河口新型仿生态鱼道水力设计方法与流程

本发明涉及过鱼设施工程建设领域，具体的说是河口新型仿生态鱼道水力设计方法。

背景技术：

水利工程在防洪、发电、灌溉等方面发挥了巨大的社会经济效益。但在天然河流上修建永久性拦河建筑物后，截断了河流自上而下的物质与能量输移，这对完成生活史过程中需要进行大范围迁移的洄游性和半洄游性水生物，往往是毁灭性打击，由于这些水生物不能到达原来的繁殖场、索饵场或越冬场去完成生活史，导致资源量受到严重影响，种群遗传多样性下降，鱼类品质退化，珍稀濒危的鱼类面临绝迹的风险。江苏省扬州地区三河和万福闸的建设，切断了湖泊与长江的鱼类洄游路线，曾使洪泽湖的水产资源的总产量下降71-79%，长江上溯鱼类减少57%，经济价值大的鱼类明显减小，杂鱼明显增加，鳗鱼及蟹类几乎绝迹。事实上，任何一项水利工程其本质上应该是生态工程，水利工程在改变自然为人类造福的同时不应以破坏生态为代价，鱼类是自然河川的主人，鱼道是闸坝为鱼类洄游而兴建的一种过鱼建筑物，是保护天然渔业资源、达到生物多样性及可持续发展的重要措施，其成功与否是河流生态系统健康的重要评价指标。世界上最早的鱼道出现在法国，1662年法国西南部的贝阿尔省首次颁布规定，要求在堰、坝上建造鱼类上下行的通道，以利水生物上溯。20世纪60年代后，鱼道在美国、加拿大、欧洲及日本得到了长足发展，但真正成功的鱼道并不多，1991年北非塞布河加尔德大坝修建的鱼道就不适合当地河流中的西鲱鱼的上溯；澳大利亚的新南威尔士，20世纪80年代中期由于采用设计标准不适应当地鱼类，最终被评定为无效，日本、中国台湾地区也发生过类似情况。我国直到1958年才首次在浙江富春江七里垅电站建设中进行有关鱼道的科学实验，鱼道的发展整整落后欧洲发达国家约300年。我国河口鱼类种类繁多、生物多样性高、生态系统和水流条件十分复杂，因此，迫切需要研发适合河口鱼类行为特点的仿生态鱼道技术以满足我国生态文明建设和社会进步的需要。

从包括中国专利在内的有关资料检索表明，目前国内外尚无河口新型仿生态鱼道水力设计方法的相关报道。

技术实现要素：

（1）要解决的技术问题

仿生态鱼道是过鱼效果最好，过鱼种类最广的过鱼设施。河口鱼类资源丰富，不同鱼种对水流条件的响应千差万别。而诸如像闽江这样的强潮河口，12个小时水位差可达4m以上，复杂的水流条件叠加不同的鱼种，使得如何应用结构措施创造出能满足不同鱼类行为特性的最佳水力条件，给出与河口仿生态鱼道结构相适应的水力设计方法，成为过鱼设施成败和目标鱼类成功上溯亟待解决的技术难题。

（2）技术方案

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：河口新型仿生态鱼道水力设计方法。其特征是：河口新型仿生态鱼道水力设计方法分四部分，一是调查收集工程区域鱼的种类和特征泳速、鱼道运行上下游水位以及河流的自然属性；二是确定新型仿生态鱼道的鱼室当量宽度、鱼室水深、鱼室长度和鱼道底坡；三是确定鱼室细部结构，包括断面形式、短隔板、长隔板、竖缝、卵石堆砌隔墙、纵向孔板；四是确定鱼道运行流量和高低流速。

新型仿生态鱼道的鱼室当量宽度、鱼室水深、鱼室长度和鱼道底坡由下式确定

鱼室当量宽度(1)

其中为最大过鱼对象体长（m），为生态流量条件下工程区域自然河流宽度（m），为工程区域过鱼对象种类数，为工程区域鱼类总数，为过鱼对象最大平均体长（m）。

(2)

其中为第i种过鱼对象最大体长（m）。

鱼室水深（3）

鱼室长度(4)

鱼道底坡(5)

其中为天然河道坡降，为过鱼对象最大极限泳速（m/s），为过鱼对象最小感应流速（m/s）。

鱼室细部结构由下式确定

鱼室断面

（6）

b1:b2:b3:b4=1:1.925:2.1:0.25(7)

其中b1、b2、b3、b4为由矩形和直角梯形组成的符合断面体型参数，单位（m）

短隔板

短隔板长度（8）

短隔板隔板厚度（9）

短隔板转角半径（10）

中心角90°

长隔板

长隔板长度（11）

长隔板隔板厚度（12）

长隔板转角半径（13）

中心角90°

竖缝

竖缝宽度：（14）

卵石堆砌隔墙

卵石堆砌墙高度：（15）

卵石堆砌隔墙底宽：（16）

卵石堆砌隔墙顶宽：(17)

