基于竖缝式与仿生态式相结合的鱼道水力特性研究
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作者:陈申
摘 要：在社会和经济发展过程中，水库大坝不仅利用水资源进行发电、防洪以及灌溉，还应成为生态环境可持续发展的重要载体。利用水库大坝与生态环境建立连通关系，为水域中的洄游鱼类提供繁殖通道的同时，还应模拟鱼道的水力特性，以便减少对洄游鱼类的影响。本文围绕竖缝式与仿生态式相结合的鱼道水力特性展开讨论，既要充分利用河道的变化趋势，为洄游鱼类营造良好的生存环境，还要最大程度保护生态环境。
关键词：竖缝式;仿生态式;鱼道水力特性
我国现有的水库大坝，具备防洪发电功能的同时，还应合理利用河道水流的连通能力，减少对河道的破坏，使水库范围内的河道资源得到有效的保护，尤其是为洄游鱼类提供繁殖路径，避免影响到洄游鱼类的生长过程。所以保持河流的连通性，是水库大坝与生态环境和谐相处的有效途径。
1 设计方案的流速与水面线
模拟自然环境中的洄游鱼类，在设计方案中模拟河道的流速以及水面线，需要控制河道内的水流速。在河道的不同位置，将流速控制在0.6-1.5米每秒状态下，通过模拟试验可知，若速度在0.83-0.93米每秒时，此时为鱼类洄游的最佳速度。将河道上游的河道断面内的速度控制在1米每秒以下，可以在下游河道内减少产生的冲击流量。在仿自然河流状态下对水面线进行研究时，若水坝的溢流区域内水流速度增加，水面线平均高度会增加，若控制水流的速度，会使水面线保持在稳定状态，有利于为洄游鱼类营造良好的生存环境。
2 目标鱼类及习性
在对某流域内的河道中、下游鱼类生存情况进行分析时，由于该流域内建设一座航电枢纽工程，会对洄游鱼类造成影响，为保证洄游鱼类顺利地通过枢纽，既要对目标鱼类以及习性进行分析，根据分析结果增设鱼道，还要保证枢纽的正常运行。在该流域内的洄游鱼类超过80种，主要涉及四个鱼种，分别为家鱼、鳤鱼、鳡鱼以及银鲴鱼。根据上述鱼种的洄游习惯，在鱼类洄游过程中，会在临近的湖泊内觅食，在觅食期间生长到一定程度后，会进入到河道参与到洄游中。在鱼类进入到洄游期间，鱼类会在干流或者流速较快的区域内进行繁殖，而在洄游期间会选择水流稳定的环境。
3 模型设计
在进行鱼道模型设计过程中，采用竖缝式方法，配合使用仿生态方法，在鱼类进入到河道的进口和出口位置，设立竖缝式布置型模型。在模型的中部，为鱼类营造仿生生态环境，同时在鱼道的进口、出口等位置，缩短仿生生态环境距离，使整个河道保持在自然状态，使研究过程中可以确定水流的速度以及水面线等参数。
在制作鱼道模型时，使用有机玻璃作为材料，可将模型糙率保持在0.0086，按照换算方法河道实际的糙率为0.0126。在鱼道竖缝段使用混凝土糙率，糙率在0.013-0.014范围内，模型状态下的鱼道竖缝段的水流流速、水面线等相关参数，与实际河道环境相近。模型中的鱼道使用水泥砂浆材料制作竖缝段，糙率控制在0.017-0.027范围内。在模型中的鱼道进行仿生试验时，在竖缝段的隔板等控制装置，均使用有机玻璃材料制成。
4 测点布置
在鱼道进行实验时，在竖缝段、仿生段等位置，按照真实河道水深的0.8倍，设置最深段的河道深度，在中层和底层位置，按照0.5倍和0.3倍的水深，测量不同水深状态下的流速变化。在竖缝段内设置9个断面，一共设置52个检测点，在断面和短隔板位置作为河道上游，根据河道上游水流速度变化情况，在模拟河道内每间隔5cm处，应布置一个检测点，此外按照序号1-6的顺序，每个测点的距离应为2.5cm，将中间位置的测点距离控制在5cm。此外在仿生段模拟位置处，需要设置10个断面，所有断面内设置73个测点。
5 试验成果分析
根据模拟试验过程获得的结果，按照鱼类的洄游过程以及习性，通过模拟真实河道每个位置的水流状态，包括水流速度以及水面线变化情况，将竖缝段、仿生段作为池室，对池室河流流经产生的变化进行全面的分析，既能得到相关的研究成果，还能为河道鱼类洄游过程实施相应的保护措施提供参考依据。
6 沿程水深变化
利用模拟河道的变化过程，若在鱼道到上游出口位置，将水深控制在220m，此时下游鱼道与进口相连，根据模拟结果可知，两座相邻的池室内的水位变化，会控制在0.2m以下，最小水位为0.06m。若在鱼道的上游位置作为出口，此时水深仍为220m，与出口相連后，不会出现水位差。在竖缝段的池室进行模拟时，河道池室衔接断面宽度和深度都会减少，此时应相应地缩小模拟河道的宽度和水面，但是水深会增加，并且产生的水位在0.04m。
利用模拟河道的变化过程，将河道内每个池室的水深控制在2.5m，并且稳定相邻池室的水深，避免水深发生变化影响到模拟效果。结合工况1的水深模拟情况，在竖缝段的池室，水面逐渐扩大过程中，水深会减少，减少值为0.05m。若在仿生段的池室内，将水面宽度缩小，此时水深增加，增加值为0.04m。
7 结语
综上所述，在洄游鱼类的河道上建设大型水坝，会对鱼类的繁殖过程造成影响。采用竖缝式结合仿生式方法，结合河道实际情况进行模拟试验，一方面实时测量水流速度以及水面线对鱼类洄游的影响，另一方面利用模拟数据，调整真实河道池室的位置，将河道内的水流控制在合理的范围内，既要避免过大的水流影响到鱼类的洄游过程，还要根据模拟结果合理规划水坝建筑物的位置，减少对洄游鱼类的影响。
参考文献：
[1]宣国祥，郑飞东，黄岳.仿自然鱼道整体物理模型试验研究[J].水科学进展，2017（06）：38.
[2]戴会超，戎贵文，袁岳.竖缝位置对竖缝式鱼道水力特性的影响[J].水利水电科技进展，2017（05）：190.
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