CN215165183U - 一种鱼类洄游智能调控装置 - Google Patents

一种鱼类洄游智能调控装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开一种鱼类洄游智能调控装置，装置包括设于鱼道内的立柱，所述立柱外侧与调节环内侧滑动配合，所述调节环外侧与旋转环内侧旋转连接，所述旋转环外侧与诱鱼旋翼固定连接，所述调节环端部与伸缩机构一端连接，伸缩机构另一端固定于鱼道内壁，所述旋转环端部通过旋转套筒与伺服电机的环形旋转轴下侧滑动连接；本实用新型能针对不同的来水工况，不同类型的鱼道，研究基于水动力条件的鱼类洄游过程，智能化调控鱼道内水流，促进鱼道内过鱼效率，更好地保护流态多样性，生境多样性。

Description

一种鱼类洄游智能调控装置
技术领域：
本实用新型属于水生态保护技术领域，具体涉及一种鱼类洄游智能调控装置。
背景技术：
全球多数大中型河流都修建了水库，包括一些生物多样性丰富的河流。水库在防洪、发电、灌溉等方面为人类生产生活带来了便利，但河流被工程直接拦截后，也造成江河湖泊中的鱼类难以实现溯游等问题。随着近年来生态文明建设的稳步推进，我国的治水活动也在朝着生态保护的方向重点发展，鱼道作为一种帮助鱼类洄游的生态友好型水利措施不断受到人们重视，提高鱼道的过鱼效率及良好的生态环境适应性。鱼道是一种通过其内部结构(如孔、缝、隔板等)来改善水流流态、减小水流流速，使鱼类能顺利上溯的过鱼设施。然而在实际使用的过程中，由于缺少对鱼类生活习性和洄游规律等方面的认识，鱼道的设计及建造运行也暴露出了问题，如难以吸引鱼类从鱼道洄游，过鱼量少、过鱼效率不高等。因此，如何智能化地调控鱼道的过鱼效率，保证鱼类能顺利洄游，促进水利工程与生态环境良好的结合，是现代鱼道在其全生命周期中亟待解决的技术难题。
目前，国内外提出通过增加补水方式，灯光诱鱼、改进鱼道等措施诱使鱼类进入鱼道，如专利CN103452077B介绍了一种用于鱼道进口诱鱼补水的实验装置，但鱼道中隔板的布置容易产生小型涡旋，造成鱼类洄游过程中迷失方向。
实用新型内容：
本实用新型旨在解决现有技术中存在的不足，提供一种鱼类洄游智能调控装置，能针对不同的来水工况，不同类型的鱼道，研究基于水动力条件的鱼类洄游过程，智能化调控鱼道内水流，促进鱼道内过鱼效率，更好地保护流态多样性，生境多样性。
本实用新型为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种鱼类洄游智能调控装置，包括设于鱼道内的立柱，所述立柱外侧与调节环内侧滑动配合，所述调节环外侧与旋转环内侧旋转连接，所述旋转环外侧与诱鱼旋翼固定连接，所述调节环端部与伸缩机构一端连接，伸缩机构另一端固定于鱼道内壁，所述旋转环端部通过旋转套筒与伺服电机的环形旋转轴下侧滑动连接。
优选地，所述立柱竖向固定于鱼道内，立柱表面竖向设有导轨，所述导轨与调节环内侧竖向开设的导槽滑动配合，所述调节环外侧与旋转环内侧通过轴承旋转连接。
优选地，所述旋转套筒底部与旋转环顶端固定连接，旋转套筒内侧开设有滑槽，环形旋转轴外侧设有滑轨，所述滑槽与滑轨滑动配合，环形旋转轴内侧的通道与立柱顶部配合，所述伺服电机竖向固定于鱼道顶侧。
优选地，所述伸缩机构为电动推杆结构，其竖向设置于鱼道底侧，伸缩机构顶部的伸缩杆与调节环底端固定连接。
优选地，所述立柱为圆柱体状，其直径不超过每级鱼道长或宽尺寸的5％，其高度HL满足：
Figure BDA0003087972130000021
