CN116007683A - 一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法 - Google Patents

一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法，包括如下步骤：确定采样河段范围，并获取采样河段内所有鱼类产卵场的水文特征；结合水文特征和预设的二维水流数学模型获取采样河段内多组连续的鱼类栖息地参数；基于得到的多组鱼类栖息地参数，采用频率统计确定适合度；以水深、流速、比降、宽深比作为判别指标，计算并分析得到各判别指标在最优适合度下的值；基于各判别指标在最优适合度下的值确定拟平面布置方案；基于所述拟平面布置方案，再次进行水深、流速、比降的适合度分析，直至满足要求从而确定平面布置方案。本发明既不影响整治建筑物的整治效果，又通过提高鱼类栖息地连通性的方式来减少整治建筑物对附近鱼类栖息地的影响。

Description

一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法
技术领域
本发明属于技术领域，具体涉及一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法。
背景技术
当前在长江上游这种大型山区通航河流布置航道整治建筑物后，势必会改变整治河段的水动力条件，以及挤占或破坏鱼类的自然栖息空间，对该河段生态系统的影响是不可避免的。因此有必要尽可能地降低对河流生态环境的影响，同时又满足航道整治效果及其质量要求。
现有专利中，如CN110258437A就为了协调内河航道工程建设与鱼类栖息地保护间的矛盾，而提出了一种内河航道工程中鱼类栖息地的构建方法，其主要是在河流边滩和主航槽内不同区域，分别构建适宜鱼类栖息的多样性生态环境。但是该专利技术方案的出发点是在河段内重新构建鱼类栖息地，其复杂程度可想而知，且很难应用于长江上游山区河流，故可以转换思路，转而对长江上游河段的整治建筑物本身进行结构上的生态优化处理，以尽可能减少整治建筑物对河段内鱼类栖息地的影响。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法，取得能减少航道整治建筑物对鱼类栖息地的影响的效果。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法，包括如下步骤：
S1：确定采样河段范围，并获取所述采样河段内所有鱼类产卵场的水文特征；
S2：结合水文特征和预设的二维水流数学模型获取采样河段内多组连续的鱼类栖息地参数；
S3：基于步骤S2得到的多组鱼类栖息地参数，采用频率统计确定适合度；
S4：以水深、流速、比降、宽深比作为判别指标，计算并分析得到各判别指标在最优适合度下的值；
S5：基于步骤S4中所确定的各判别指标在最优适合度下的值确定拟平面布置方案；
S6：基于所述步骤S5中的拟平面布置方案，再次进行水深、流速、比降的适合度分析，直至满足要求从而确定平面布置方案。
进一步完善上述技术方案，步骤S1中所述采样河段指与生态顺坝所处河段的河势、水流条件相似的河段，所述生态顺坝处于采样河段内；
所述水文特征包括水深、流速和比降以及对应的流量工况。
进一步地，步骤S2中所述结合水文特征和预设的二维水流数学模型获取采样河段内多组连续的鱼类栖息地参数包括：
获取采样河段内各处鱼类产卵场的流量和水位信息，并以所述流量和水位信息作为所述二维水流数学模型的边界条件，通过二维水流数学模型计算得到采样河段内各处鱼类产卵场的水深、流速、比降和宽深比数据以及对应的流量工况；
利用步骤S1得到的所有鱼类产卵场的水文特征对所述二维水流数学模型进行验证；验证通过后，基于二维水流数学模型计算得到生态顺坝周围河段在各级流量工况下多组连续的鱼类栖息地参数，每组鱼类栖息地参数包括水深、流速、比降和宽深比。
