一种感潮河段鱼道进口设计方法和鱼道进口与流程

本发明涉及一种感潮河段鱼道进口设计方法和鱼道进口，是一种水工设计方法和水工设施，是一种用于鱼道等鱼类过坝技术、鱼类资源保护、河流生态修复的方法和设施。

背景技术：

鱼道作为洄游鱼类等水生动物通过人工闸坝的重要设施，对协调大坝建设与生态环境的矛盾起到重要作用，通过在挡水建筑物上设置鱼道，以满足洄游性鱼类的上溯或降河要求。然而，目前在现有鱼道中，鱼类顺利通行率不足50%，主要原因就是鱼类无法克服水流流速和流态对其造成的水流障碍：一方面是鱼道池室内部的水流障碍；另一方面是鱼道进口附近的水流障碍。针对鱼道池室内部的水流障碍问题，已经提出了水池式、竖缝式、挡板式、简易式、鱼梯和鱼闸等各种形式的鱼道，每种鱼道形成不同的水流条件，以适应不同鱼类顺利通过闸坝等挡水建筑物。对于鱼道进口附近的水流障碍问题，由于上溯的鱼类一般具有逆流上溯的行动习性，如何创造鱼道进口附近的流态和流速分布，使鱼类能够集结于鱼道进口附近水域，顺利发现鱼道进口并进入鱼道是鱼道成功与否的关键问题之一。

在河流上设置的鱼道进口水位一般与挡水建筑物的下泄流量、鱼道自身流量有关，可以通过鱼道进口断面的水位-流量关系曲线直接计算得到。但是，在感潮河段设置的鱼道，其进口附近河道流量、水位、流速等水力条件不仅与河口工程泄流和鱼道流量有关，还与潮汐流有关，具有周期性波动的特点。与不受潮汐流影响的河流中上游设置的鱼道相比，除了考虑整体工程运行形成的下游水流条件外，还需要考虑潮汐流引起的上下游的流向变化和垂直方向的水位波动变化因素，所以更难以控制。

技术实现要素：

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种感潮河段鱼道进口设计方法和鱼道进口。所述的方法和鱼道进口将利用潮汐流原理和感潮河段水力特性，能适应不同潮汐流的流量、流向和水位变化，提高鱼道过鱼效率，降低河口水利工程建设对鱼类的阻隔影响。

本发明的目的是这样实现的：一种感潮河段鱼道进口设计方法，所述方法的步骤如下：

典型潮水过程选择的步骤：用于根据实测长系列的历年鱼类洄游月份的逐时潮水位，得到相应的涨潮和落潮的潮差，再根据皮尔逊Ⅲ型（Pearson Type III）的概率分布模型计算得出大潮、中潮及小潮潮差，所述的Pearson Type III的概率分布模型：

式中，Γ（α）为α的伽玛函数，y为空间变量，α、β、a₀分别为皮尔逊Ⅲ型概率分布的形状尺度和位置参数，α＞0，β＞0；

潮水位计算的步骤：用于根据统计分析得出的涨潮差和落潮差以及多年平均潮水位，在潮位站实测资料中选取鱼类洄游月份典型大潮、中潮、小潮的潮水位；

鱼道进口断面水力特性计算的步骤：用于通过一维水力学模型，计算得到感潮河段的水力特性参数包括：流量、流速及水深，其中，流量、流速和水位分为大潮、中潮、小潮的涨潮和落潮两种情况，一维水力学模型方程组如下：

式中：A表示水流断面面积，Q表示流量，q_l表示侧面流入或流出水流流量，V表示水流断面平均流速，g表示重力加速度，z表示水位，S_f表示水流能量比降，t表示时间变量，x表示空间变量，模型上边界条件为：模型上边界挡水建筑物所在断面采用挡水建筑物下泄流量，模型下边界条件为：计算区域的下边界选取水位过程；

