竖缝式鱼道设计与研究

鱼道作为缓解水库闸坝工程对鱼类洄游和繁殖造成不利影响的措施之一,近年来越来越受到重视。本文主要介绍了国内外对竖缝式鱼道的设计和研究进展,总结了竖缝式鱼道的主要设计内容,包括鱼道基本参数、结构尺寸、进出口布置和辅助设施等方面,并以某河流鱼道为具体案例进行了较为详细的介绍。     

竖缝位置对竖缝式鱼道水力特性的影响

为了分析竖缝位置对竖缝式鱼道池室内水力特性的影响,采用RNG k-ε湍流模型和速度-压力耦合SIMPLE算法对不同工况的鱼道进行了数值模拟。模拟结果表明:竖缝位置对主流的形态、主流流速的衰减及竖缝处流速分布影响不大;竖缝位置改变了主流区在池室内的位置,进而影响回流区的分布、大小和流场,竖缝位置距池室侧壁为池室宽度的25%~35%时,池室内水流流态较合理,能够显著提高过鱼效率。     

竖缝式鱼道的水力特性研究

竖缝式鱼道因其过鱼效率高、对水位变化的适应能力强等技术优势而在国内外得到了广泛的工程应用。采用数值模拟计算方法,对竖缝断面平均流速分别为0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0m/s条件下竖缝式鱼道的水流结构进行了计算研究。研究结果表明,在0.8~2.0m/s范围内,竖缝断面平均流速值的大小对于各级水池内主流区分布、主流流速的沿程衰减规律以及竖缝断面流速分布并无显著影响,表明作者早先研究取得的研究成果具有较好的普适性。在此基础上,进一步研究了竖缝断面流速分布与各级水池内主流流速分布的变化规律。     

竖缝式鱼道细部结构改进研究

本文针对鱼道细部结构进行改进研究,提出了流线型墩头的布置型式。采用数值模拟的方法对不同墩头型式的鱼道进行水力特性对比分析,并对流线型墩头的鱼道进行试验研究。结果表明:与折线型墩头相比,流线型墩头不会导致鱼道水池内水流结构的显著改变;主流横向偏转程度有所减缓,横向扩散加大,有利于主流流速的沿程衰减;而竖缝控制断面局部水头损失减少,需采用较小的鱼道底坡以控制竖缝断面流速。鉴于流线型墩头能避免折线型墩头对上溯鱼类可能造成的物理伤害,条件允许时可考虑采用。     

异侧竖缝式鱼道水力特性数值模拟优化研究

文章以江西省峡江水利枢纽鱼道工程为例,基于实测数据验证鱼道水力模型,采用RNGk-ε湍流模型耦合VOF法对异侧竖缝式鱼道池室结构展开数值模拟研究。结果表明：鱼道横隔板采用竖缝尺寸0.6m,竖缝相对宽度为0.20时,竖缝断面最大流速1.18m/s,主流流速集中分布在0.95～1.15m/s,满足主要过鱼对象上溯条件;在鱼道1/2休息池室长度处,增设长宽比为2.5,高度3.5m, 30°导角的导板,休息池主流区平均流速0.83m/s,回流区平均流速0.30m/s,且能够形成3个大小适宜的区域供给鱼类休息。     

异侧竖缝式鱼道水力特性研究

为了对异侧竖缝式鱼道的水力特性进行系统研究,设计了带隔板的玻璃水槽,对该型式鱼道进行了试验模拟。测量了鱼道池室内的流速分布,分析讨论了不同竖缝宽度和池室长度下的无量纲流速分布特征和断面最大流速沿程衰减情况;提出主流轨迹的拟合公式,并比较分析了试验异侧竖缝式鱼道的水流特性。结果表明,该型式室内鱼道水流为二维流态。确定了主流流速与竖逢平均流速的比值范围。该试验结果可供相关设计及科研参考使用。     

竖缝式鱼道梯形断面池室水动力学特性研究

水利工程建设一定程度上破坏了河流的纵向连接,改变了河流的生态系统,鱼道成为鱼类逆流而上的关键洄游通道.采用三维紊流模型对常规的竖缝式矩形池室鱼道及新设计的竖缝式梯形池室鱼道分别开展了数值模拟计算,分析了相同流量及水位条件下两种池室的水流结构、流速及紊动能分布规律.对比发现:梯形池室回流区范围较大,回流区流速较小,且竖缝...     

