CN212464554U

CN212464554U - 一种鱼类游泳能力测试装置

Info

Publication number: CN212464554U
Application number: CN202020777117.1U
Authority: CN
Inventors: 周盛侄; 徐岗; 胡金春; 王斌; 屠兴刚; 韩晓维
Original assignee: Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary
Current assignee: Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2030-05-12

Abstract

本实用新型公开了一种鱼类游泳能力测试装置，包括密闭环形水槽，所述密闭环形水槽内设置有第一测试区和第二测试区，所述第一测试区包括第一测试段、分别位于所述第一测试段上下游的第一整流栅板和第一导流栅板，所述第一测试区包括第二测试段、分别位于所述第二测试段上下游的第二整流栅板和第二导流栅板，所述第二测试段上还具有过水面积调节装置；水流驱动装置，所述水流驱动装置的驱动端伸入密闭环形水槽内且布置在所述第二测试区的上游；流速测量装置，所述流速测量装置设置在第一或二测试区中。将试验获得的游泳能力参数指标应用到闸坝等鱼道设计中，从而提高鱼道过鱼效率，进一步发挥好鱼道作为唯一的生态补偿工程措施其应该发挥的作用。

Description

一种鱼类游泳能力测试装置

技术领域

本实用新型涉及水利工程中的生态环境保护中的试验领域，尤其涉及一种鱼类游泳能力测试装置和方法。

背景技术

我国是世界上建设大坝最多的国家，2010至2012年第一次全水利普查数据，己建在建大坝980002座，过闸流量1立方米每秒及以上水闸268476座，这些水利工程在兴利除害的同时，也给河流生态系统造成一系列负面影响。最为直接的影响是破坏了河流的纵向连通性，隔断了鱼类上溯通道，尤其是对具有徊游习性的鱼类，严重影响到鱼类索饵、越冬、产卵等生活习性，导致鱼类种群多样性丧失、经济鱼类品质退化，甚至造成部分溯河性洞游鱼类种群濒临灭绝。恢复河流纵向连通性，确保鱼类上溯通道畅通，不单单只是恢复鱼类徊游通道，这将是接下来首要任务，同时也是己刻不容缓。鱼道作为唯一的生态补偿补偿工程措施，来帮助鱼类顺利通过水利枢纽等障碍物的，对鱼类资源保护、河流生态系统功能恢复具有重要作用。近些年来随着环保生态意识的增强以及国家生态环境保护力度的加大，鱼道研究和建设中得到越来越多的投入。

目前，从相关调研成果来看，世界上各国建造的具有有效过鱼的鱼道普遍低于50%，其中鱼类在通过鱼道是难以抵抗水流阻碍是其主要原因之一。通过工程措施，构建适宜鱼类上溯的水流条件是鱼道建设成败的关键制约因素之一。然而，传统型鱼道大多只是单纯针对水工建筑物的水力特性开展研究，对鱼类游泳行为特性研究不足。因此在鱼道设计过程中缺乏对鱼类游泳行为特性的考虑，往往是难以到达较为理想的过鱼效果，因此将传统水力学与鱼类游泳行为特性研究相结合，开展水动力因子对鱼类游泳行为的影响研究，对于指导鱼道水力设计是至关重要的。

目前常见的反映鱼类游泳能力的指标主要有感应流速、临界游泳速度和突进游泳速度。感应流速是鱼能够辨别水流方向的最小流速，反映了鱼类对于水流方向的感知能力；临界游速反映鱼类长时间的游动能力，是设计鱼道池室主流、确定休息池间距的重要指标；突进游速是鱼道高流速区的设计依据，用于鱼道池室的孔口、竖缝等处水流流速的设计。

现有鱼类游泳能力测定一般采用是在专门设计的均匀流场下，测试的前提是假定鱼类游泳速度同水流速度，通过观测鱼类游泳状态在不同流速条件下的变化情况进行判别。现有的鱼类游泳能力测试系统存在试验区存在较多涡流和死角、极限流速偏小、水面波动大、螺旋桨高转速易产生气泡、测试区域不可调整以及单一测区等问题。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的是提供一种鱼类游泳能力测试装置和方法，以解决现有鱼类游泳能力测试装置存在试验区存在较多涡流和死角、极限流速偏小、水面波动大、螺旋桨高转速易产生气泡、测试区域不可调整以及单一测区等问题。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