鱼道进口布置及水位设计的步骤：用于根据水力学模型的潮水位计算结果和挡水建筑物设置位置的相互关系，选择鱼道进口的高程及位置；

确定鱼道进口各参数的步骤：用于选择洄游鱼类降河洄游和溯河洄游时期典型潮水位，并根据水力学模型的潮水位计算结果，选择鱼道进口设计水位，以及根据水力学模型的潮水位计算结果，选择鱼道进口的适宜高程及位置。

一种根据上述方法设计的感潮河段鱼道进口，包括设置在挡水建筑物下游的鱼道，所述鱼道根据挡水建筑物在感潮河段的位置与潮水涨落的位置的相互关系设置多个鱼道入口。

进一步的，所述的鱼道进口位置为：挡水建筑物设置在小潮高潮线以下河段，对应大潮落潮水位、中潮落潮水位、小潮落潮水位和正常的河道水位，分别设置大潮落潮水位鱼道入口、中潮落潮水位鱼道入口、小潮落潮水位鱼道入口、正常河道水位鱼道入口四个鱼道入口。

进一步的，所述的鱼道进口位置为：挡水建筑物设置在中潮高潮线和小潮高潮线之间河段，对应大潮落潮水位、中潮落潮水位和正常的河道水位，分别设置大潮落潮水位鱼道入口、中潮落潮水位鱼道入口、正常河道水位鱼道入口三个鱼道入口。

进一步的，所述的鱼道进口位置为：挡水建筑物设置在大潮高潮线和中潮高潮线之间河段，对应大潮落潮水位和正常的河道水位，分别设置大潮落潮水位鱼道入口和正常河道水位鱼道入口两个鱼道入口。

进一步的，所述的鱼道进口位置为：挡水建筑物设置在大潮高潮线以上河段，按正常河道水位设置鱼道入口。

本发明产生的有益效果是：本发明利用潮汐流原理和感潮河段水力特性，建立潮感河段的涨潮落潮模型，通过模型计算各类潮差和潮水位变化情况，再通过鱼道进口断面水力特性计算确定各种潮位的最佳鱼道进口位置，以适应不同潮汐流的流量、流向和水位变化，提高鱼道过鱼效率，降低河口水利工程建设对鱼类的阻隔影响，对于保护或修复河流生态环境具有重要意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是大潮、中潮、小潮在不同断面平均流量示意图；

图2是本发明的实施例二、三所述的鱼道进口示意图；

图3是本发明的实施例二、四所述的鱼道进口示意图；

图4是本发明的实施例二、五所述的鱼道进口示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种感潮河段鱼道进口设计方法和鱼道进口。

在感潮河段设置的鱼道进口附近水流条件（流量、水位、流速及流动方向）受主体工程的泄流、鱼道自身的流量及下游感潮河段潮汐流的综合影响。在感潮河段修建挡水工程后，在涨潮过程中，潮水本可以上溯至闸址上游，但由于挡水工程阻挡潮水上溯，因而产生雍水效应，抬高潮水位。因此，在设计鱼道进口水位时，鱼道进口上、下游的流量和水位需要考虑潮汐流的流量、主体工程及鱼道的下泄流量的共同作用，需通过计算得到。所述方法的步骤如下：

（一）典型潮水过程选择的步骤：用于根据实测长系列的历年鱼类洄游月份的逐时潮水位，得到相应的涨潮和落潮的潮差，再根据皮尔逊Ⅲ型（Pearson Type III）概率分布模型计算得出大潮、中潮及小潮潮差，所述的Pearson Type III概率分布模型：

式中，Γ（α）为α的伽玛函数，y为空间变量，α、β、a₀分别为皮尔逊Ⅲ型概率分布的形状尺度和位置参数，α＞0，β＞0。

选择典型潮水过程时，考虑的主要参数为潮差和潮波历时。一般情况下，单个潮波历时具有很强的稳定性。因此，主要根据涨潮和落潮所对应的潮差来选择典型潮水过程。根据实测长系列的历年鱼类洄游月份的逐时潮水位，得到相应的涨潮和落潮的潮差。再根据Pearson Type III的概率分布模型计算得出大潮（如10%）、中潮（如50%）及小潮（如90%）潮差。