进一步地，步骤S3中，所述采用频率统计确定适合度包括：对步骤S2中二维水流数学模型得到的多组连续的鱼类栖息地参数进行统计分析，得到生态顺坝附近河段的各组鱼类栖息地参数的适宜性分布情况。
进一步地，所述各判别指标的最优适合度为大于0.5。
进一步地，步骤S5中，所述基于步骤S4中所确定的各判别指标在最优适合度下的值确定拟平面布置方案包括：
根据河势初步确定生态顺坝的平面布置位置，根据预设的坝体长度和坝体稳定性要求初步确定生态顺坝上的开孔数量和开孔间隔；
根据水深、流速在最优适合度下的值确定拟在生态顺坝上的开孔位置；
根据比降、宽深比在最优适合度下的值确定拟在生态顺坝上的开孔大小。
进一步地，所述步骤S6具体包括：
基于二维水流数学模型在预设的时间周期内和各级流量工况下对步骤S5确定的拟平面布置方案中的拟开孔位置进行分析，分析水深、流速和比降是否满足适合度要求，如不满足，则根据最优适合度下的宽深比来调整开孔位置和开孔大小；
再次在预设的时间周期内和各级流量工况下对调整后的开孔处重新进行水深、流速和比降的适合度分析，直至满足要求从而确定最终的平面布置方案。
进一步地，所述生态顺坝上的开孔为通孔。
进一步地，所述预设的时间周期包括3月-7月；所述各级流量工况包括4000m3/s、5000m3/s、6000m3/s、8000m3/s和10000m3/s。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明的一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法，为了降低整治建筑物对附近河段生态系统的各鱼类栖息地的影响，选择在坝体上开孔以增加鱼类栖息地的连通性；为了不影响坝体的结构稳定性以及避免随意在坝体上开孔对附近生态环境的影响，故需要对整治河段内多处鱼类栖息地在一定时间内、各级流量工况下的水深、流速、比降和宽深比进行数据采集和分析，直至确定最终在坝体上的开孔位置和大小；这样，既不影响整治建筑物的整治效果，又通过提高鱼类栖息地连通性的方式来减少整治建筑物对附近鱼类栖息地的影响。
附图说明
图1为实施例的水深适宜性曲线分布图；
图2为实施例的流速适宜性曲线分布图；
图3为实施例的比降适宜性曲线分布图；
图4为实施例的宽深比适宜性曲线分布图；
图5为实施例的东溪口顺坝平面布置图；
图6为实施例的拟平面布置方案下各开孔水深流速适合度分布图；
图7为实施例的拟平面布置方案下左汊比降适合度分布图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
具体实施例的一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法，包括如下步骤：
S1：确定采样河段范围，并获取所述采样河段内所有鱼类产卵场的水文特征；
S2：结合水文特征和预设的二维水流数学模型获取采样河段内多组连续的鱼类栖息地参数；
S3：基于步骤S2得到的多组鱼类栖息地参数，采用频率统计确定适合度；
S4：以水深、流速、比降、宽深比作为判别指标，计算并分析得到各判别指标在最优适合度下的值；
S5：基于步骤S4中所确定的各判别指标在最优适合度下的值确定拟平面布置方案；
S6：基于所述步骤S5中的拟平面布置方案，再次进行水深、流速、比降的适合度分析，直至满足要求从而确定平面布置方案。
本发明的一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法，为了降低整治建筑物对附近河段生态系统的各鱼类栖息地的影响，选择在生态顺坝的坝体上开孔以增加鱼类栖息地的连通性；为了不影响坝体的结构稳定性以及避免随意在坝体上开孔对附近生态环境的影响，故需要对整治河段附近多处鱼类栖息地在一定时间内、各级流量工况下的水深、流速、比降和宽深比进行数据采集和分析，经过反复的分析和对比后确定最终在坝体上的开孔位置和大小；这样，既不影响整治建筑物的整治效果，通过提高鱼类栖息地连通性的方式来减少整治建筑物对附近鱼类栖息地的影响。