其中，Hs为鱼道断面平均水深，Hmax为鱼道断面最大水深，Hav为鱼道所在水域平均水深，γ为鱼道最大水深影响系数，根据鱼道地形剖面取0.10～0.20。
优选地，所述调节环、旋转环与诱鱼旋翼在鱼道内的竖向高度h1为：
Figure BDA0003087972130000022
其中，v为鱼道水域断面流速，VF为鱼体体积，Q为鱼道断面瞬时流量，Hs为鱼道断面平均水深，t1为瞬时水温，t2为大气温度，α1为不确定系数，与过鱼种类有关，取1.15～1.35；α2为气温校正系数，取0.90～0.98。
优选地，靠近诱鱼旋翼的位置还设有流速监测装置和温度监测装置，所述流速监测装置包括流速仪及与其配套的固定支架，所述固定支架固定于鱼道内壁上；所述温度监测装置包括用于测量水温的酒精温度计和用于测量气温的水银温度计，所述酒精温度计和水银温度计通过温度计固定架固定于鱼道侧壁上。
优选地，所述诱鱼旋翼外围还设有保护网罩，保护网罩通过连接杆安装于调节环端部，保护网罩最优设定网孔直径D为：
Figure BDA0003087972130000023
其中，Qa为鱼道上游年平均来流量，Vh为目标鱼类溯游流速，k为不确定系数，通过原型观测和模型实验确定，范围为0.2-0.3。
上述鱼类洄游智能调控装置的运行方法包括如下步骤：
S1，该调控装置安装在鱼道中各节池室入口与主流的交汇处，依据流速监测装置和温度监测装置和目标鱼类，通过公式
Figure BDA0003087972130000024
计算出该目标鱼类的洄游喜好水深，通过伸缩机构的伸缩改变调节环的高度，进而调整旋转环与诱鱼旋翼到指定高度；
S2，当鱼道上游来水流速v小于流速阈值vl时，鱼道内流速低于鱼类的感知阈值，鱼类容易迷失方向，影响上溯，启动伺服电机，其环形旋转轴带动旋转套筒旋转，进而带动旋转环和诱鱼旋翼一齐转动，调整伺服电机的转速，此时诱鱼旋翼开始以转速ω旋转工作，其中
Figure BDA0003087972130000031
式中：Q为鱼道上游来水流量，Hs为鱼道断面平均水深，Ws鱼道断面平均宽度，Vh为目标鱼类的溯游速度，μ为不确定系数，通过实验确定，取0.55～0.75；
诱鱼旋翼周围的水流由于叶片的带动作用，流速加快，不同于鱼道内整体的较低流速，形成了鱼类的喜好流速，鱼类根据自身生物习性，在鱼道中找到主流位置，向上洄游；
S3，当鱼道上游来水量较大，鱼道内流速较高，上游来水流速v大于流速阈值vl时，紊动较大，此环境对于鱼类洄游产生了不利影响，此时关闭伺服电机，诱鱼旋翼停止工作，此时立柱和诱鱼旋翼便充当消涡设施，减少鱼道内的水流紊动，减少鱼类洄游阻力，提高过鱼效率；
S4，基于步骤S1-S3，在鱼道运行时，如果目标鱼群发生改变，基于各物理量进行重新计算，可以根据改变后的鱼群种类，通过伸缩机构的伸缩改变调节环的高度，进而调整旋转环与诱鱼旋翼到指定高度即可。
本实用新型与现有技术相比具有以下的优点及有益技术效果：
1、本实用新型装置为模块化构成，检修维护方便且成本低廉，减少了实际运行中的频繁操作。
2、本实用新型装置以满足复杂水流条件下的诱鱼目的为前提，当来水流量减少，装置可以形成局部较高流速的诱鱼水流；当来水流量增加，装置可以充当消涡设施，对因调度而造成频繁的流量变化具有较好的适应性。
3、本装置可便捷调整诱鱼旋翼开停及所处水深，可针对不同来水工况和不同鱼类洄游起到智能调控作用。
4、本实用新型体积较小，不会影响原本鱼道内的生境，且良好的诱鱼效果可以保护河流水生物的多样性。
5、本实用新型能针对不同的来水工况，不同类型的鱼道，研究基于水动力条件的鱼类洄游过程，智能化调控鱼道内水流，促进鱼道内过鱼效率，更好地保护流态多样性，生境多样性。