（二）潮水位计算的步骤：用于根据统计分析得出的涨潮差和落潮差以及多年平均潮水位，在潮位站实测资料中选取鱼类洄游月份典型大潮、中潮、小潮的潮水位。

（三）鱼道进口断面水力特性计算的步骤：用于通过一维水力学模型，计算得到感潮河段的水力特性参数包括：流量、流速及水深，其中，流量、流速和水位分为大潮、中潮、小潮的涨潮和落潮两种情况，一维水力学模型方程组如下：

式中：A表示水流断面面积，Q表示流量，q_l表示侧面流入或流出水流流量，V表示水流断面平均流速，g表示重力加速度，z表示水位，S_f表示水流能量比降，t表示时间变量，x表示空间变量。

（1）一维水力学模型上边界条件：

计算区域的上边界提供恒定的流量。模型上边界挡水建筑物所在断面采用挡水建筑物下泄流量。

（2）一维水力学模型下边界条件：

计算区域的下边界选取水位过程。根据统计分析得出的涨潮差和落潮差以及多年平均潮水位，即在鱼类洄游时期内典型大潮、中潮、小潮的潮水位。

图1显示，大、中、小潮在不同断面的平均流量。图1中表明距离河口断面越近，落潮和涨潮的平均流量都越大。另外，无论是落潮还是涨潮，潮差越大的潮水过程造成的流量越大，说明靠近河口河段的河道流量由潮水流量决定。

（四）鱼道进口布置及水位设计的步骤：用于根据水力学模型的潮水位计算结果和挡水建筑物设置位置的相互关系，选择鱼道进口的高程及位置。

根据水力学模型的潮水位计算结果，选择鱼道进口的适合高程及位置。由于鱼类具有逆流游泳的生态习性，因此落潮过程中水流方向与鱼类上溯方向相反，而涨潮过程中水流方向与鱼类上溯方向相同，因此仅在落潮过程中考虑感潮河段的鱼道进口布置方法。根据图1可知，靠近挡水建筑物河段的河道流量中，潮水流量的比例逐渐减小，挡水建筑物下泄流量比例逐渐增大。

（五）确定鱼道进口各参数的步骤：用于选择洄游鱼类降河洄游和溯河洄游时期典型潮水位，并根据水力学模型的潮水位计算结果，选择鱼道进口设计水位，以及根据水力学模型的潮水位计算结果，选择鱼道进口的适宜高程及位置。

实施例二：

本实施例是一种根据实施例所述的设计的在感潮河段鱼道进口，包括设置在挡水建筑物1下游的鱼道2，所述鱼道根据挡水建筑物在感潮河段3的位置与潮水涨落的位置的相互关系设置多个鱼道入口，如图2、3、4所示。图中最左侧为挡水建筑物上游，最右侧为河口，挡水建筑物下泄水位14在没有潮水干扰的情况下，即为河道正常水位。

本实施例根据实施例的计算得出多个情况下的潮水涨落情况，并根据这些状况布置鱼道进口的位置。本实施例所述的鱼道进口，不是简单的鱼道在潮水变化过程中的水淹部分，而是具有一定诱鱼设施和档鱼设施的鱼道进口，以帮助鱼类进入正确的鱼道，避免错误引导而造成死亡。为此，根据挡水建筑物设置在潮水上涨的位置，分四种情况设置鱼道进口（为了便于分析，设定“鱼道进口”和“鱼道入口”两个概念，其中，“鱼道进口”表示整体鱼道口的概念，“鱼道入口”表示单个鱼道口的概念）：