根据本实用新型实施例，提供一种鱼类游泳能力测试装置，包括：

密闭环形水槽，所述密闭环形水槽内设置有第一测试区和第二测试区，所述第一测试区包括第一测试段、分别位于所述第一测试段上下游的第一整流栅板和第一导流栅板，所述第一测试区包括第二测试段、分别位于所述第二测试段上下游的第二整流栅板和第二导流栅板，所述第二测试段上还具有过水面积调节装置；

水流驱动装置，所述水流驱动装置的驱动端伸入密闭环形水槽内且布置在所述第二测试区的上游；

流速测量装置，所述流速测量装置设置在第一测试区或第二测试区中。

进一步地，所述过水面积调节装置包括顶部调节板、内侧调节板以及底部调节板，均配备可升降调节结构。

进一步地，所述水流驱动装置包括依次相连的螺旋桨、光轴和电机，所述电机为变频电机。

进一步地，所述第一测试段上具有放鱼口。

进一步地，所述第一测试段和第二测试段均为直线段。

进一步地，所述第一整流栅板与第一导流栅板结构上的各个圆筒前后圆心在同一水平直线上，所述第二整流栅板与第二导流栅板结构上的各个圆筒前后圆心在同一水平直线上。

进一步地，所述第一测试区的上游和第二测试区的下游通过前整流装置连接，所述前整流装置是半圆形整流隔板，半圆形整流隔板上均匀的分割成3～5个进水通道，所述第一测试区的下游和第二测试区的上游通过后整流装置连接，后整流装置是1/4圆整流隔板，1/4圆整流隔板均匀的分割成3～5个出水通道，所述进水通道和出水通道的数量保持一致，间距一致。

进一步地，所述进水通道上设置有进水口，所述出水通道后设置有出水口。

进一步地，所述水流驱动装置和后整流装置之间的密闭环形水槽上具有排气孔。

进一步地，所述螺旋桨外装有圆形套筒，螺旋桨最大外径小于圆形筒套内径0.5～1cm。

根据以上技术方案，本实用新型实施例与现有的鱼类游泳能力测试装置设计方法相比，本实用新型同时提供了两个测试区，并且可以根据试验鱼体长等参数，自由调节测试区大小。与此同时，设置过水面积调节装置以及前后整流栅板和导流栅板，可以有效消除测试区涡流、低流速死角以及水面波动等不利流态出现。本实用新型实施例提供的装置可以满足绝大部分鱼类游泳能力测试条件，测试区设计流速极值更大，最大流速可达2m/s及以上。本实用新型实施例提供的装置组装拆卸均较为简单，为后续的维护带来便利。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例提供一种鱼类游泳能力测试装置的平面俯视图；

图2为本实用新型实施例中的第一测试区平面示意图；

图3为图1的D-D断面剖面图；

图4为图2的A-A断面剖面图；

图5为本实用新型实施例中进鱼口立体图；

图6为本实用新型实施例中第二测试区平面示意图；

图7为图6的B-B断面剖面图；

图8为图1的C-C断面剖面图；

图中箭头所指示方向为水流方向，鱼头所指方向为试验鱼类游泳方向；

图中：1-外矩形框，2-密闭环形水槽，3-第一整流栅板，4-第一测试区，5-放鱼口，6-第一导流栅板，7-进水口，8-前整流装置，9-第二测试区，10-螺旋桨，11-圆形筒套，12-排气孔，13-光轴，14-出水口，15-连轴器，16-电机，17-变速器，18-PC控制单元，31-第一圆筒，41-顶部调节板，42-内侧调节板，43-底部调节板，51-放鱼口底口，51-放鱼口顶口，91-第二导流孔板，92-第二整流栅板，93-第二圆筒，v1-3维流速测量单元，101-圆形套筒，102-矩形边框。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

参考图1-图8，本实施例提供一种鱼类游泳能力测试装置，包括：

密闭环形水槽2，所述密闭环形水槽2内设置有第一测试区4和第二测试区9，所述第一测试区4包括第一测试段、分别位于所述第一测试段上下游的第一整流栅板3和第一导流栅板6，所述第一测试区4包括第二测试段、分别位于所述第二测试段上下游的第二整流栅板92和第二导流栅板91，所述第二测试段上还具有过水面积调节装置；

