旋流式鱼道的构建与水力特性分析

为增强过鱼设施的蜿蜒性和自然性,该文提出了一种采用曲线型边壁和导流坎的旋流式鱼道结构。首先通过模型试验得到了鱼道在不同工况下鱼道内两侧边壁水流的沿壁沿程水深以及水流流态,观察了过鱼效果,验证了数值计算的准确性,通过数值计算进一步分析了旋流式鱼道的表面流速、近底流速及关键横断面流速分布。结果表明:鱼道内形成的旋流蜿蜒曲折,流态丰富。过鱼通道内主流区流速均不大于0.84 m/s,满足过鱼要求,过鱼对象可以在该鱼道内顺利上溯,主流两侧的缓流或回流区可为鱼类休息之用,说明了鱼道体型的合理性。该文提出的鱼道丰富了鱼道的形式,对今后类似鱼道的设计和建设具有一定的指导意义。     

仿自然鱼道中卵石墙对池室水力特性改善效果

仿自然鱼道是重要的鱼道布置方式之一,其特点是利用当地河床材料构建透水性卵石隔墙,以便更好地模拟出天然河流流态。为了定量分析透水性卵石墙对鱼道水力特性的改善效果,该文针对采用卵石隔墙与不透水隔墙的鱼道水力特性进行对比研究。结果表明:采用卵石墙的仿自然鱼道,池室内流态丰富,过鱼口处流速分布差异明显,表底流速差达到0.43~0.61 m/s为多种鱼类上溯提供了可能。池室内主流区分布较宽,紊动能较大达0.06~0.12 m2/s2,同时回流区减弱,有利于鱼类找到主流,实现上溯。卵石隔墙的不足之处是鱼道耗水流量相对较大达2.86 m3/s,在工程设计中需要综合考虑卵石墙透水特性与耗水流量之间的平衡关系,找到适宜的布置方案。该研究可为仿自然鱼道的水力设计提供参考。     

曲线边壁竖缝式鱼道池室内部构造优化

为提高鱼道的过鱼效率,在曲线边壁竖缝式鱼道基础上增加内部构造,即在鱼道内壁和底板上布置辅助过鱼装置,组合而成6种不同布置方案,并对每种布置方案进行了相应的数值模拟和模型试验,探究不同布置方案的过鱼效果。结果表明：不同隔板组合的方案1、2、3的上溯成功率分别为36.7%、43.3%、73.3%,其中以中央贯通且尾部边壁只设一组隔板的方案3试验鱼上溯成功率最高;在方案3的基础上引入不同直径圆形柱组合形成方案4、5、6,其相应的上溯成功率分别为56.7%、73.3%、90.0%,其中以圆柱直径为池室入口宽度二分之一的方案6上溯成功率最高,可作为推荐方案,同时发现鱼类游动会大致沿主流进行逆流上溯,当水流形态呈现多股主流流径,流速梯度明显,主流流速衰减平缓合理,且水流回流区较少时,有利于提升鱼类的通过性能。研究结果可丰富了道设计理念和方法,为鱼道设计建造提高参考。     

基于生态修复的青海湖沙柳河鱼道建设与维护

为减少水坝对青海湖裸鲤溯河洄游的阻隔,在入湖的沙柳河上先后建设了导壁式、简易模块式和阶梯型鱼道。通过对青海湖鱼道建设案例分析,得出鱼道设计需要关注的问题:鱼道进鱼口设计要安排在鱼类洄游通路并采取集鱼措施,鱼道设计要依据鱼类洄游能力,鱼道运行要注意改进和维护,鱼道设计需要多学科专家共同参与。结合国内外鱼道设计、建设和运行情况,提出基于生态修复的鱼道建设维护对策:确立生态系统功能价值的鱼道设计目标,确立从鱼的角度出发,系统性的鱼道设计理念、建设和管护方式。     