同侧竖缝式鱼道结构优化数值模拟研究

鱼道是保证鱼类能顺利洄游的过鱼设施。通过竖缝相对宽度分别为0.05,0.10,0.15,0.30,底坡为10%的鱼道模型进行数值计算。采用可视化显示及数据分析的方法分析不同竖缝相对宽度、底坡条件下的同侧竖缝式鱼道的水流结构特征。通过模型模拟,分析水流沿水深方向的流速分布情况、主流区最大流速沿程分布及沿程衰减情况,以及在不同竖缝相对宽度和(或)不同流速情况下的紊动能分布情况。综合各物理量的分析,得出竖缝相对宽度b₀/B=0.15、底坡为10%时,水流在池室内能形成较好的适合鱼类洄游的流态:主流区水流横向扩散范围适中,主流区最大流速沿程均匀衰减,回流区面积较为对称,流速较小。     

隔板型式对竖缝式鱼道水力特性的影响研究

通过改变隔板中竖缝的位置和数量,构造四种不同型式的竖缝式鱼道,利用计算流体动力学分析工具,获得了不同工况下四种鱼道模型的三维流场。研究表明:同一鱼道型式、同一底坡,其主流曲线形式(池室内水流形态)与流量变化无关。研究结果可为鱼道设计提供参考。     

竖缝式鱼道水流结构的数值模拟

对竖缝式鱼道的水流结构进行了数值模拟计算,系统研究了鱼道水池长宽比和隔板墩头布置体型对水池内水流流态的影响。研究表明,鱼道水池长宽比是影响竖缝式鱼道水流结构的主要控制因素,长宽比在8∶8～10.5∶8的范围内,可以获得较好的流态。研究还表明,隔板是否设置墩头对水流结构的影响有限,从避免漂浮物滞留与防止泥沙淤积角度看,在实际的鱼道工程中可考虑不设隔板墩头。     

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。     

竖缝式鱼道休息池水力特性研究

目前竖缝式鱼道在全国乃至世界均得到了广泛的应用,已有研究表明,水池的长宽比、导板长度、导向角等参数影响竖缝式鱼道的水流结构。文章在已有研究基础上合理取用竖缝式鱼道的长宽比、导板长度、导向角等参数,进一步分析研究休息池导向角对休息池水流结构的影响程度及合理的导向角取值范围。     

竖缝式鱼道休息池流态改善研究

休息池可为洄游鱼类上溯提供休憩场所,其流态特征是否合理将直接影响鱼类上溯效率。基于池室主流居中设计准则,通过建立三维数值模型,对竖缝式鱼道休息池进行体型优化工作,分析了增设整流板、调整整流板长度与宽度等措施对休息池内流态的影响规律。研究结果表明:增设整流板长度可有效改善休息池内主流贴壁流态,而整流板宽度调整对休息池内流态影响不大;增设整流板优化措施对休息池的紊动能影响甚微。在此基础上,发现同时增加导板与整流板长度至0.6 m为推荐优化方案。     

竖缝式鱼道的弯道布置与结构形式研究

采用数值模拟方法对圆弧形和矩形弯道结构的鱼池流场进行计算分析,并进行了物理模型试验验证。结果表明,矩形弯道布置与"L"形鱼池挡板结构形成的流场更符合鱼类洄游需求。     

同侧竖缝式鱼道直角转弯休息池段体型研究

竖缝式鱼道设计时需根据河道岸坡地形地质条件布置,多存在转弯段.结合某电站鱼道工程设计,采用物理模型和数值模拟相结合的方法开展了同侧竖缝式鱼道直角转弯休息池段的体型研究.对各种体型水流流态和流场分布进行的分析结果表明:转弯段上下游竖缝的布置位置对转弯段内的水流流态有较明显的影响,给出了上下游竖缝较为适宜的布置位置;在转弯...     

竖缝式鱼道90°转弯段水力特性研究

水流流态和紊动能是鱼道两个重要的水力特性,这两个因素是否合理,很大程度上决定了鱼道设计以及过鱼效果的好坏.以老口航运枢纽鱼道工程为原型,以1:1的比例建立数值模型,采用Flow-3D软件,对竖缝式鱼道90°转弯段的水力特性进行数值模拟研究,分析了竖缝式鱼道90°转弯段流态和紊动能分布、主流区沿程及垂向的流速和紊动能变化...     

水温对竖缝式鱼道中齐口裂腹鱼上溯行为影响试验研究

水温是影响鱼类上溯行为不可忽视的因素之一,本研究在竖缝式鱼道水工模型中进行了齐口裂腹鱼幼鱼的过鱼试验,研究的水温变化范围为13～21℃,通过提取通过率与通过时间参数对齐口裂腹鱼的上溯行为进行了定量分析,并采用统计分析软件SPSS进行了检验.研究发现在开展试验的水温范围内,水温对齐口裂腹鱼上溯行有显著影响(P=0.032...     

基于竖缝隔板的大底坡鱼道水力优化数值模拟

为了优化大底坡竖缝式鱼道池室水力特性,在验证物理模型的基础上,构建三维水动力数学模型,考虑5种大底坡坡度对竖缝有无隔板及竖缝隔板不同安装高度的池室水力分布进行了数值模拟分析。结果表明,竖缝设置隔板能有效减小池室最大流速和平均湍动能;当底坡为1/20时,池室最大流速下降率为10.16%~14.84%,平均湍动能下降率为21.88%~42.19%,主流最大流速衰减率为61.24%~61.82%,池室内形成了小流速、低湍动的Ω形连续性水流;改变竖缝隔板安装高度会影响隔板上下水深处的竖缝流速大小,但对隔板上下水深处的流速、湍动能、应变率的分布规律无显著影响。