其中，所述采样河段指与生态顺坝所处河段的河势、水流条件相似的河段，所述生态顺坝处于采样河段内；所述水文特征包括水深、流速和比降以及对应的流量工况。
实施时，确定采样河段范围时，除了保证其河势、水流条件与生态顺坝所处河段相似，还需保证采样河段内鱼类产卵场的数量足够多(即采样河段的长度需足够长，如果太短，采样河段内的鱼类产卵场可能仅一两个)，这样才能保证后续基于二维水流数学模型得到的采样河段内多组连续的鱼类栖息地参数具有代表性，以进一步保证后续的适合度分析的准确性和合理性。
其中，步骤S2中所述结合水文特征和预设的二维水流数学模型获取采样河段内多组连续的鱼类栖息地参数包括：
获取采样河段内各处鱼类产卵场的流量和水位信息，并以所述流量和水位信息作为所述二维水流数学模型的边界条件，通过二维水流数学模型计算得到采样河段内各处鱼类产卵场的水深、流速、比降和宽深比数据以及对应的流量工况；
利用步骤S1得到的所有鱼类产卵场的水文特征对所述二维水流数学模型进行验证；验证通过后，基于二维水流数学模型计算得到生态顺坝周围河段在各级流量工况下多组连续的鱼类栖息地参数，每组鱼类栖息地参数包括水深、流速、比降和宽深比。
这样，由于实测得到的采样河段内所有鱼类产卵场的水文特征数据是离散的，且鱼类产卵场不一定与生态顺坝的位置有重叠，故需要通过二维水流数学模型来获取生态顺坝周围河段在各级流量工况下多组连续的鱼类栖息地参数；因此，需要用实测的数据去验证二维水流数学模型，以保证后续二维水流数学模型计算得到的值准确有效。
其中，步骤S3中，所述采用频率统计确定适合度包括：对步骤S2中二维水流数学模型得到的多组连续的鱼类栖息地参数进行统计分析，基于得到鱼类栖息地参数的适宜性分布情况。
具体地，在本发明中，所述适合度指的是以0～1之间的数值表示栖息地等指标对于生物的适宜程度，0表示最不合适，1表示最合适。统计分析时，需对各组的水深、流速、比降和宽深比数据进行区间划分以便分组，这里采用Sturges(斯特奇斯)经验公式计算最佳间隔，计算式如下：
Figure BDA0004027864970000051
其中，I为最佳间隔；R为指标变化范围；N为所统计的数据个数。
得到水深、流速、比降和宽深比各自的I值后，规定出现频率最高的适合度为1，其余按照相同比例确定适合度。
其中，步骤S5中，所述基于步骤S4中所确定的各判别指标在最优适合度下的值确定拟平面布置方案包括：
根据河势初步确定生态顺坝的平面布置位置，根据预设的坝体长度和坝体稳定性要求初步确定生态顺坝上的开孔数量和开孔间隔；
根据水深、流速在最优适合度下的值确定拟在生态顺坝上的开孔位置；
根据比降、宽深比在最优适合度下的值确定拟在生态顺坝上的开孔大小。
实施时，所述开孔数量≥1，根据预设的坝体长度和坝体稳定性要求确定开孔间隔、第一个孔的位置，然后进一步得出开孔数量；其中所述坝体稳定性要求，目前常采用的是《航道工程设计规范》(JTS181-2016)10.5.9.4和《港口工程荷载规范》(JTS144-1-2010)13.0.1相关稳定性计算要求。
其中，所述步骤S6具体包括：
基于二维水流数学模型在预设的时间周期内和各级流量工况下对步骤S5确定的拟平面布置方案中的拟开孔位置进行分析，分析水深、流速和比降是否满足适合度要求，如不满足，则根据最优适合度下的宽深比来调整开孔位置和开孔大小；
再次在预设的时间周期内和各级流量工况下对调整后的开孔处重新进行水深、流速和比降的适合度分析，直至满足要求从而确定最终的平面布置方案。
实施时，常认为±5％范围内均认为满足适合度要求，即各级流量工况下的水深、流速和比降和宽深比与对应的最优适合度下的值相比，相差在±5％范围内即认为满足要求。
下面将结合东溪口顺坝的优化方案为例对本发明的一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法作进一步解释：
