一种鱼道监控系统的多种群目标流速构建方法与流程

本发明涉及鱼道工程领域，更具体地说它是一种鱼道监控系统的多种群目标流速构建方法。

背景技术：

鱼道是水坝或水闸过鱼建筑物的一种，是供鱼类洄游的通道，一般通过在水闸或水坝上修建人工水槽来实现，用以维护鱼类自然习性，从而保护鱼类资源，维持河流生物多样性。

据不完全统计，目前北美的过鱼建筑物有400多座，日本有1000多座；而我国过鱼建筑物的建设和研究历史较短，到20世纪的80年代，我国建成的鱼道设施在40余座；自葛洲坝水利枢纽采取建设增殖放流站的措施来解决中华鲟等珍稀鱼类的保护问题后的20多年，我国在建设水利水电工程时很少修建过鱼设施，相关的技术研究工作处于停止阶段；进入21世纪后，随着我国水利水电资源开发的逐步加深，水利工程的环境友好要求被从新认识和定位，过鱼设施的研究和建设重新受到重视。

鱼道实际过鱼效果的好坏取决于众多因素，例如鱼道水流速度、水流流态、鱼类游水能力、进鱼口设计等等，但鱼道水流速度却是其中最为关键因素；在一定水深的人工鱼道中，水流速度过高，超过鱼类的游水能力，则鱼类无法逆水而上；水流速度过低，则鱼类将散失方向感，也无法找到正确的洄游方向；同时，也只有合适的水流速度，才能在鱼道中制造出合适的流态，为鱼群经由鱼道翻阅水闸或大坝提供最根本的保证。

总结国内外鱼道工程的经验和教训，我们不难发现，越是过鱼对象单一的鱼道工程，越是容易取得理想的过鱼效果；因为，过鱼对象简单化，就意味着流速需求的简单化；在已知水闸或大坝的运行工况，且流速需求简单的情况下，完全可以通过鱼道水工设计来获得满意的结果；但是，随着环境保护对水利工程要求的日益提高，鱼道的功能需求也相应大幅提高，例如仿生化、自动化；这些新要求的根本目的，就是要尽可能减低人类活动对鱼类资源的负面影响，其直接体现就是提高鱼道的过鱼种类和数量。

然而鱼类习性区别较大，对水流流速和流态的适应能力也不尽相同；过鱼目标的多样化，造成鱼道流速需求的多样化，单纯依靠水工设计不可能逐一满足，必须要有新的手段。

鱼道流速在线监控系统就是为了弥补水工建筑流速控制能力的不足，而构建的一个计算机监控系统，其作用是通过控制鱼道输水闸门系统来实现对鱼道水流速度的监控，并通过控制流速影响流态，以实现多样化的过鱼目标。

鱼道流速在线监测系统的功能实现总体思路如下：首先运用鱼道运行策略确定当前鱼道过鱼目标，从而确定鱼道各区段的目标流速；接着，根据鱼道上下游水位、流道结构等参数，计算求取各输水闸门的输水量，以满足各观测断面目标流速的要求；然后，根据输水量要求和闸门特性来确定闸门开度，并执行；最后，依据实时监测到的上下游水位和鱼道水流速度，动态修正闸门开度，保证鱼道流速持续满足要求；在上述过程中，确定鱼道各区段的目标流速是一个亟待解决的难题。现有对鱼道目标流速的确认方法主要缺点有：只针对单一或者少量几种主要鱼类；流速确认主要靠经验值，流速范围较为粗糙、精度不高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种鱼道监控系统的多种群目标流速构建方法，提高鱼道目标流速选择区间的准确性，满足不同时间多种鱼类的综合目标流速选取，有效提高鱼道的过鱼效果。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种鱼道监控系统的多种群目标流速构建方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：确定过鱼种类

根据鱼类研究资料和鱼道建设需求，确定当前过鱼季节内，有洄游需求的鱼类，假设有i(i＝1，2，...n)种鱼需要洄游；

步骤2：确定鱼道最低流速vmin

最低流速应该满足鱼类感应到水流、产生趋流反应的要求，因此鱼道最低流速可取值为过鱼种类中，感应流速vfl的最小值；

vmin＝min(vfl-i)，i＝1，2，...n；

式中，vfl-i：第i类鱼的感应流速；

步骤3：确定鱼道最高流速vmax

最高流速情况下，仍应有鱼类能通过持续游泳翻越水坝，将鱼道最高流速确定为鱼类的持续游泳速度vcont之中的最大值，而持续游泳速度vcx根据经验取值为临界游泳速度vcrit的80％；

vmax＝max(vcont-i)＝0.8×max(vcrit-i)，i＝1，2，...n

式中，vcont-i：第i类鱼持续游泳速度；

持续游泳速度vcont：鱼类个体可持续游动200min的游速，根据经验取值为临界游泳速度vcrit的80％，m/s；

临界游泳速度vcrit：指鱼类持续游泳大于20s小于200min时的固定水流速度，也称为最大可持续游泳速度，反映了鱼类有氧代谢时的最大游泳速度，通常用试验方法测定，m/s；