水流驱动装置，所述水流驱动装置的驱动端伸入密闭环形水槽2内且布置在所述第二测试区9的上游；

流速测量装置，所述流速测量装置设置在第一测试区4或第二测试区9中。

根据以上技术方案，所述密闭环形水槽2内设置有第一测试区4和第二测试区9，第一测试区4可以满足绝大部分试验内容，第二测试区9主要满足实验鱼突进流速大于1.5m/s以上时启用。所述第一测试区其工作原理是，在水流驱动装置产生同等推力条件下，通过过水面积调节装置改变过水面积，缩小过水面积其流速增大，扩大截面积其流速相应减小。如此以来，其最为直接的好处是第一测试区流速梯度更为丰富，相同转速条件下极限值进一步提高。同时，过水面积调节装置的调节可以有效避免顶部水面波动的产生，可以改善底部流速偏大等问题。

第二测试区9设置在水流驱动装置的水流出口处前方，其为截面为圆型，提供管状流速场。进一步，第二测试区9是第一测试区的补充，其目的在于提供更大的流速场条件。第一测试区4流速场极值在1.5m/s左右，而第二测试区9流速可达2.0m/s以上。同时，第二测试区9边壁内径与螺旋桨10的套筒内径101一致，通过第二圆筒93的整流作用后，创造出均匀的流速场，有效避免了涡流及死角的出现。第二测试区9主要进行试验鱼突进游泳速度测试。

本实施例中，所述密闭环形水槽2是本实用新型设计自循环流速场的外边界。为了防止密闭环形水槽水外溢，杜绝引发触电短路等安全风险，将所述密闭环形水槽置于外矩形框1里面。

本实施例中，所述第一测试段上具有放鱼口5，其结构呈喇叭型，上口宽，下口窄，高度为5～10cm。其中，喇叭口设计是为了方便转运试验鱼。通过凸起设计，试验时放鱼口5内的水位高于循环水槽内水位，通过水封的作用，阻隔外界空气进入。

本实施例中，所述第一测试段和第二测试段均设计为直线段，直线段最大尺度为90×30×30cm（长宽高）。其目的在于，直线段可以创造出均为稳定的流场条件，提高测试精度。

本实施例中，所述第一测试区4的上游和第二测试区9的下游通过前整流装置8连接，所述前整流装置8是半圆形整流隔板，半圆形整流隔板上均匀的分割成3～5个进水通道，所述第一测试区4的下游和第二测试区9的上游通过后整流装置连接，后整流装置是1/4圆整流隔板，1/4圆整流隔板均匀的分割成3～5个出水通道，所述进水通道和出水通道的数量保持一致，间距一致，一般4道即可满足要求。进一步，所述进水通道和出水通道数量及间距保持一致，其目的在于最大程度上保证循环水槽内水流顺畅，水流进出流向不发生偏转。所述进水通道上设置有进水口7，所述出水通道后设置有出水口14，其目的保证试验过程中及时补水和排出多余水量，同时在进水通道上设置进水口7，保证新鲜水流及时补充到试验鱼出水通道后设置出水口14可以将试验排泄物以及其他杂质迅速的排出，从而保持循环水槽内水流新鲜度。

本实施例中，所述水流驱动装置和后整流装置之间的密闭环形水槽2上具有排气孔12。螺旋桨10在高速旋转过程中，易产生气泡并在2孔12附近汇集。为此，在此处设计一个排气孔12，可以将汇集于此的气体迅速排出水槽外。

本实施例中，所述第二测试区极限流速大于第一测试区，其原理是第二测试区直接设置在螺旋桨前方，其损失小，同时过流面积也小。

本实施例中，第一整流栅板3为内径2cm，长度为5～10cm圆筒均匀组成截面为30×30cm矩形板，布置在弯道与直线段交界处。所述第一导流栅板6采用5mm厚有机玻璃板，并在其截面均为的设置内径为2cm孔洞，优选地，第一整流栅板3与第一导流栅板6上各个第一圆筒31的圆心在同一水平直线上。第二整流栅板92采用直径为2cm,长度为10～15cm圆筒组成，第二导流孔板91采用5mm厚并均布置内径为2cm圆孔的有机玻璃板制成，优选地，第二整流栅板92与第二导流栅板91上各个第二圆筒93的圆心在同一水平直线上，其目的是确保第二测试区水流横截面上流速分布均匀，流态稳定。