S1：获取宜宾至朱沱河段(采样河段)所有鱼类产卵场(63个)的水深、流速、比降(东溪口处于宜宾至朱沱之间)；
S2：获取该采样河段内上述63个鱼类产卵场的流量和水位信息，通过预设的水流二维数学模型计算得到各处鱼类产卵场的水深、流速、比降和宽深比数据以及对应的流量工况；
利用步骤S1中的实测的63个鱼类产卵场的水深、流速、比降数据对水流二维数学模型进行验证，验证通过后，基于二维水流数学模型计算得到东溪口顺坝周围河段在各级流量工况下多组连续的鱼类栖息地参数，每组鱼类栖息地参数包括水深、流速、比降和宽深比；所述各级流量工况包括4000m3/s、5000m3/s、6000m3/s、8000m3/s和10000m3/s。
S3：对步骤S2中二维水流数学模型得到的多组连续的鱼类栖息地参数进行统计分析，得到东溪口顺坝附近河段的各组鱼类栖息地参数的适宜性分布情况；
具体请参见图1-图4；其中，出现频率最高的适合度为1，其余按照相同比例确定适合度；采用Sturges经验公式计算最佳间隔方法来确定组距，计算式如下：
Figure BDA0004027864970000061
其中，I为最佳间隔；R为指标变化范围；N为所统计的数据个数；
在本实施例中，I水深＝2.8，I流速＝0.27，I比降＝0.13，I宽深比＝4。
S4：以水深、流速、比降、宽深比作为判别指标，计算并分析得到各指标在最优适合度下的值，所述最优适合度为适合度大于0.5；
1)水深
请参见图1的水深适宜性曲线分布，当适合度大于0.5时，得到最适合水深为0.3-5.6m；
2)流速
请参见图2的流速适宜性曲线分布，当适合度大于0.5时，得到最适合流速为0.0-0.54m/s，
3)比降
请参见图3的比降适宜性曲线分布，当适合度大于0.5时，得到最适合比降为0.0-0.52‰；
4)宽深比
请参见图4的宽深比适宜性曲线分布，当适合度大于0.5时，得到最适合宽度比为4-24；
S5：根据河势初步确定东溪口顺坝的平面布置位置，根据预设的坝体长度和坝体稳定性要求初步确定东溪口顺坝上的开孔数量和间隔；
根据水深、流速在最优适合度下的值确定拟在东溪口顺坝上的开孔位置；
根据比降、宽深比在最优适合度下的值确定拟在东溪口顺坝上的开孔大小。
经上述步骤S1-S5后，得到东溪口顺坝的拟平面布置方案为：请参见图5，以东溪口顺坝的下游为计算起点，沿坝体的长度方向，在坝体的205m、415m、620m处开3处通孔(图5中的A1、B1、C1)，对应地，开孔孔径分别为30m、40m和50m。
S6：基于二维水流数学模型在预设的时间周期内和各级流量工况下对步骤S5确定的拟平面布置方案中的3处拟开孔位置进行分析，分析其水深、流速和比降是否满足适合度要求，实施时，±5％范围内均认为满足要求；如不满足，则根据最优适合度下的宽深比来调整开孔位置和开孔大小；
再次在预设的时间周期内和各级流量工况下对调整后的开孔处重新进行水深、流速和比降的适合度分析，直至满足要求从而确定最终的平面布置方案。
请参见图6和图7，对三处拟开孔进行水深、流速和比降的适合度分析；可以看出，除了孔2在8000m3/s-10000m3/s水深适合度小于0.5外，其余工况下水深和流速的适合度均大于0.5。比降适合度曲线显示在流量8000m3/s左右比降为0.54‰略大于适宜度0.5比降0.52‰(处于±5％范围内)，即比降在流量8000m3/s左右的适合度小于0.5，其余工况比降适合度均大于0.5。
故认定拟平面布置方案满足适合度要求，该拟平面布置方案即为最终的平面布置方案。
实施时，如果不满足适合度要求，则需重新确定开孔位置，并基于开孔处的水深，结合最适宜宽深比(即4-24)重新得到开孔大小，直至满足要求从而确定最终的平面布置方案。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：确定采样河段范围，并获取所述采样河段内所有鱼类产卵场的水文特征；
S2：结合水文特征和预设的二维水流数学模型获取采样河段内多组连续的鱼类栖息地参数；
