基于低影响开发的校园雨水控制及效益分析

以安徽理工大学为研究对象,应用4种低影响开发(LID)方案(植草沟、下沉式绿地、雨水罐和植草沟-下沉式绿地-雨水罐组合)构建雨洪管理模型(SWMM),模拟不同雨水重现期下各种LID方案的水文和水质性能,并评价了经济效益.结果表明:植草沟的径流削减效率最好,可延迟流量峰现时间,且能有效地削减污染负荷;除雨水罐外,另外3种LID实践方案具有良好的环境效益;从成本效益上分析,下沉式绿地和组合LID实践方案的污染物控制效果较好,但其单位削减率成本高,植草沟对污染物控制效果不理想,但其具有最低的单位削减率;若想取得较好的污染物控制效果,则需要投入更大的成本,可以采用下沉式绿地或组合LID实践方案,下沉式绿地或组合LID实践方案不仅能有效削减峰值流量,缓解城市排水管网负荷,且对污染物的削减效果较好.可为中国校园中LID实践的应用决策提供理论支持.     

基于智能体和元胞自动机的鱼道内鱼类行为模拟

为建立基于智能体和元胞自动机(Agent-CA)的鱼道内鱼类行为模型,该研究以计算流体力学软件得到的水流流场数据为基础,根据过鱼试验研究认识到的鱼上溯行为特征和规律,定义了不同场景下鱼的避开障碍、寻找主流、逆流向前、逆流后退、冲刺、随机6种行为和行为规则,将鱼道划分成多个二维元胞空间,将元胞空间中元胞状态为"鱼"的网格看作是一个智能体(Agent)。在3种体型的竖缝式鱼道中应用该模型对草鱼幼鱼的上溯行为进行模拟,并将模拟结果与实际过鱼轨迹进行对比。结果表明:该研究构建的模型能够较好地描述实际过鱼的主要上溯轨迹,针对3种体型竖缝式鱼道的模拟特征轨迹范围相对误差分别为23.5%、7.7%和2.3%。本研究提出的基于智能体和元胞自动机的鱼道内鱼类行为模型具有较好的适用性,可为鱼类行为模拟研究提供重要基础数据。     

双侧竖缝式鱼道水力特性研究

研究分析不同水池长宽比条件下双侧竖缝式鱼道的水池流场结构及其水力学指标,为双侧竖缝式鱼道布置参数的优化选择提供技术依据。基于单侧竖缝式鱼道体型参数的研究成果,选取导板长度与水池宽度之比为0.25、竖缝宽度与水池宽度之比为0.15、导向角度为45°作为研究的基本体型;鱼道来流边界设置为压力进口,上游水深设置为2 m,出流边界设置为压力出口,下游水深设置为2 m;模型顶部设置为压力进口,进口压强为1.01×105Pa,边墙设置为固壁边界。采用三维数值模拟的方法研究分析了水池长宽比分别为4∶8、5∶8、5.5∶8、5.75∶8、6∶8、6.5∶8、7∶8、8∶8、9∶8的条件下双侧竖缝式鱼道的水池流场结构及其水力学指标。在不同水池长宽比条件下,鱼道常规水池内存在3种典型流场结构,其主流轨迹线、主流流速沿程衰减规律以及回流区分布等水力学指标均有不同,典型长宽比取值区间分别为4∶8~5.5∶8、5.75∶8~6.5∶8及7∶8~9∶8;对比发现,长宽比在5.75∶8~6.5∶8区间范围时,主流区宽度相对较大,水池空间利用较为充分,沿程流速衰减情况也较好,回流区主要分布于主流两侧且大小适中。初步认为长宽比5.75∶8~6.5∶8的水池流场结构较为合理。     

竖缝式鱼道90°转弯段水力特性的数值模拟

受枢纽布置与地形地质条件影响,竖缝式鱼道穿越公路、桥梁等建筑物或实现大转弯时通常需要布置90°转弯段。根据导板的布置位置,90°转弯段分为内内型、内外型、外内型与外外型4种类型。采用数值模拟技术计算4种类型90°转弯段的水流流场,主流区水流均紧贴边墙流动,主流区两侧出现尺度过大的回流区。针对出现的不利流态,提出了以增设整流导板的方式调整水流结构,并对水流结构改进后的水力特性进行了对比研究。增设整流导板后,主流区大致居中,主流衰减效果显著;回流区尺度合理,回流流速甚小。内外型90°转弯段增设一整流导板后,yi/B值介于0.30~0.71,说明主流区主要位于转弯段中间40%区域内;主流区两侧主要分布着3个回流区,位于弯段与弯段下游回流区的尺度最大,影响域为常规水池面积的0.9倍,长宽比为3.25,说明大尺度回流区的影响域为椭圆形区域,可便于鱼类游入与游出;弯段与弯段下游回流区内,靠近边墙的最大流速不超过竖缝断面平均流速的0.23倍,中心流速甚小,有利于鱼类良好休憩。内外型90°转弯段水流结构改进效果较其他3种类型更为明显,在实际工程中可考虑优先采用。     