本实施例中，所述过水面积调节装置包括顶部调节板41、内侧调节板42以及底部调节板43，均可配备可升降调节结构，根据试验需要方便灵活的调节各侧调节板高度，以满足试验测试所需，其中可升降结构采用5cm一档，通过调节第一测试区最小尺度为90×10×10cm（长宽高）。进一步地，本实施例的可升级调节结构是在调节板四个角固定升降螺杆，通过旋转螺杆顶部的螺栓来实现调节板升降。顶部调节板41的调节可以有效避免顶部水面波动的产生，底部调节板的调节可以改善底部流速偏大等问题。过水面积调节装置的作用是通过调节板的位置来调整第一测试区4的过水截面积，其目的：一是根据试验鱼尺度灵活调整测试区大小，二是，通过调整缩小截面积可以提高第一测试区4水流流速极值，三是，通过三个方向的微调整，可以有效避免局部区域的涡流产生。

本实施例中，所述水流驱动装置包括依次相连的螺旋桨10、光轴13和电机16，所述螺旋桨10外装有圆形套筒101，螺旋桨10最大外径小于圆形筒套101内径0.5～1cm。圆形套筒101可以通过在矩形框102固定在密闭环形水槽2内。优选地，螺旋桨10最大外径小于圆形筒套101内径0.5～1cm，矩形外框102尺寸同水槽断面尺寸为30×30cm。所述电机16为变频电机，变频电机有变频器控制，变频电机最大特点是可变频，同时为了保证电机在较低频率下工作时限，需要更大功率的电机散热系统（即冷风扇）替换配置电机风扇。变频器通过PC控制单元控制，所述PC控制单元18可以通过自编程控制程序，通过变频器实时控制定制电机16输出频率，从而达到控制测试区流速之目的。

另外，光轴与电机16的转轴之间安装连轴器，并设置若干个带轴承支撑支座以及防水配件等组成。

本实施例中，所述流速测量装置采用3维流速测量单元，所述3维流速测量单元V1采用的是一款应用范围广泛高精Vectrino型声学多普勒点式流速仪测量系统，其精度为±1 mm/s，输出频率为1～25Hz。

下面提供通过实施例1所述的鱼类游泳能力测试装置进行鱼类游泳能力测试方法，该方法包括对感应流速、临界游泳速度以及突进游泳速度中的一种或多种进行测量，具体实施如下：

（1）预备试验

正式试验前，首先需要测定第一测试区4和第二测试区9流速与电机16频率之间关系式。第一测试区4，首先通过过水面积调节装置，具体通过配备的可升降调节结构调节顶部调节板41、内侧调节板42以及底部调节板43高度，即达到调整过水面积的目的。通过水流驱动装置，通过PC控制单元18和变频器17控制电机16输出功率从而控制螺旋桨10产生不同的推力，迫使水槽内水流加速运动起来。然后架设好三维流速测量单元v1，测定不同频率下第一测试区4内的水流流速，获得第一测试区4水流流速与电机频率之间的关系式。同样地，将三维流速测量单元v1架设到第二测试区9，测定并获取第二测试区9内水流流速与电机频率之间的关系式。

（2）感应流速的测量

试验时，取若干尾暂养至少24h后的试验鱼，分为n组，分组置于鱼类游泳能力测试水槽中的第一测试区4，在静水中适应预定时间后通过水流驱动装置逐步调大水流流速，同时观察鱼的游泳行为，当有超过半数的试验鱼开始逆流游动时，记录此时电机频率，通过预备试验（1）获得的第一测试流速v1与电机频率关系式反推出水流流速，并认为此时的流速值为感应流速值，重复上述试验，取n组感应流速值的平均数作为试验鱼的感应流速；

（3）临界游泳速度

试验时，取若干尾暂养至少24h后的试验鱼，分为n组，分组置于鱼类游泳能力测试水槽中的第一测试区4，在预定时间内通过水流驱动装置递增流速，观测试验鱼的游泳状态，直至试验鱼疲劳，记录下相应的电机频率，同样地，通过第一测试流速v1与电机频率关系式反推出流速值，重复上述试验，取n组临界游泳速度的平均数作为试验鱼的临界游泳速度；

（4）突进流速测定方法

试验时首先对暂养24h后的某一体长范围内试验鱼进行2次突进游速预估试验，得到其突进游速预估值，再根据预估值确定试验的速度增量。进一步具体操作方法如下:

