黑水河松新电站鱼道设计

松新电站鱼道建设对提高黑水河鱼类栖息地质量、改善鱼类生境具有重要意义。在鱼类游泳能力测试与数值模拟基础上,对过鱼对象、流速设计、运行水位、进出口高程、鱼道布置以及隔板结构进行了分析。分析表明:带有45°导向角的异侧竖缝式鱼道更适宜松新鱼道过鱼对象进行上溯,鱼道进口流速宜介于0.7～1.0 m/s,竖缝流速宜介于0.8～1.1 m/s。结合工程特点在鱼道进口处设计的补水设施,将扩大鱼道水流影响范围,增加鱼道进口诱鱼效果,提高鱼道运行效率。图8幅,表2个。     

关门嘴子水库鱼道进口河段水力特性数值模拟研究

鱼道进口是鱼类上溯的第一步,必须使洄游鱼类尽可能发现鱼道进口,鱼道进口附近水流条件至关重要,甚至可能成为影响过鱼设施运行成败的关键。本文以关门嘴子水库鱼道为例,结合枢纽的运行情况,采用二维数值仿真模型,对拦河坝下游河道水流条件进行研究。研究结果表明,研究区域附近水流流速均大于保护鱼类的感应流速0.20 m/s,小于保护鱼类的极限流速1.20 m/s,从水力学角度能满足鱼类洄游要求,原方案拟定的鱼道进口位置较为合理。研究结果可为鱼道进口的布置提供参考。     

藏木电站鱼道进口补水系统设计

藏木电站鱼道流量为0.27~0.74 m3/s,电站发电引用流量为1 071.30 m3/s,鱼道流量仅占发电引用流量的0.025%~0.069%,比例较小,鱼道进口不易被上溯鱼发现。鱼道设计时,常采用对鱼道进行补水达到增流诱鱼的效果。本文通过对藏木电站鱼道进口补水系统的计算、设计,确定了鱼道的补水方案,鱼道过鱼效果研究成果及藏木电站运行情况表明:鱼道增流诱鱼的效果良好,上溯鱼顺利进入鱼道进口。     

竖缝式鱼道水力特性与鱼类运动特性相关性分析

竖缝式鱼道(Vertical Slot Fishway,VSF)作为一种协助上溯性鱼类恢复其洄游通道的生态补偿措施,受到广泛关注。其过鱼效果与VSF的水力特性和鱼类的游泳运动能力密切相关。因而,良好的VSF设计应保证池室内的水力特性与过鱼对象的游泳运动能力相适宜。本文选取上溯性鱼类鳙鱼和草鱼为研究对象,将VSF池室内水力因子空间分布与鱼类运动轨迹相叠加,定量分析了鳙鱼和草鱼在上溯过程中的运动特性、水力偏好以及鱼类运动轨迹与特定水力因子的相关程度。试验结果表明:在流量为0.135 m3/s的VSF池室内,两种鱼喜好在紊动能为0.02~0.035 m2/s2、流速为0.16~0.4 m/s、紊动耗散率为0.02~0.04 m2/s3、应变率为2~3.5 s-1的范围内运动。鳙鱼和草鱼在不同水力区域内的上溯时间与紊动能、流速相关性较大;水流流速矢量体现鱼的趋流特性,决定了鱼的上溯方向,而对于局部空间内鱼的游泳运动行为,紊动能可能是影响更直接的水力因子。     

基于鱼类集群及上溯通道分析的鱼道进口位置论证

为确保大渡河龚嘴水电站鱼道能够成功过鱼,基于龚嘴水电站坝下河段鱼类集群分布的水声学观测结果,结合研究河段水流条件,分析鱼类集群分布特征,并根据主要过鱼对象关于水力学因子的适宜性特征,提取坝下河段鱼类主要上溯通道,论证龚嘴水电站鱼道进口布置方案。结果表明:坝下河段鱼类垂向分布范围为1.15~11.62 m,主要分布在中下层水域;鱼群主要集中在河段中上游区域;鱼类上溯通道分布于靠近两侧河岸的水域,流速为0.1~1.2 m/s;在北纬29.290°~29.292°范围内,存在横跨整个河宽的鱼类集中分布区域,说明该区域内流场条件能够较好地满足河段过鱼对象的上溯需求。本研究从鱼类集群及上溯通道分布两个方面对鱼道进口布置进行论证,提出较合理的鱼道进鱼口位置,研究结果可为其他水电站鱼道进口布置提供参考。     