步骤4：选取特征流速区间vch

鱼道的最低流速vmin由水工建筑设计确保发生于鱼道底层，不需控制，只需复核；当鱼道底部流速满足最低流速的要求，而流道内断面平均流速小于最高流速vmax时，流道内必然存在满足流速要求的水流通道；因此，需要控制的目标流速区间范围应满足下式，令：

vch_i∈(vmin，kcal_i×vmax)(1)

式(1)中，

特征流速区间vch_i：指鱼道第i个区段所需的断面目标流速区间；

折算系数kcali：指鱼道第i个区段目标流速与最大流速的折算系数，折算系数初始值对于补水段取1.1，歇鱼池取0.9，鱼道内的除了补水段、歇鱼池以外的区段取1.0，折算系数并可根据运行数据修正；

步骤5：确定控制断面的候选流速vca区间

候选流速区间vca_i是在鱼道水头和流量一定时，对第i个区段控制断面进行模拟数值仿真计算，得到的断面流速区间；候选流速区间vca_i反映了鱼道水头和流量一定时，断面上存在的最小和最大流速；将鱼道水头变化范围和入口流量变化范围离散化后，根据不同组合，分别计算出鱼道水头和流量一定时断面的候选流速区间vca_i；

步骤6：确定控制断面目标流速区间vtg-i

控制断面目标流速区间的选取方法：对某个控制断面候选流速区间进行综合评价判定，分别计算评价分，评价分高的候选流速区间与特征流速区间拟合程度高，将评价分最高者选为该断面目标流速区间，评价分计算公式如下：

式(2)中，

区间交集：候选流速区间与特征流速区间的交集；

区间差集：候选流速区间与特征流速区间的差集。

在上述技术方案中，步骤5中，候选流速区间通过软件数值分析获得，并可以通过历史实测数据进行修正。使数据更精准。

本发明具有如下优点：

(1)通过设置断面特征流速区间和综合评价判定体系，能够更加科学和准确地判定鱼道内的断面流速分布状况，提高鱼道目标流速选择区间的准确性，以满足不同时间多种鱼类的综合目标流速选取；克服了现有技术只针对单一或者少量几种主要鱼类的缺点；

(2)将过鱼目标流速的选取从简单粗放式提升为综合精细化，能有效提高鱼道的过鱼效果，为鱼道流量实时监控系统提供科学有效的前提条件；克服了现有技术流速范围较为粗糙、精度不高的缺点。

附图说明

图1为本发明实施例鱼道平面图。

图2为本发明实施例鱼道三维效果图。

图3为本发明软件数值仿真某鱼道中段横剖面流速等值线图。

图4为本发明12m水头下10m³/s流量下模拟计算仿真收缩段中心纵剖面流速等值线图。

图3中，横轴x为仿真鱼道的长的尺寸，单位为米(m)；纵轴y为仿真鱼道的宽的尺寸，单位为米(m)；vel为等速线的流速，单位为米/秒(m/s)；图中，0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.5分别代表流速为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.5m/s的等值线；

图4中，横轴x为仿真鱼道的长的尺寸，单位为米(m)；纵轴y为仿真鱼道的宽的尺寸，单位为米(m)；vel为等速线的流速，单位为米/秒(m/s)；图中，0.5、0.6、1.0、1.1、1.2、1.5分别代表流速为0.5、0.6、1.0、1.1、1.2、1.5m/s的等值线。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：一种鱼道监控系统的多种群目标流速构建方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：确定过鱼种类

根据鱼类研究资料和鱼道建设需求，确定当前过鱼季节内，有洄游需求的鱼类，假设有i(i＝1，2，...n)种鱼需要洄游；

步骤2：确定鱼道最低流速vmin

最低流速应该满足鱼类感应到水流、产生趋流反应的要求，因此鱼道最低流速可取值为过鱼种类中，感应流速vfl的最小值；

vmin＝min(vfl-i)，i＝1，2，...n；

式中，vfl-i：第i类鱼的感应流速；

步骤3：确定鱼道最高流速vmax

最高流速情况下，仍应有鱼类能通过持续游泳翻越水坝，将鱼道最高流速确定为鱼类的持续游泳速度vcont之中的最大值，而持续游泳速度vcx根据经验取值为临界游泳速度vcrit的80％；

vmax＝max(vcont-i)＝0.8×max(vcrit-i)，i＝1，2，...n

式中，vcont-i：第i类鱼持续游泳速度；

持续游泳速度vcont：鱼类个体可持续游动200min的游速，根据经验取值为临界游泳速度vcrit的80％，m/s；

临界游泳速度vcrit：指鱼类持续游泳大于20s小于200min时的固定水流速度，也称为最大可持续游泳速度，反映了鱼类有氧代谢时的最大游泳速度，通常用试验方法测定，m/s；