卵石堆砌隔墙厚度：（18）

卵石堆砌隔墙符合断面体型参数，单位m

开孔率及分布：

随机孔隙率通过卵石级配控制形成，即采用20cm、12cm、4cm三种卵石，其中20cm的大粒径卵石约占隔板体积的75%，12cm的中等粒径卵石约占隔板体积的15%，4cm的小粒径卵石约占隔板体积的10%。平均孔隙率控制为39%

卵石堆砌隔墙人工开孔直径：（19）

卵石堆砌隔墙人工开孔竖向间距：（20）

卵石堆砌隔墙人工开孔水平间距：(21)

s通道曲率半径：(22)

纵向孔板

长度：(23)

孔直径：(24)

纵向孔板人工开孔竖向间距：(25)

纵向孔板人工开孔水平间距：(26)

鱼道运行流量和高低流速由下式确定

鱼道运行流量(27)

其中为鱼道上下游水头差（m），单位为（m³/s）

卵石堆砌隔墙平均过水流速

卵石堆砌隔墙过水面积

（28）

卵石堆砌隔墙平均过水流速

(29)

其中为卵石堆砌隔墙孔隙率，试验测定为39%，卵石堆砌墙区域流速不均匀系数，均值1.10

竖缝平均过水流速

竖缝过水面积：(30)

竖缝平均过水流速：(31)

竖缝区域流速不均匀系数，均值1.72

（3）本发明的有益效果

这样设计出来的河口仿生态鱼道，有丰富的流场特性，能够满足不同鱼类上溯的水流条件，过鱼效率高，且能满足河口水位波幅大的要求，对保护生物多样性及河流的联通性，具有重要社会经济和环境效益。

附图说明

图1是本发明鱼室平面图

图2是本发明鱼室剖面图

图3是本发明莒口鱼道工程整体平面布置图

图4是本发明莒口鱼室平面图

图5是本发明莒口鱼室剖面图

图6是本发明莒口鱼室短隔板、长隔板和纵向孔板详图

图7是本发明莒口卵石堆砌隔墙详图

图中标号：长隔板1，竖缝2，短隔板3，卵石堆砌隔墙4，s型过鱼孔5，纵向孔板6，鱼室底宽，鱼室顶宽，鱼室高度，鱼室底部矩形高度，卵石堆砌隔墙底宽，卵石堆砌隔墙底宽。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

第一步：鱼的种类和特征泳速、鱼道运行上下游水位以及河流自然属性获取

根据闽江下游（竹岐大桥下游）以及大樟溪干流界竹口水电站以下鱼类资源调查结果，大樟溪干流界竹口水电站以下共采集鱼类61种，隶属于5目13科47属，确定过鱼对象17种，缺1种资料，以16种计算，过鱼对象种类与特征流速见表1。最大过鱼对象体长0.6m，最大平均体长0.30375m，过鱼对象最大极限流速1.56m/s、最小感应流速0.08m/s。过鱼期标准水流条件，上游为正常高水位9.00m，下游最不利水位-0.11m（低进口最低水位）。

表1靶鱼种类与特征流速

莒口鱼道位于永泰县塘前乡莒口村下游1.2km大樟溪干流上，河道平均坡降0.1%，生态流量13.8m³/s时工程区域相应河宽160m。

第二步：确定仿生态鱼道鱼室当量宽度b、鱼室水深h、鱼室长度l和鱼道底坡i

根据式（1）、（2）确定鱼室当量宽度b=2.925m

即

过鱼对象最大平均体长

根据式（3）确定

鱼室水深，取2m。

根据式（4）确定

鱼室长度，取4.5m。

根据式（5）式确定鱼道底坡

，取1/136.7

第三步:鱼室细部结构确定

根据式（6）确定鱼室断面底宽

根据式（7）确定

鱼室断面顶宽，鱼室高度

根据式（8）确定短隔板长度

根据式（9）确定短隔板厚度

根据式（10）确定短隔板转角半径

中心角90°

根据式（11）确定长隔板长度

根据式（12）确定长隔板隔板厚度

根据式（13）确定长隔板转角半径

中心角90°

根据式（14）确定竖缝宽度：

根据式（15）确定卵石堆砌墙高度：

根据式（16）确定卵石堆砌隔墙底宽：

根据式（17）确定卵石堆砌隔墙顶宽：

根据式（18）确定卵石堆砌隔墙厚度：

根据式（19）确定卵石堆砌隔墙人工开孔直径：

根据式（20）确定卵石堆砌隔墙人工开孔竖向间距：

根据式（21）确定卵石堆砌隔墙人工开孔水平间距：

根据式（22）确定卵石堆砌隔墙s通道曲率半径：

根据式（23）确定纵向孔板长度：

根据式（24）确定纵向孔板孔直径：

根据式（25）确定纵向孔板开孔的竖向间距：

根据式（26）确定纵向孔板开孔水平间距：

第四步：确定鱼道运行流量和高低流速

根据式（27）确定上游正常高水位9.00m，下游最低水位-0.11m时，鱼道流量

根据式（28）确定卵石堆砌隔墙面积

根据式（29）确定卵石堆砌隔墙平均过水流速，流速波动值0.3～0.4（m/s）

根据式（30）确定竖缝过水面积

根据式（31）确定竖缝平均过水流速，流速波动值0.6～0.88（m/s）

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。