（1）当挡水建筑物设置在小潮高潮线以下河段时，河段的鱼道进口受到大潮、中潮和小潮的影响，按照大潮、中潮和小潮点水位设置鱼道入口。

（2）当挡水建筑物设置在中潮高潮线和小潮高潮线之间河段时，受到大潮和中潮的影响，按照大潮和中潮点水位设置鱼道入口。

（3）当挡水建筑物设置在大潮高潮线和中潮高潮线之间河段时，只受到大潮的影响，按照大潮点水位设置鱼道入口。

（4）当挡水建筑物设置在大潮高潮线以上河段时，挡水建筑物不受到潮汐水流的影响，按常规方法设置鱼道入口，即：按照正常河道水位设置鱼道入口。

实施例三：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于鱼道进口布置的细化。本实施例所述的鱼道为：挡水建筑物设置在小潮高潮线6以下河段，河段的鱼道进口受到大潮、中潮和小潮的影响，对应大潮落潮水位9、中潮落潮水位8、小潮落潮水位7和正常的河道水位14，分别布置大潮落潮水位鱼道入口12、中潮落潮水位鱼道入口11、小潮落潮水位鱼道入口10、正常河道水位鱼道入口13四个鱼道入口。

如图2所示，该河段的鱼道进口受到大潮、中潮和小潮的影响，对应大潮落潮水位、中潮落潮水位、小潮落潮水位和正常的河道水位，分别布置大潮落潮水位鱼道入口、中潮落潮水位鱼道入口、小潮落潮水位鱼道入口、正常河道水位鱼道入口等四个鱼道入口，以便鱼道运行适应落潮过程。即：根据落潮过程中河道水位变化，选择开启相应水位的鱼道入口，关闭其他鱼道入口，以便鱼类能在适宜的水深条件下进入鱼道。对应的大潮落潮水位、中潮落潮水位、小潮落潮水位和正常的河道水位即为鱼道入口设计水位。

实施例四：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于鱼道进口布置的细化。本实施例所述的鱼道为：挡水建筑物设置在中潮高潮线5和小潮高潮线6之间河段，河段的鱼道进口受到大潮和中潮的影响，鱼道进口不受到小潮的影响，对应大潮落潮水位、中潮落潮水位和正常的河道水位，分别布置大潮落潮水位鱼道入口16、中潮落潮水位鱼道入口15、正常河道水位鱼道入口17三个鱼道入口。

如图3所示，该河段的鱼道进口，鱼道进口不受到小潮的影响。此时，对应大潮落潮水位、中潮落潮水位和正常的河道水位，分别布置三个鱼道入口，以便鱼道运行适应落潮过程。即，根据落潮过程中河道水位变化，选择开启相应水位的鱼道入口，关闭其他鱼道入口，以便鱼类能在适宜的水深条件下进入鱼道。对应的大潮落潮水位、中潮落潮水位和正常的河道水位即为鱼道入口设计水位。

实施例五：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于鱼道进口布置的细化。本实施例所述的鱼道为：挡水建筑物设置在大潮高潮线4和中潮高潮线5之间河段，河段的鱼道进口受到大潮的影响，鱼道进口不受到中潮和小潮的影响，对应大潮落潮水位和正常的河道水位，分别布置大潮落潮水位鱼道入口18和正常河道水位鱼道入口19两个鱼道入口。

如图4所示，该河段的鱼道进口受到大潮的影响，鱼道进口不受到中潮和小潮的影响。此时，对应大潮落潮水位和正常的河道水位，分别布置两个进口，以便鱼道运行适应落潮过程。即，根据落潮过程中河道水位变化，选择开启相应水位的鱼道入口，关闭其他鱼道入口，以便鱼类能在适宜的水深条件下进入鱼道。对应的大潮落潮水位和正常的河道水位即为鱼道进口设计水位。

实施例六：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于鱼道进口布置的细化。本实施例所述的鱼道为：挡水建筑物设置在大潮高潮线以上河段，挡水建筑物不受到潮汐水流的影响，按正常河道水位设置鱼道入口。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如鱼道或鱼道入口的形式、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。