附图说明：
图1为一种鱼类洄游智能调控装置在鱼道内的正视结构示意图；
图2为图1中的A-A剖视结构示意图；
图3为图1中环形旋转轴与立柱和旋转套筒配合的结构示意图；
图4为图2增加保护网罩后的结构示意图
图5为本实用新型装置在鱼道内布置的俯视结构示意图。
具体实施方式：
下面通过具体实例结合附图对本实用新型装置进行详细的说明，但是本实用新型的保护范围不局限于所述的实例项。
如图1-5所示，一种鱼类洄游智能调控装置，包括设于鱼道内的立柱1，所述立柱1外侧与调节环2内侧滑动配合，所述调节环2外侧与旋转环3内侧旋转连接，所述旋转环3外侧与诱鱼旋翼4固定连接，所述调节环2端部与伸缩机构5一端连接，伸缩机构5另一端固定于鱼道内壁，所述旋转环3端部通过旋转套筒6与伺服电机7的环形旋转轴8下侧滑动连接。
优选地，所述立柱1竖向固定于鱼道内，立柱1表面竖向设有导轨9，所述导轨9与调节环2内侧竖向开设的导槽滑动配合，所述调节环2外侧与旋转环3内侧通过轴承14旋转连接。
优选地，所述旋转套筒6底部与旋转环3顶端固定连接，旋转套筒6内侧开设有滑槽6.1，环形旋转轴8外侧设有滑轨8.1，所述滑槽6.1与滑轨8.1滑动配合，环形旋转轴8内侧的通道8.2与立柱1顶部配合，所述伺服电机7竖向固定于鱼道顶侧。
优选地，所述伸缩机构5为电动推杆结构，其竖向设置于鱼道底侧，伸缩机构5顶部的伸缩杆5.1与调节环2底端固定连接。
优选地，所述立柱1为圆柱体状，其直径不超过每级鱼道长或宽尺寸的5％，其高度HL满足：
Figure BDA0003087972130000041
其中，Hs为鱼道断面平均水深，Hmax为鱼道断面最大水深，Hav为鱼道所在水域平均水深，γ为鱼道最大水深影响系数，根据鱼道地形剖面取0.10～0.20。
优选地，所述调节环2、旋转环3与诱鱼旋翼4在鱼道内的竖向高度h1为：
Figure BDA0003087972130000042
其中，v为鱼道水域断面流速，VF为鱼体体积，Q为鱼道断面瞬时流量，Hs为鱼道断面平均水深，t1为瞬时水温，t2为大气温度，α1为不确定系数，与过鱼种类有关，取1.15～1.35；α2为气温校正系数，取0.90～0.98。
优选地，靠近诱鱼旋翼4的位置还设有流速监测装置10和温度监测装置11，所述流速监测装置10包括流速仪10.1及与其配套的固定支架10.2，所述固定支架10.2固定于鱼道内壁上；所述温度监测装置11包括用于测量水温的酒精温度计11.1和用于测量气温的水银温度计11.2，所述酒精温度计11.1和水银温度计11.2通过温度计固定架11.3固定于鱼道侧壁上。
优选地，所述诱鱼旋翼4外围还设有保护网罩12，保护网罩12通过连接杆13安装于调节环2端部，保护网罩12最优设定网孔直径D为：
Figure BDA0003087972130000051
其中，Qa为鱼道上游年平均来流量，Vh为目标鱼类溯游流速，k为不确定系数，通过原型观测和模型实验确定，范围为0.2-0.3。
另外，本实用新型对应的鱼类洄游智能调控装置的运行方法包括如下步骤：
S1，该调控装置安装在鱼道中各节池室入口与主流的交汇处，依据流速监测装置10和温度监测装置11和目标鱼类，通过公式
Figure BDA0003087972130000052
计算出该目标鱼类的洄游喜好水深，通过伸缩机构5的伸缩改变调节环2的高度，进而调整旋转环3与诱鱼旋翼4到指定高度；