大渡河枕头坝一级水电站鱼道设计研究

枕头坝一级水电站位于大渡河干流上,为减缓工程对鱼类的不利影响,提出了修建鱼道来改善大坝上下游鱼类种群交流.枕头坝一级水电站鱼道工程设计总长1 241.74 m,是目前国内已建和在建规模最大的鱼道工程.在鱼类游泳能力测试和水力学模型试验的基础上,对鱼道的过鱼对象、鱼道建筑物设计进行了研究.最终确定,枕头坝一级水电站采用单侧竖缝式鱼道,鱼道内过鱼孔流速建议为1.10～1.25 m/s;进口流速应大于0.15～1.3 m/s;鱼道设置3个进口,并增设诱鱼系统;还在鱼道进口和出口分别设置1个观察室,以便指导调整鱼道运行方式.     

不同位置与朝向的鱼道进口水流特性研究

通过改变鱼道进口的不同朝向、鱼道进口与电站的相对距离,提出3种鱼道进口布置方式,并利用Flow-3D计算流体软件对这3种布置方式进行三维数值模拟。结果表明,相对于开口朝向与河道主流平行的进口C、F,开启开口朝向与河道主流垂直的鱼道进口B、E能够形成更大范围的目标鱼类偏好流速区域以及适合鱼类上溯的低紊动区域;距离电站尾水闸门较远的鱼道进口B、E能够形成范围更大的诱鱼水流,同时在其下游处产生的不利于目标鱼类上溯的高紊动区域也相对较小;相比于布置于岸边的鱼道,布置于河道中的鱼道更能提高鱼道的过鱼效率。该研究可为以后鱼道进口的布置提供理论依据。     

与鱼道水力设计相关的草鱼幼鱼游泳行为特性研究

在25±0.5℃水温条件下,针对体长在5.0~16.0 cm范围内的草鱼幼鱼,利用鱼类游泳行为测试水槽研究了与鱼道水力设计密切相关的草鱼幼鱼游泳特性指标和游泳行为,结果表明该体长范围的草鱼幼鱼平均感应流速为12.84 cm/s,突进游泳速度随着体长增加而线性增加,相对突进游速随着体长增加而线性减小,突进游速约为临界游速的1.05~1.28倍,而且鱼体越长,突进游速超出临界游速就越多。在突进游速试验过程中分析了流速快速变化对鱼类游泳行为的影响,发现试验鱼在适应流速变化过程中,顺流而下、逆流静止、逆流冲刺、逆流后退4种游泳行为相互穿插,并根据鱼类游泳状态的变化,将整个流速递增的游泳过程分为4个阶段,提出以草鱼为过鱼对象的鱼道池室主流最大流速不宜超过第1阶段的最大流速(草鱼幼鱼突进游速的52%~60%),对于竖缝、孔口等鱼道的高流速区,其最佳流速不应高于第2阶段的最大流速(突进游速的76%~79%),绝不可超过第3阶段的最大流速(突进游速的90%~96%)。研究成果补充了四大家鱼游泳特性指标,可为鱼道设计提供水力设计参数。     

不同流态对鱼道进口诱鱼效果影响的实验研究

拦河筑坝中断了河流的纵向连通性,阻碍了鱼类的顺利洄游,因而对鱼类的繁殖和河流生态平衡造成较大影响.鱼道可以帮助鱼类越过堰坝等洄游障碍物,而一个适宜的鱼道进口是保证鱼类顺利进入鱼道的关键.通过模型实验,以齐口裂腹鱼为实验对象,利用鱼类的趋流性,设计了十二种不同的工况,观察在不同工况下的过鱼效果.通过对实验现象的分析,发现进口处的流速为0.4 m/s时,对目标鱼类的吸引力最大,而当进口的流速分别为0.3 m/s和0.5m/s时,前者对鱼类的吸引力不足,后者目标鱼类的洄游成功率几乎为零.并比较了主河道小流速和大流速情况下鱼类洄游路径的差异,分析出趋流性在进口设计重要性.     