大石门水电站竖井式溢洪道水力特性试验研究

大石门水电站位于内蒙古自治区西拉沐伦河克什克腾旗境内,是一座兼顾工业取水、水力发电与防洪任务的综合型水利水电工程。电站最大坝高63.78m,总库容为1.85×108m3,总装机容量6 000kW。左岸竖井式溢洪道是枢纽唯一的泄水建筑物,最大下泄流量148m3/s。该溢洪道由导流洞改建而成,由喇叭型进水口、竖井、通气管道、消力井、明流隧洞段、以及出口消能防冲设施等组成。本文通过1：20.83的整体水工模型试验,对大石门水电站竖井溢洪道的水力特性进行了全面的试验研究。     

过鱼设施进口区域水温对集诱鱼效果的影响

库区水温分层与过鱼通道隔断是水利水电工程建设随之产生的生态环境影响之一。过鱼效果是评估过鱼设施建设成功与否的关键指标。对于存在水温分层的高坝工程而言,过鱼设施进口附近存在的温差效应是否会对进口区域的集诱鱼效果产生影响是当前应该解决的首要问题之一。该研究通过建立三维水温水动力数学模型与包含过鱼设施进口段和明渠河流段的物理模型,分别开展了水温水动力预测及实鱼过鱼试验研究工作,研究结果表明：温差效应对进口附近水动力条件影响甚微,影响区域主要取决于鱼道流量,而岸边水温量值则取决于温差的大小;增大明渠流量将增加上溯鱼类发现鱼道进口的难度;沿冷水区域上溯样本量占总样本的39%,沿温水区域上溯样本量占总样本的61%,由此可知,温水区域对洄游鱼类更具有吸引力;温差效应在一定程度上有利于洄游鱼类发现鱼道进口并在进口区域聚集,与冷水区域相比,温水有效区域鱼进入鱼道进口的尝试率提高了17个百分点。研究成果可为相关人员尝试采用改变水温调整洄游鱼类上溯路线,改善鱼道进口集诱鱼,进而提升鱼道过鱼效果提供思路。     

基于鱼类行为学与水力学的水电站鱼道进口位置选择

鱼道进口位置选择属于鱼类行为学与水力学交叉研究范畴,设置的合适与否直接影响鱼道工程的过鱼效果。根据过鱼对象的游泳能力和生活习性,提出了将下游河道内区域划分为鱼道进口优选区域、鱼道进口备选区域及鱼道进口禁布区域的方法和思路。以某大型水电工程为例,在鱼类行为学基础上,通过对水电站下游流速和流场等水力特性进行分析,结果表明:左岸存在低流速带,鱼类可顺利上溯至尾水渠附近,为鱼道进口主要布置区域;综合生物学指标和水力学指标,利用回流屏障建议将鱼道进口布置于桩号0+200~0+210 m范围内;考虑到部分上溯性较强的鱼类,建议在电站发电机组上方布置备用进口。该研究可为水电工程鱼道进口位置选择提供参考。     

竖缝式鱼道桩柱结构过鱼效果探索

竖缝式鱼道作为一种协助鱼类洄游上溯从而缓解提升河流连通性 的设施得到广泛的应用,但是多数鱼道的实际过鱼效能并不理想,尤其 是鱼道的池室结构尚具有一定的提升空间。本研究通过数值模拟和对照性过鱼试验对池室内部未增加和4种方式增加桩柱的池室水流结构进行了比较分析。结果表明在鱼道主流中间增设桩柱结构,可以有效减小回流区面积,减幅达49%;并减小竖缝处紊动能,最大紊动能减小18%;增加鱼类上溯路线分布,提高了池室空间利用率更高 。分析两种结构的上溯轨迹发现,齐口裂腹鱼多选择回流区外侧上溯,避免进入回流区中心,多选择较高的水力应变与紊动能区域调整作为上溯方向 ,且上溯路线中偏好较低水力因子区域上溯,上溯偏好流速范围0.01~0.09m/s,紊动能范围0.001~0.008m2/s2,水力应变范围0.2~3.0s-1     

不同位置和朝向的鱼道进口诱鱼效果

为了探明不同进口朝向的布置方式和进口位置对诱鱼效果的影响，本研究通过建立鱼道进口概化模型，设计3种环境流速工况，以马口鱼为实验对象，针对不同朝向和不同位置鱼道进口分别进行放鱼实验。结果显示，在同一鱼道进口位置时，垂直于河道水流方向上的鱼道进口其诱鱼效果明显优于顺河道水流方向的鱼道进口；当开启与电站不同相对位置不同的进口时，其诱鱼效果受河道水流速度和进口位置的影响较为显著；在所设计实验工况中，环境流速为0.3 m/s时，鱼道进口诱鱼效果最好。研究结果将对水利工程中鱼道进口布置具有重要的参考意义并指导工程实践。     

水电站下游鱼类产卵场水温的人工神经网络预报模型

丰满电站下游松花江水文站河段分布有一系列鱼类产卵场,电站拟通过分层取水调控下泄水温,改善下游鱼类生存环境。该文基于大量实测数据分析,建立了松花江站水温的人工神经网络预报模型,通过输入上游吉林水文站的水温与流量,以及地区气象条件,可计算出下游松花江站2日后的水温变化。根据中长期天气预报数据与电站泄流计划,采用该模型通过2日递推的方法,可预测出下游鱼类产卵场的水温变化过程。运用2006-2013年实测数据对网络模型进行训练,然后对2014年松花江站水温变化过程进行计算,计算值与实测值的变化过程甚为吻合,相关系数为0.992,水温平均误差为0.51℃。在水温生态调度运行期间,根据产卵场水温变化的预报数据,可适当调控电站下泄水温,保持适宜的鱼类产卵条件。