竖缝式鱼道内齐口裂腹鱼洄游行为模拟

鱼道是帮助洄游鱼类跨越河道内物理障碍的主要过鱼设施之一。针对鱼道结构优化试验耗时长、成本高的问题。该研究在物理试验基础上建立模拟鱼类运动的数值模型,基于竖缝式鱼道内齐口裂腹鱼的行为数据,结合机器学习和欧拉-拉格朗日智能体方法(Eulerian-Lagrangian-agent method,ELAM)建立了鱼类洄游路线预测模型。首先,将齐口裂腹鱼的游泳行为数据划分为3个数据集(顺流而下、侧向运动和逆流而上);然后,根据不同机器学习算法(XGBoost、K-近邻、梯度提升决策树、随机森林)分别构建游泳行为分类模型和游泳速度回归模型,并通过试验结果对比,筛选出最优模型;最后,结合ELAM的框架,构建鱼类洄游数学模型,模拟了齐口裂腹鱼在3种体型的竖缝式鱼道中的洄游路线。结果表明：基于随机森林建立的游泳行为分类模型和游泳速度回归模型预测效果最佳,游泳行为分类精度为0.804,召回率为0.794,F1得分为0.798,3个数据集的游泳速度回归的R²均大于0.75。研究所建立的鱼类洄游数学模型能够较好的预测齐口裂腹鱼的洄游路线,可为相关鱼类保护措施的设计和优化提供参考。     

流量对河水滴灌重力沉沙过滤池内流速分布的影响

为研究流量对河水滴灌重力沉沙过滤池流速分布规律的影响,该文对5种不同流量下的水沙两相流流场进行了数值模拟。通过对不同流量下流速沿程分布规律、流速沿水深方向分布规律及水沙分离效率的对比与分析,可知河水滴灌重力沉沙过滤池的适宜流量范围为0.05~0.2 m3/s,进水流量越小,流速变化幅度也就越小,越有利于泥沙沉降,水沙分离效率不小于72.5%。不同流量下沉淀池中流速沿程变化规律可分成3个阶段:流速迅速增加阶段、流速缓慢减小阶段和流速迅速减小阶段。清水池中流速方向与沉淀池的相反,流速沿程减小。受进水口、出水口和固体边界,以及侧向溢流堰的影响,不同流量下河水滴灌重力沉沙过滤池中的流速沿水深方向分布规律有差别。当流量为0.05和0.1 m3/s时,远离进水口、出水口及侧向溢流堰的位置,流速沿水深方向的分布规律包含流速迅速增加、流速缓慢减小和流速恒定3个阶段,而清水池则只包括流速迅速增加和流速恒定阶段。研究可对大首部的应用提供参考。     

电站尾水渠内鱼道进口位置布局

电站尾水渠是上溯鱼类较为理想的聚集场所,利用电站尾水渠合理布置鱼道进口,是目前大中型河流鱼道建设中的研究热点之一。该文通过数值模拟,结合鱼类游泳能力,对利用电站尾水诱鱼的鱼道进口布置进行研究。结果表明:机组运行方式、鱼道进口位置与出流方向均对鱼道进口诱鱼水流产生较大影响。机组运行方式决定了尾水渠内主流的位置,并在主流两侧形成多个回流区。回流区水流的旋转方向和位置对鱼道进口诱鱼水流的影响较大,鱼道进口的诱鱼水流动量较小,其出流方向应与回流区水流方向一致,并可根据电站运行方式,设置多个鱼道进口。主流与回流区之间的过渡区域是布置鱼道进口的重点区域。该研究结果可为优化改进大中型河流鱼道进口设计提供重要参考。     

基于PIT遥测技术的竖缝式鱼道过鱼效率及鱼类行为分析

PIT(Passive Integrated Transponder)遥测作为一种射频识别和电磁感应相结合的技术,是开展鱼类行为学原位观测的一项重要手段.采用该技术进行鱼道过鱼效率评估,需解决该技术监测有效性及鱼类洄游轨迹量化分析等问题.该研究以大渡河安谷竖缝式鱼道为试验案例,以该水域的优势物种(白甲鱼和唇?)为试验对...     