组合隔板式鱼道水力特性数值模拟研究

鱼道是为鱼类提供洄游通道的一种重要的工程措施。基于Flow-3D采用标准RNG k-ε紊流模型和Tru-VOF追踪自由液面方法,对鱼道池室内流场进行三维紊流数值模拟,研究池室内水流流速、流态空间分布,分析鱼道的水力特性对目标鱼类洄游上溯的影响。结果表明:溢流堰与竖缝组合隔板式鱼道在设计流速v=0.75 m/s条件下,竖缝处平均流速为0.83 m/s,竖缝处流速分布范围为0.76~0.89 m/s;堰上流速为0.90~1.12 m/s,回流区流速分布范围为0.09~0.25 m/s,流速大小在鱼类的克流能力范围之内,但靠竖缝隔板处存在明显的主流贴壁现象。为此开展了池室优化方案设计,使鱼道池室流态满足鱼类上溯要求。     

齐口裂腹鱼幼鱼在竖缝式鱼道模型中的上溯行为研究

为了解齐口裂腹鱼在鱼道中的上溯情况,在大比尺竖缝式鱼道物理模型中开展了以齐口裂腹鱼幼鱼为过鱼对象的过鱼试验研究。试验中对通过时间、通过率和上溯轨迹进行了记录,并运用Spearman秩相关分析对齐口裂腹鱼的上溯轨迹和池室结构的水力因子(流速、紊动能、总水力应变)进行了分析。研究发现,试验用鱼通过时间平均值为132.7s,多数鱼倾向于快速通过鱼道完成上溯。试验鱼道通过率为71.9%,过鱼效果良好。多数齐口裂腹鱼上溯过程中会避开高流速区、高紊动能区和高水力应变区,在池室内齐口裂腹鱼上溯轨迹主要分布于上述参数较低的右侧回流区和隔板背水面,竖缝断面处多数齐口裂腹鱼选择上述参数相对较低的隔板侧区域通过。研究结果可为相关竖缝式鱼道设计和实践提供参考。     

大坝泄水对鱼类洄游能力的影响研究

大坝的建设将天然河道分隔成上、下两个环境单元,改变了河道的流量、流速和水位等水文要素,使原有的水力条件及生态环境都发生了变化,对鱼类的洄游、繁殖和生长等都产生较大影响。以江河湖泊常见鱼种—成年鲤为研究对象,以0.02 m~3/s为基础流量,按照0.01 m~3/s的流量递增进行大坝泄水模拟实验;采用声学信号监测技术监测成年鲤在不同泄水量下的洄游能力及游泳轨迹,分析不同泄水量的河道流场并与鱼类游泳轨迹进行拟合,研究不同流速对鱼类洄游能力的影响。结果表明:成年鲤的洄游距离、游泳速度随着河道流速增大而逐渐减小,成年鲤洄游开始出现困难、开始出现逆流后退以及无法洄游时河道流速分别为0.42,0.48 m/s和0.62 m/s;泄水量每增加一个0.01 m~3/s流量梯度,成年鲤洄游距离约减少1.5 m,说明随着河道流速增大鱼类洄游轨迹变化是一个逐渐收敛的过程。大坝泄水过程同时还会造成氮气和氧气过饱和、改变水体温度和浊度从而对鱼类生存环境、繁殖及鱼类资源造成影响。     

过鱼设施进口及吸引流设计

利用过鱼设施效果评价模型,分析得到过鱼设施进口吸引流是影响过鱼设施效果的关键因素。通过研究我国过鱼设施现状,指出我国过鱼设施在进口吸引流设计方面存在的不足。结合水利水电工程特性,从过鱼设施吸引流和竞争流的角度出发,给出了过鱼设施位置、进口位置、进口朝向、进口吸引流流量和流速等关键问题的设计思路,并提出了过鱼设施进口概化模型。     