S3：基于步骤S2得到的多组鱼类栖息地参数，采用频率统计确定适合度；
S4：以水深、流速、比降、宽深比作为判别指标，计算并分析得到各判别指标在最优适合度下的值；
S5：基于步骤S4中所确定的各判别指标在最优适合度下的值确定拟平面布置方案；
S6：基于所述步骤S5中的拟平面布置方案，再次进行水深、流速、比降的适合度分析，直至满足要求从而确定平面布置方案。
2.根据权利要求1所述一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法，其特征在于：步骤S1中所述采样河段指与生态顺坝所处河段的河势、水流条件相似的河段，所述生态顺坝处于采样河段内；
所述水文特征包括水深、流速和比降以及对应的流量工况。
3.根据权利要求1所述一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法，其特征在于：步骤S2中所述结合水文特征和预设的二维水流数学模型获取采样河段内多组连续的鱼类栖息地参数包括：
获取采样河段内各处鱼类产卵场的流量和水位信息，并以所述流量和水位信息作为所述二维水流数学模型的边界条件，通过二维水流数学模型计算得到采样河段内各处鱼类产卵场的水深、流速、比降和宽深比数据以及对应的流量工况；
利用步骤S1得到的所有鱼类产卵场的水文特征对所述二维水流数学模型进行验证；验证通过后，基于二维水流数学模型计算得到生态顺坝周围河段在各级流量工况下多组连续的鱼类栖息地参数，每组鱼类栖息地参数包括水深、流速、比降和宽深比。
4.根据权利要求1所述一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法，其特征在于：步骤S3中，所述采用频率统计确定适合度包括：对步骤S2中二维水流数学模型得到的多组连续的鱼类栖息地参数进行统计分析，得到生态顺坝附近河段的各组鱼类栖息地参数的适宜性分布情况。
5.根据权利要求1所述一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法，其特征在于：所述各判别指标的最优适合度为大于0.5。
6.根据权利要求1所述一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法，其特征在于：步骤S5中，所述基于步骤S4中所确定的各判别指标在最优适合度下的值确定拟平面布置方案包括：
根据河势初步确定生态顺坝的平面布置位置，根据预设的坝体长度和坝体稳定性要求初步确定生态顺坝上的开孔数量和开孔间隔；
根据水深、流速在最优适合度下的值确定拟在生态顺坝上的开孔位置；
根据比降、宽深比在最优适合度下的值确定拟在生态顺坝上的开孔大小。
7.根据权利要求6所述一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法，其特征在于：所述步骤S6具体包括：
基于二维水流数学模型在预设的时间周期内和各级流量工况下对步骤S5确定的拟平面布置方案中的拟开孔位置进行分析，分析水深、流速和比降是否满足适合度要求，如不满足，则根据最优适合度下的宽深比来调整开孔位置和开孔大小；
再次在预设的时间周期内和各级流量工况下对调整后的开孔处重新进行水深、流速和比降的适合度分析，直至满足要求从而确定最终的平面布置方案。
8.根据权利要求7所述一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法，其特征在于：所述生态顺坝上的开孔为通孔。
9.根据权利要求3或7所述一种适用于鱼类栖息地的生态顺坝平面布置方法，其特征在于：所述预设的时间周期包括3月-7月；所述各级流量工况包括4000m3/s、5000m3/s、6000m3/s、8000m3/s和10000m3/s。
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