仿自然鱼道水力及过鱼性能物理模型试验

仿自然鱼道是具有一定自然特征的过鱼设施,适用于中低水头工程,是目前鱼道形式研究热点之一。为了获得一种具有综合生态功能的鱼道,该文提出了一种利用芦苇模块构建的植物型鱼道,并通过物理模型试验对其水力特性和过鱼性能进行了研究。结果表明:选取芦苇为基本单元构建植物型鱼道是合适的。植物模块交错布置的植物鱼道内可形成蜿蜒的水流,流态丰富,过鱼通道内流速均小于1.1 m/s,满足过鱼要求。过鱼试验表明,过鱼对象可以在该鱼道内顺利上溯,植物模块下游侧可形成低流速的鱼类休息区,验证了鱼道体型的合理性。该文提出的植物型鱼道丰富了鱼道的形式,具有一定创新性,对今后类似鱼道的设计和建设具有一定的指导意义。     

鱼游泳能力对体长的响应及其在鱼道设计中的应用

为了探讨鱼类体长对游泳能力的影响并为鱼道水流的设计提供参考,该研究在封闭水槽中使用"递增流速法"测试了海南省某水利枢纽鱼道目标对象的游泳能力,并用Origin软件进行了数据统计分析,得到了试验鱼感应流速、临界游泳速度和爆发游泳速度的直线回归方程和Kaplan-Meier曲线。结果表明:1)随着试验鱼体长增大,相对感应流速、临界游泳速度和爆发游泳速度(体长/s)均减小,体长和鱼类速度的相关关系可用直线方程表示,且数据经过对数变换后的直线方程拟合效果比未经过对数变换的拟合效果更好,其中R2由0.664～0.725提高至0.907～0.933。2)根据鱼道设计规范、导则及文献,结合本工程目标过鱼对象的感应流速、临界游泳速度和爆发游泳速度(m/s),建议本工程鱼道进口诱鱼流速控制在0.35～0.47 m/s,池室流速控制在0.21～0.59 m/s,竖缝流速控制在0.57～0.74 m/s,出口断面至下一个池室之间的流速控制在0.21～0.50 m/s。鱼类体长对相对游泳速度(体长/s)产生了负面影响,鱼类游泳速度及其变化规律可对鱼道水流设计值提供参考。     

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。     

基于PIT技术的老口航运枢纽鱼道通行效率及鱼类行为分析

PIT（passive integrated transponder）射频芯片跟踪作为一种监测方法,被广泛应用于鱼类洄游行为监测及评估鱼道过鱼效率。为了解鱼类在郁江老口航运枢纽鱼道的上溯速度、昼夜特征行为及鱼道通行效率等情况,从而为鱼道设计提供更多参考,该研究以优势种鲮（Cirrhinus molitorella）为试验对象,搭半双工（half duplex,HDX） PIT 标记射频芯片跟踪系统,在鱼道中设置了5个监测断面。有效试验鱼共63尾,全部为野生个体,全长范围为16.00～23.50 cm,均值为（19.05±1.49）cm。试验发现,试验鱼在白天活动较为活跃,夜晚则处于休息状态;多数个体在标记放流后上行至第一个天线所需时间超过10 h;标记试验鱼通过整个鱼道的历时为648～5359 min,总通行效率为50.79%。研究可为国内过鱼设施通行效率量化及鱼道中鱼类上溯行为特征研究提供参考。     

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。     

沟灌三角形长喉道田间量水槽水力特性试验及数值模拟

针对目前北方灌区田间沟灌缺乏有效量水设施的现状,提出了一种针对田间小流量情况的新型量水设备—便携式三角形长喉道量水槽,为进一步研究其水力特性,在沟灌简易长喉道量水槽原型试验的基础上,采用基于Flow-3D的计算流体力学方法对该量水槽的内部水流运动进行了模拟计算,对水流流态、水深、傅汝德数、纵向时均流速、紊动强度进行了分析。结果表明:试验水深值与模拟值的最大相对误差小于10%,二者水面线变化规律吻合,模拟结果精度较高;通过临界流理论推导与回归分析得到沟灌简易长喉道量水槽测流公式,其计算结果与实际流量的最大相对误差为4.34%;量水槽收缩段及喉道段纵向时均流速沿程不断增大,流速最大值的位置存在于水面以下,越靠近收缩段、喉道段出口,最大纵向流速位置越低,断面流速分布越不均匀;紊动强度总体呈现沿程增加的趋势,各断面的紊动强度最大值相对位置在0.13到0.30倍水深之间,沿程逐渐上升。