仿自然鱼道的一般布置原则及数值模拟研究

拟建的阁山水库会阻断鱼类的洄游通道,为解决鱼类上溯问题,将同时布置仿自然鱼道。基于 仿自然鱼道的一般布置原则,建立了适合研究仿自然鱼道数值模拟的ＣＦＤ模型,并通过物理模型试验研 究成果进行了模型验证和率定。在此基础上对鱼道不同的障碍物布置尺寸和间距开展了优化比较,通 过研究鱼道内的流速分布及流量等水力参数,确定了较合理的障碍物布置形式。研究表明,增大障碍物 的尺寸和减小障碍物的间距均可以增强对水流的阻碍作用。综合分析后推荐本鱼道工程障碍物布置的 较合理形式为:高2．0ｍ,长4．0ｍ,宽2．5ｍ,间距10ｍ。此布置形式在设计工况下,鱼道内的流速范围 为0．3ｍ／ｓ～1．2ｍ／ｓ,主流明确,能够满足各种鱼类的上溯要求。     

三峡水库开县水位调节坝鱼道工程设计

三峡水库开县水位调节坝工程的兴建,给流域内洄游性鱼类的繁殖带来不利影响,为此,拟修建鱼道作为沟通鱼类洄游的一项重要补救措施。首先论述了国内外现有鱼道工程的运行效果及先进技术,并结合水位调节坝工程特点,确定采用竖缝式鱼道型式。系统介绍了鱼道设计条件拟定、鱼道布置、池室设计、进口及诱鱼补水设计、出口结构、过鱼观测室设计及鱼道水工模型试验等情况,提出了较为系统的鱼道设计方案。     

环形波纹钢管涵洞式鱼道水力特性数值模拟

环形波纹钢管涵洞式鱼道内波纹的粗糙度可以使边界附近产生足够低的流速,鱼类可以由此游向上游。对3种流量0.05,0.07,0.09 m3/s,3种埋深0D,0.1D,0.2D,坡度0.4%工况下,环形波纹钢管涵洞式鱼道内水面线、流速场和紊流场分布分别进行了数值模拟研究。结果表明环形波纹钢管涵洞中,高流速区（无量纲流速大于0.9）位于涵洞过水断面中心区域,高紊流区（紊流强度大于0.2）位于水面中心附近。在涵洞底部边壁附近较大区域内,由于流速较小,紊流强度也较低（紊流强度小于0.1）,鱼类可以由此顺利完成上溯。相比无埋深式涵洞,嵌入式涵洞内平均流速较小,紊流强度变化较为平缓,更有利于鱼类的洄游。     

鱼道进口补水消能数值模拟研究

鱼道设计中常采用进口段开挖设置补水消能池的方式提高鱼道进口流速,强化其诱鱼、集鱼、进鱼能力。而补水水体与消能池水体掺混,会对鱼道内水体产生明显扰动,导致鱼道内（消能池部位）流态紊乱。为了能够完整捕捉尺度小、变化复杂的紊动流场结构,获得适合鱼类洄游的紊动能分布,采用三维数学模型对某电站鱼道进口补水消能复杂三维流场进行模拟研究,求解紊动能参数,优化了盖板补水消能方案。研究结果表明：在消能池顶部设置盖板,补水水流自盖板间的缝隙进入鱼道,可强制将大尺度紊流涡团变成小尺度涡团,涡团尺度变小后,黏性切应力易于将紊动能转化成内能而耗散掉,使鱼道内紊动能降低;另外,通过调整盖板缝宽,使补水出流相对均匀,也可降低紊动能;缝宽首尾窄、中间宽的布置型式使各缝隙垂向流速分布较为均匀,有利于鱼类洄游。研究成果可为此类工程过鱼设施进口段设计提供科学理论依据,以获得稳定、均匀的补水水流,提高鱼道进鱼能力。     

Path Selection of Atlantic Salmon (Salmo salar) Migrating Through a Fishway

We constructed a model that predicted path selection of Atlantic salmon. Our basic assumption for the model was that Atlantic salmon optimize migration by selecting a path that minimizes water resistance. The model prediction was compared with observations in a fishway, and the results were within expectations. It appeared like the fishway design and flow configuration at our study site caused some problems for the fish to discover both of the available paths. Therefore, only 53% of female fish and 67% of male fish selected the optimal path in the beginning of the fishway, but 92% of female fish and 97% of male fish selected the optimal path at the end of the fishway. Velocity over ground was very low, which is likely because every weir in the fishway was an obstacle for the fish. This knowledge can be used to improve future fishway design, or improve flow configuration for existing fishways. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.