果的分析，发现休息池内存在主流碰壁、贴壁的不利流态，会影响过鱼对象的洄游。本申请将以原设计方案为基础，对其结构，设计参数进行局部优化调整，设计不同方案，来改善休息池内水动力条件，使之更加适合目标鱼类洄游。

通过对原设计方案计算结果的分析，确定对初步设计方案进行局部修改，具体设计方如下。

方案1：在休息池右岸距离上游隔墩1m处(交点的边界)，增加一个长0.6米，宽0.2米的整流板。

方案2：在休息池右岸距离上游隔墩2m处(交点的中心)，增加一个长0.6米，宽0.2米的整流板。

方案3：在休息池右岸距离上游隔墩1m处，增加一个长0.5米，宽 0.2米的整流板。

方案4：在休息池右岸距离上游隔墩1m处，增加一个长0.4米，宽 0.2米的整流板。

方案5：在休息池右岸距离上游隔墩1.5m处，增加一个长0.4米，宽0.2米的整流板。

优化方案中，仅对过鱼设施的局部进行修改，借助MIKE 3 FM对过鱼设施的不同方案进行数值模拟，利用Mesh Generator生成非结构网格，其它计算参数的取值与原方案采用值一致。不同方案下休息池内流速矢量图如图15所示。

由图15可以看出仅增设整流，对竖缝处流速量值影响不大，最大流速值基本不变。方案1、2、3、5增设了整流板，明显抑制了主流向右岸持续发展，使得主流及时转向，向左岸靠近甚至贴近左岸，使得右岸回流区面积增大，而左侧隔墩后的回流区面积减小；但方案4由于降低了整流板的长度，未能及时抑制主流向右岸发展，仅是延后了主流在右岸碰壁的位置。综上所述，方案1、2、3、5改善了休息池内的水流流场分布情况，一定程度上避免了主流直接冲击右岸，在休息池内保留了较大区域的低速回流区。

各方案下主流区最大流速轨迹线x_i/L～y_i/B见图16，最大流速值沿程分布v_i/V_max～x_i/L见图17。

由图16可以看出，原方案和方案4主流主要分布与右岸，而方案1、 2、3、5的主流则分布于偏向左岸，可以明显感觉到整流板对于主流的导向作用，这与之前的结论一致。此外，结合图17可以发现，各方案中的休息池内最大流速沿程分布在X/L＜0.1和X/L＞0.9的区域高度统一，这是由于接近休息池竖缝位置，水流特征受竖缝射流影响严重，休息池内部的结构对其造成的影响有限；而在0.1＜X/L＜0.9的区域，各方案的最大流速沿程逐渐降低，其中方案3降低迅速，体现出该方案较好的消能效果。

以h/H＝0.5截面上休息池回流区为研究对象，取回流区范围沿X轴方向长度为hx,沿Y轴方向长度为hy，并将其转化为无量钢值hx/L、hy/B，同时定义休息池回流区形状比为hx/hy，休息池回流区影响域为(hx/L) ×(hy/B)，将回流区h/H＝0.5截面上各个方案下对应的值列于表1。

表1回流区水力特性参数表

由表1可见：各个设计方案下的休息池内，回流区在X轴方向上无量纲长度hx/L在0.23～0.79范围内，Y轴方向上hy/B在0.35-0.61范围内，回流区影响域(hx/L)×(hy/B)均小于0.46，回流区形状比片在1.62～7.67 范围内。计算结果表明，采用方案3时主流两侧的回流区范围最接近，水流结构最合理，且回流区流速均小于0.3m/s，左侧回流区影响域占休息池的36％，右侧占19％,最适合鱼类上溯及下行。

计算休息池中平均流动动能k，利用竖缝处最大流速v_max对平均流动动能的均方根进行无量纲处理，得到休息池内k^0.5/v_max等值线图如图18所示。

从等值线图中可以看出，休息池主流区范围内平均动能的均方根值与竖缝最大流速的比值大多在0.4以上，而在回流区内，其值均在0.2以下。不同方案动能分布情况研究如下：

原方案无量纲动能k^0.5/v_max在0.4以上的区域约为主流区面积的40％；而方案1和方案2中k^0.5/v_max＞0.4的区域则明显变多。k^0.5/v_max值的大小是区域内动能大小的反映：k^0.5/v_max值越大，水流的动能就越强，动能耗散也就越小；反之其值越小，水流动能也就越小，动能的耗散也就越强。方案 3、4、5中k^0.5/v_max值大于0.4的区域则小于原方案，其中方案3中k^0.5/v_max＞0.4的区域约为主流区面积的25％。可见从动能分布的角度来看，方案3、 4和5均优于原方案，且其中以方案3为最优，方案1和方案2则劣于原方案。

综上，优化方案对于阻止竖缝射流直接冲击右岸均有效果，但方案4 仅能延缓射流冲击，随着射流继续延伸，仍然发生碰壁现象；而方案1和方案2会导致休息池内水流动能增加，动能耗散减少，不利于鱼类上溯洄游，且经过对于回流区面积和分布位置的分析，方案3能让主流区两侧的回流区面积更加接近，水流结构更加合理，综合考虑各方案的利弊，最终认为采用方案3能够最好的满足鱼类在休息池内的洄游需求。

本申请以黄金峡水利枢纽鱼道休息池为基础，利用MIKE软件对现有设计方案进行了建模计算，通过对现有设计方案计算结果的研究分析，发现现有设计方案中存在问题，于是提出了不同的优化设计方案。在对比不同设计方案下休息池内的水动力条件的利弊，选出了对目标鱼类洄游最有利的过鱼方案。