步骤4：选取特征流速区间vch

鱼道的最低流速vmin由水工建筑设计确保发生于鱼道底层，不需控制，只需复核；当鱼道底部流速满足最低流速的要求，而流道内断面平均流速小于最高流速vmax时，流道内必然存在满足流速要求的水流通道；因此，需要控制的目标流速区间范围应满足下式，令：

vch_i∈(vmin，kcal_i×vmax)(1)

式(1)中，

特征流速区间vchi：指鱼道第i个区段所需的断面目标流速区间；

折算系数kcal_i：指鱼道第i个区段目标流速与最大流速的折算系数，折算系数初始值对于补水段取1.1，歇鱼池取0.9，鱼道内的除了补水段、歇鱼池以外的区段取1.0，折算系数并可根据运行数据修正；

步骤5：确定控制断面的候选流速vca区间

候选流速区间vca_i是在鱼道水头和流量一定时，对第i个区段控制断面进行模拟数值仿真计算，得到的断面流速区间；候选流速区间vca_i反映了鱼道水头和流量一定时，断面上存在的最小和最大流速；将鱼道水头变化范围和入口流量变化范围离散化后，根据不同组合，分别计算出鱼道水头和流量一定时断面的候选流速区间vca_i；

步骤6：确定控制断面目标流速区间vtg-i

控制断面目标流速区间的选取方法：对某个控制断面候选流速区间进行综合评价判定，分别计算评价分，评价分高的候选流速区间与特征流速区间拟合程度高，将评价分最高者选为该断面目标流速区间，评价分计算公式如下：

式(2)中，

区间交集：候选流速区间与特征流速区间的交集；

区间差集：候选流速区间与特征流速区间的差集。

步骤5中，候选流速区间通过软件数值分析获得，并可以通过历史实测数据进行修正。

实施例

以某鱼道工程为实施例对本发明进行详细说明。

某鱼道工程的鱼道中段平面及三维效果图如附图1、附图2所示。

第一步，确定过鱼种类

已知某鱼道所处江段8至12月河道关键过鱼目标的感应流速和临界流速分别入表1、表2所示：

表1感应流速测试样本及测试结果

表2临界速度测试样本及测试结果

(全长、体长、体重为平均值±标准差(sd))

第二步，确定最低流速vmin

由上述表1可知测试鱼类样本的最低感应流速为0.4m/s，最小流速vmin应为0.40m/s；

第三步，确定最高流速vmax

由上述表2可知测试鱼类样本的最高临界流速为1.75m/s，最高流速vmax应为1.4m/s；

第四步，选取特征流速区间vch

以鱼道中段为例，折算系数kcal_i取1，特征流速区间vch∈(0.4m/s，1.4m/s)；

第五步，确定候选流速vca-i区间

该鱼道设置控制断面3个，分别位于补水段、歇鱼池和其余区段(设置于中段)，所述某鱼道水头变化范围为12～24m，离散步长取1m；流量变化方位取1～10m³/s，离散步长1m³/s，由此可得某个控制断面候选流速vca-i区间的表格如表3所示；

通过软件数值分析可以获得不同水头、不同流量条件下的候选流速区间；以中段控制断面为例，当水头为12m、流量为10m³/s时，软件数值仿真结果如附图3、附图4所示，从附图3、附图4上可分析得出候选流速区间为(vmin10-12，vmax10-12)＝(0.5，1.5)m/s；按照同样的方法，可以确定出所有控制断面表格中的流速区间数据；

表3中段控制断面候选流速区间表

第六步，确定目标流速vtg-i

在获得各控制断面的候选流速区间表后，根据当前水头，可知不同流量下的候选流速区间，再使用公式(2)的评判标准对候选流速区间进行综合评价判定，计算出当前水头下，不同流量的综合评分，从中选取最高得分的候选流速区间作为该断面的目标流速；

公式(2)为：

公式(2)中，

区间交集：候选流速区间与特征流速区间的交集；

区间差集：候选流速区间与特征流速区间的差集；

以中段控制断面为，当水头为12m时，可从中段控制断面的表3中，得到离散流量1.0～10.0m3/s所对应的流速区间，并根据上述公式(2)，以第五步计算得到的特征流速区间(0.4,1.4)m/s进行评价，可得不同流速区间的综合评分，如表4所示；

表4水头为12m时中段控制断面候选流速区间表及其综合评价

结论：通过判断10种不同流量条件下，候选流速区间的综合判定情况得知，第1种流量1m³/s条件下候选流速区间为0.1m/s～0.86m/s拟合程度最差为-27分；第9种流量9m³/s条件下候选流速区间为0.5m/s～1.4m/s拟合程度最优为74分，综合判定第9种流量条件下的候选流速区间最优；因此将候选流速区间确定为水头12m时，中段控制断面的目标流速。

在各控制断面上重复上述过程，可以确定各控制断面的目标流速，从而得到整条鱼道的目标流速。

其它未说明的部分均属于现有技术。