4.1）突进游速预估试验：每次随机选取1尾鱼放入置于鱼类游泳能力测试水槽第二测试区域9，试验前使试验鱼在通过水流驱动装置控制第二测试区9内流速为1 BL/s，并持续在该流速下适应1h，以消除转移过程给带来试验鱼不适应及人为胁迫。然后由预备试验（1）获得第二测试区域9水流流速与电机频率之间的关系式计算，通过PC控制单元18、变频电机17控制电机16的输出频率，每隔20s使试验流速增加0.4 BL/s,直至鱼疲劳，记录此时的流速值，并利用式(1)得到突进游速的预估值。将2次预估值的平均值作为突进游速预估值，作为正式试验的参考值。进一步所述试验鱼疲劳标准为：试验鱼被水流冲至下游导流栅板上无法游动的时间超出20s。

(1)

式中:

为突进游泳速度，cm/s；

为试验鱼疲劳之前的水流速度，cm/s；

为流速增量，即15%的突进游速预估值，cm/s；t为该时段鱼疲劳时所用的时间，

为流速增加的时间间隔,s。

4.2）正式试验：将同体长范围的单尾试验鱼放入置于鱼类游泳能力测试水槽中的第二测试区9，同样地方法，使其在1 BL/s的流速下适应1h后开始试验。首先将流速在10s内增至60%的突进游泳速度预估值，然后每隔20s将流速。增加15%的突进游速预估值，同时观察记录鱼的游泳行为，直至试验鱼疲劳无法继续游动时结束试验，并记录此时水流速度和游泳时间，并通过下式(1)计算突进游速。

经过上述步骤即可完成试验鱼的游泳能力测试试验，主要包括感应流速、临界游泳速度以及突进游泳速度的测量内容。如果测定不同类型或是不同尺寸的试验鱼，需要通过过水面积条件装置重新调整第一测试区9过水面积，然后重复上述步骤即可。

通过实施例1提供的装置，能够获得更加丰富稳定的水流条件，测试目标鱼类的感应游泳速度、临界游泳速度以及突进游泳速度等游泳能力指标。将试验获得的游泳能力参数指标应用到闸坝等鱼道设计中，从而提高鱼道过鱼效率，进一步发挥好鱼道作为唯一的生态补偿工程措施其应该发挥的作用。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种鱼类游泳能力测试装置，其特征在于，包括：

水流驱动装置，所述水流驱动装置的驱动端伸入密闭环形水槽内且布置在所述第二测试区的上游；流速测量装置，所述流速测量装置设置在第一测试区或第二测试区中。

2.根据权利要求1所述的一种鱼类游泳能力测试装置，其特征在于，所述过水面积调节装置包括顶部调节板、内侧调节板以及底部调节板，均配备可升降调节结构。

3.根据权利要求1所述的一种鱼类游泳能力测试装置，其特征在于，所述水流驱动装置包括依次相连的螺旋桨、光轴和电机，所述电机为变频电机。

4.根据权利要求1所述的一种鱼类游泳能力测试装置，其特征在于，所述第一测试段上具有放鱼口。

5.根据权利要求1所述的一种鱼类游泳能力测试装置，其特征在于，所述第一测试段和第二测试段均为直线段。

6.根据权利要求1所述的一种鱼类游泳能力测试装置，其特征在于，所述第一整流栅板与第一导流栅板结构上的各个圆筒前后圆心在同一水平直线上，所述第二整流栅板与第二导流栅板结构上的各个圆筒前后圆心在同一水平直线上。

7.根据权利要求1所述的一种鱼类游泳能力测试装置，其特征在于，所述第一测试区的上游和第二测试区的下游通过前整流装置连接，所述前整流装置是半圆形整流隔板，半圆形整流隔板上均匀的分割成3～5个进水通道，所述第一测试区的下游和第二测试区的上游通过后整流装置连接，后整流装置是1/4圆整流隔板，1/4圆整流隔板均匀的分割成3～5个出水通道，所述进水通道和出水通道的数量保持一致，间距一致。

8.根据权利要求7所述的一种鱼类游泳能力测试装置，其特征在于，所述进水通道上设置有进水口，所述出水通道后设置有出水口。

9.根据权利要求7所述的一种鱼类游泳能力测试装置，其特征在于，所述水流驱动装置和后整流装置之间的密闭环形水槽上具有排气孔。

10.根据权利要求3所述的一种鱼类游泳能力测试装置，其特征在于，所述螺旋桨外装有圆形套筒，螺旋桨最大外径小于圆形筒套内径0.5～1cm。