S2，当鱼道上游来水流速v小于流速阈值vl时，鱼道内流速低于鱼类的感知阈值，鱼类容易迷失方向，影响上溯，启动伺服电机7，其环形旋转轴8带动旋转套筒6旋转，进而带动旋转环3和诱鱼旋翼4一齐转动，调整伺服电机7的转速，此时诱鱼旋翼4开始以转速ω旋转工作，其中
Figure BDA0003087972130000053
式中：Q为鱼道上游来水流量，Hs为鱼道断面平均水深，Ws鱼道断面平均宽度，Vh为目标鱼类的溯游速度，μ为不确定系数，通过实验确定，取0.55～0.75；
诱鱼旋翼4周围的水流由于叶片的带动作用，流速加快，不同于鱼道内整体的较低流速，形成了鱼类的喜好流速，鱼类根据自身生物习性，在鱼道中找到主流位置，向上洄游；
S3，当鱼道上游来水量较大，鱼道内流速较高，上游来水流速v大于流速阈值vl时，紊动较大，此环境对于鱼类洄游产生了不利影响，此时关闭伺服电机7，诱鱼旋翼4停止工作，此时立柱1和诱鱼旋翼4便充当消涡设施，减少鱼道内的水流紊动，减少鱼类洄游阻力，提高过鱼效率；
S4，基于步骤S1-S3，在鱼道运行时，如果目标鱼群发生改变，基于各物理量进行重新计算，可以根据改变后的鱼群种类，通过伸缩机构5的伸缩改变调节环2的高度，进而调整旋转环3与诱鱼旋翼4到指定高度即可。
本实施例提供了两种具体实验示例：
实例项一：以中部某小型水电站鱼道现场实验为例，该水电站鱼道型式为隔板式，主要结构有休息室、池室和横隔板；鱼道底部底板上铺上了一层卵石和诱鱼水草，上游进口和下游出口布置了用于消能的前、后横挡板。
鱼池休息室净宽2m，净长6m；池室宽2m，长3m。鱼道设计水深为1.3m。本装置立柱高度根据权利要求中给出的公式计算：
Figure BDA0003087972130000061
鱼道总长L满足下式：
L＝n(l+d)+m(△l+d)
其中，n为鱼道池室数量，l为鱼道池室净长，d为隔板厚度，m为休息池个数，Δl为休息池的池室净长。
为便于清晰地观察鱼类洄游效果，获取洄游数据。本装置测试阶段采用了鱼类过鱼监测系统，该系统采用光栅传感器和摄像机视频监控相结合的方式，能够更加清晰的展示鱼类洄游的数量和效率。
鱼类过鱼监测系统的使用思路：一方面在鱼道两侧翼墙设置光栅传感器，通过光学原理对过鱼数量实时监测。在出现一定光源遮挡时计数，设置它的1个有效计数需满足：
Figure BDA0003087972130000062
其中，L为光栅沿水流方向的长度，△t为光栅传感器被遮挡的时间。另一方面在实验场区内假设摄像机对鱼道内过鱼对象进行拍摄，能特定看出洄游鱼的种类，当地的优势鱼种为草鱼，所以本例以草鱼为例，某一时刻诱鱼旋翼的安装高度为：
Figure BDA0003087972130000063
在实验过程中，通过流速仪对鱼道中的水流流量及流速进行测量，确定鱼类在通过效率较高时的水流特性。
实验过程分为常规运行期(即不增加装置)和加入装置后运行期，其中加入装置和监测系统的点位中均已标出。两种运行阶段在不同流量下的比较见表Ⅰ和表Ⅱ。
表Ⅰ流量Q＝1.21m3/s；流速v＝0.41m/s
Figure BDA0003087972130000071
表Ⅱ流量Q＝2.69m3/s；流速v＝0.91m/s
Figure BDA0003087972130000072
如表Ⅰ、表Ⅱ所示，通过水电站鱼道的现场实验，在不同的水流情况下本装置对过鱼效率都有不同程度的提升，在流速处于鱼类喜好流速的时候提升效率达到30％左右，对于鱼类的洄游具有积极影响，针对优势鱼群草鱼的提升效率更为明显。