本申请通过对现有设计方案的数值计算结果进行分析，认为休息池内水面平稳，水流从主流区向两侧沿程扩散，主要集中于休息池右侧，在左侧形成较大的回流区。主流从竖缝直接冲击右壁，贴壁而行，使得回流区分布不均，在休息池内不利于鱼类的洄游以及体力的恢复，需要对其进行修改优化。

本申请增设整流板可以有效地改善休息池内主流贴壁的流态，从而形成有利于洄游鱼类上溯的流态特征。

本申请的各个优化设计方案对于阻止竖缝射流直接冲击右壁均有效果，但方案4仅能延缓射流冲击，随着射流继续延伸，仍然发生碰壁现象；而方案1和方案2会导致休息池内水流动能增加，动能耗散减少，不利于鱼类上溯洄游，且经过对于回流区面积和分布位置的分析，方案3能让主流区两侧的回流区面积更加接近，水流结构更加合理，综合考虑各方案的利弊，最终认为采用方案3能够最好的满足鱼类在休息池内的洄游需求。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种鱼道休息池结构确定方法，其特征在于，包括：

步骤1、根据预设的休息池的结构参数，确定所述休息池内水流的主流；

步骤2、如果所述主流的边界与所述休息池的池壁相交，则改进所述预设的休息池的结构参数；

步骤3、从每一组改进后的结构参数对应的主流中确定与所述池壁不相交的主流；

步骤4、从所述不相交的主流对应的结构参数中，获取符合预设条件的结构参数，得到鱼道休息池结构。

2.根据权利要求1所述的鱼道休息池结构确定方法，其特征在于，改进所述预设的休息池的结构参数，具体包括：

获取所述休息池内主流的边界与所述池壁的交点位置；

根据所述交点位置确定多个改进点；

在所述改进点处设置整流板，得到多组改进后的休息池的结构参数。

3.根据权利要求2所述的鱼道休息池结构确定方法，其特征在于，在所述改进点处设置整流板，得到多组改进后的休息池的结构参数，具体包括：

在其中一个所述改进点处设置M种尺寸的整流板，得到M组改进后的休息池的结构参数，重复该步骤，直至所有改进点处均设置过整流板，得到多组改进后的休息池的结构参数。

4.根据权利要求2所述的鱼道休息池结构确定方法，其特征在于，根据所述交点位置确定多个改进点，具体包括：

获取所述交点位置对应的区间范围；

将所述区间范围的上游边界点及中点作为改进点。

5.根据权利要求1所述的鱼道休息池结构确定方法，其特征在于，从所述不相交的主流对应的结构参数中，获取符合预设条件的结构参数，得到鱼道休息池结构，包括：

获取所述不相交的主流的最大流速轨迹线、最大流速值沿程分布及动能分布；

获取所述不相交的主流两侧的回流区水利特性参数；

根据所述最大流速轨迹线、最大流速值沿程分布、动能分布及回流区水利特性参数确定符合预设条件的结构参数，得到鱼道休息池结构。

6.根据权利要求5所述的鱼道休息池结构确定方法，其特征在于，获取所述不相交的主流的最大流速轨迹线、最大流速值沿程分布，具体包括：

以所述休息池的长度方向为X轴，以所述休息池的宽度方向为Y轴，构建直角坐标系；

在所述X轴上，间隔设定距离截取所述休息池的多个横断面；

获取每个所述横断面内的不相交的主流的流速最大值及其对应位置；

根据所述流速最大值及其对应位置构建最大流速轨迹线及最大流速值沿程分布。

7.根据权利要求5所述的鱼道休息池结构确定方法，其特征在于，获取所述不相交的主流的动能分布，具体包括：

根据第一公式确定所述不相交的主流的平均动能，所述第一公式为：

式中，v_x为所述改进主流x方向的速度，v_y为所述改进主流y方向的速度，v_z为所述改进主流的垂直速度，k为平均动能；

根据所述平均动能确定分布量，获取所述分布量的等值线，得到所述不相交的主流的动能分布。

8.根据权利要求5所述的鱼道休息池结构确定方法，其特征在于，获取所述不相交的主流两侧的回流区水利特性参数，具体包括：

确定过鱼对象的游泳参数，所述游泳参数包括游泳水层；

根据所述游泳水层确定所述休息池在高度上的高度截面；

确定所述高度截面上，所述不相交的主流两侧的回流区的影响域。

9.根据权利要求8所述的鱼道休息池结构确定方法，其特征在于，确定所述高度截面上，所述不相交的主流两侧的回流区的影响域，具体包括：

根据第二公式确定所述高度截面上，所述不相交的主流两侧的回流区的影响域，所述第二公式为：

D＝(hx/L)×(hy/B)

式中，hx为所述回流区的沿x轴方向的长度，hy为所述回流区的沿y轴方向的长度，L为所述休息池的长度，B为所述休息池的宽度。

10.一种鱼道休息池结构确定系统，其特征在于，包括：

第一主流确定模块，所述主流确定模块用于根据预设的休息池的结构参数，确定休息池内水流的主流；

改进模块，所述改进模块用于在所述主流的边界与所述休息池的池壁相交时，改进所述预设的休息池的结构参数；

第二主流确定模块，所述第二主流确定模块用于从每一组改进后的结构参数对应的主流中确定与所述池壁不相交的主流；

结构确定模块，所述结构确定模块用于从所述不相交的主流对应的结构参数中，获取符合预设条件的结构参数，得到鱼道休息池结构。

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