上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本实用新型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，也在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种鱼类洄游智能调控装置，包括设于鱼道内的立柱(1)，其特征在于：所述立柱(1)外侧与调节环(2)内侧滑动配合，所述调节环(2)外侧与旋转环(3)内侧旋转连接，所述旋转环(3)外侧与诱鱼旋翼(4)固定连接，所述调节环(2)端部与伸缩机构(5)一端连接，伸缩机构(5)另一端固定于鱼道内壁，所述旋转环(3)端部通过旋转套筒(6)与伺服电机(7)的环形旋转轴(8)下侧滑动连接。
2.根据权利要求1所述的一种鱼类洄游智能调控装置，其特征在于：所述立柱(1)竖向固定于鱼道内，立柱(1)表面竖向设有导轨(9)，所述导轨(9)与调节环(2)内侧竖向开设的导槽滑动配合；所述调节环(2)外侧与旋转环(3)内侧通过轴承(14)旋转连接。
3.根据权利要求2所述的一种鱼类洄游智能调控装置，其特征在于：所述旋转套筒(6)底部与旋转环(3)顶端固定连接，旋转套筒(6)内侧开设有滑槽(6.1)，环形旋转轴(8)外侧设有滑轨(8.1)，所述滑槽(6.1)与滑轨(8.1)滑动配合，环形旋转轴(8)内侧的通道(8.2)与立柱(1)顶部配合，所述伺服电机(7)竖向固定于鱼道顶侧。
4.根据权利要求2所述的一种鱼类洄游智能调控装置，其特征在于：所述伸缩机构(5)为电动推杆结构，其竖向设置于鱼道底侧，伸缩机构(5)顶部的伸缩杆(5.1)与调节环(2)底端固定连接。
5.根据权利要求2所述的一种鱼类洄游智能调控装置，其特征在于：所述立柱(1)为圆柱体状，其直径不超过每级鱼道长或宽尺寸的5％，其高度HL满足：
Figure FDA0003087972120000011
其中，Hs为鱼道断面平均水深，Hmax为鱼道断面最大水深，Hav为鱼道所在水域平均水深，γ为鱼道最大水深影响系数，根据鱼道地形剖面取0.10～0.20。
6.根据权利要求2所述的一种鱼类洄游智能调控装置，其特征在于：所述调节环(2)、旋转环(3)与诱鱼旋翼(4)在鱼道内的竖向高度h1为：
Figure FDA0003087972120000012
其中，v为鱼道水域断面流速，VF为鱼体体积，Q为鱼道断面瞬时流量，Hs为鱼道断面平均水深，t1为瞬时水温，t2为大气温度，α1为不确定系数，与过鱼种类有关，取1.15～1.35；α2为气温校正系数，取0.90～0.98。
7.根据权利要求2所述的一种鱼类洄游智能调控装置，其特征在于：靠近诱鱼旋翼(4)的位置还设有流速监测装置(10)和温度监测装置(11)，所述流速监测装置(10)包括流速仪(10.1)及与其配套的固定支架(10.2)，所述固定支架(10.2)固定于鱼道内壁上；所述温度监测装置(11)包括用于测量水温的酒精温度计(11.1)和用于测量气温的水银温度计(11.2)，所述酒精温度计(11.1)和水银温度计(11.2)通过温度计固定架(11.3)固定于鱼道侧壁上。
8.根据权利要求2所述的一种鱼类洄游智能调控装置，其特征在于，所述诱鱼旋翼(4)外围还设有保护网罩(12)，保护网罩(12)通过连接杆(13)安装于调节环(2)端部，保护网罩(12)最优设定网孔直径D为：
Figure FDA0003087972120000021
其中，Qa为鱼道上游年平均来流量，Vh为目标鱼类溯游流速，k为不确定系数，通过原型观测和模型实验确定，范围为0.2-0.3。
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