内容简介
竖缝式鱼道是目前国内外运用*为广泛的鱼道布置方式之一。《竖缝式鱼道水力设计的理论与方法》介绍竖缝式鱼道的主要类型及国内外技术发展情况，基于水工模型试验、数值模拟计算分析与过鱼试验研究，建立竖缝式鱼道常规池室的设计原则与优化设计方法，并研究休息池、转弯段、分岔段等非常规池室的水力设计方法。针对库水位变幅较大的鱼道工程，提出鱼道出口与进口的优化设计方法，结合工程实例，介绍若干鱼道进口与出口布置的具体技术方法。部分章节结尾处附有其彩图二维码，扫码可见。
精彩书摘
**章绪论
1.1引言
本章简要回顾鱼道技术的发展历史，指出竖缝式鱼道是目前国内外运用*为广泛且应用效果*好的鱼道布置方式。针对前人已有的研究进行综述与分析，指出过鱼对象的游泳能力是鱼道水力设计的主要控制参数，而在实际鱼道工程中，如何确保鱼道进口良好的集诱鱼效果是鱼道成败的关键因素。人类为了发电、防洪、供水、灌溉、航运、景观等目的而在江河上修建了大量的闸坝建筑物（王琲，2016；陈凯麒等，2013，2012；Silva et al.，2012；Yagci，2010），尤其是随着社会事业的飞速发展，我国在珠江流域、长江流域、黄河流域、淮河流域、辽河流域、海河流域与松花江流域等主要水系上建设了诸多水工建筑物，2010～2012年**次全国水利普查数据（中华人民共和国水利部和中华人民共和国国家统计局，2013）显示：我国分布水库数量为98002座，其中已建与在建水库数量分别为97246座与756座；水电站数量为46758座，其中规模以上的水电站中已建与在建水电站数量分别为20866座与1324座；过流流量为1m3/s及以上的水闸数量为268476座，其中规模以上的水闸中已建与在建水闸数量分别为96226座与793座；橡胶坝数量为2685座。上述闸坝建筑物给人类带来了巨大经济效益与高质量生活保证，同时也对其周围环境造成了影响（梅峰顺和王玉华，2012；胡望斌等，2008；周世春，2007），其中*突出问题之一是闸坝建筑物阻断了江河的连通性、破坏了江河固有的自然属性，导致鱼类栖息地的水环境与水生态环境发生改变（易雨君和王兆印，2009），尤其对鱼类资源产生了不利影响（曹文宣等，2021，2011；Karisch and Power，1994），譬如鱼类产卵、越冬、索饵洄游活动延迟或终止，鱼类下行通过水轮机时遭受伤害与生态景观破碎等，上述不利影响将导致鱼类种群多样性丧失（施炜纲等，2009；黄亮，2006）、经济鱼类品质退化（于晓东等，2005；陈银瑞等，1998），甚至造成中华鲟等溯河性洄游鱼类种群濒临灭绝（杨宇，2007；刘绍平等，2002）。为了有效减缓闸坝建筑物阻挡江河连通性的不利影响、帮助恢复鱼类与其他生物物种在江河中的自由洄游，河流水生态修复（龙笛和潘巍，2006）技术研究受到国内外学者的广泛关注与环保行政部门的高度重视（高玉玲等，2004；廖国璋，2004；陈曾龙，1998）。
针对闸坝建筑物对其周围环境造成的不利影响，国内外专家进行了诸多修复措施研究（陈明千等，2013；Aunins et al.，2013；王尚玉等，2008；Quang and Geiger，2002），主要实施方式与预期效果为：在闸坝建筑物与其附近区域内修建过鱼设施（Baek and Kim，2014；Cooke and Hinch，2013；Bunt et al.，2001），可促使洄游鱼类越过障碍物，完成其在江河中的溯河与降河洄游行为；依据地形条件修建增殖放流站，经过野生亲鱼采集、亲鱼驯养、人工催产、鱼卵孵化、鱼苗培育、增殖放流等工艺流程，可补偿闸坝建筑物开发造成的鱼类资源衰退、保护珍稀濒危鱼类物种延续与补充经济鱼类资源；基于鱼类产卵时对水环境的严格要求，人类修建满足水温、水流、光线、盐度与幼鱼营养条件的产卵场，促使鱼类产卵与鱼卵孵化，以提高江河中鱼类物种数量；划定自然保护区，以保护国家珍稀濒危鱼类；人造洪峰促使鱼类产卵，以丰富经济鱼类资源。其中，利用过鱼设施帮助鱼类越过障碍物措施的生态修复效果显著，得到了国内水生态学家的重点提倡。
根据洄游鱼类的游泳特性，过鱼设施主要分为上行与下行两类，上行过鱼设施主要包括鱼道、升鱼机、鱼闸与集鱼渔船等，下行过鱼设施主要分为拦网与电栅等（乔娟等，2013）。自1662年法国贝阿恩省颁布了在闸坝建筑物上修建过鱼设施的规定以来（Kim，2001），鱼道成为*主要的过鱼设施形式，据不完全统计，截至20世纪末期，北美修建鱼道的数量约为400座，日本国内鱼道数量多达1400余座（杨宇等，2006）；我国鱼道研究大致经历了初步发展期、停滞期与二次发展期，随着21世纪我国鱼道事业步入二次发展期，近20年我国共有24个***水利水电项目鱼道经过环境影响技术评估，截至2012年我国修建鱼道的数量约为40～60座（陈凯麒等，2012）。鱼道建设涉及水力学与鱼类行为学两大领域（李修峰等，2006），是一项技术要求很高、风险非常大的工程，需要考虑的关键因素众多，如目标鱼类洄游特性、进口诱鱼措施、细部结构水力特性、运行管理与检测评估等（吕巍和王晓刚，2013；汪亚超等，2013；艾克明，2010），所述环节务必尽善尽美，若存在任何技术上的疏漏，都将严重影响鱼道实际的过鱼效率，甚至导致鱼道过鱼功能的丧失，因此鱼道内水流流态能否适应鱼类洄游习性引起了国内外鱼类专家的高度关注，鱼道的水力特性研究已成为水力学学科内*为炙热的课题之一（汪红波等，2013；闫滨等，2013；肖玥，2012；吕海艳等，2011）。
1.2竖缝式鱼道的发展和分类
1.2.1竖缝式鱼道的发展史
鱼道发展经历了几百年历史，*早可追溯到1662年，当时法国法律规定在闸坝建筑物及其附近
目录
目录
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 竖缝式鱼道的发展和分类 2
1.2.1 竖缝式鱼道的发展史 2
1.2.2 竖缝式鱼道的分类与作用 4
1.3 已有研究成果综述 6
1.3.1 竖缝式鱼道的结构形式与水流特性 6
1.3.2 模型试验 10
1.3.3 数值模拟 17
1.3.4 原型观测 19
1.3.5 与鱼道设计相关的鱼类习性研究进展 20
第2章 竖缝式鱼道水力特性 23
2.1 引言 23
2.2 竖缝式鱼道局部大比尺水工模型试验 23
2.2.1 模型设计 23
2.2.2 竖缝式鱼道水流流态与平面流场 24
2.2.3 竖缝断面流速 27
2.3 数值模拟计算 28
2.3.1 竖缝式鱼道基本结构布置 28
2.3.2 数学模型 29
2.3.3 竖缝断面流场计算结果 31
2.3.4 主流区流场计算结果 32
2.3.5 回流区流场计算结果 35
2.3.6 数值模拟计算的试验验证 36
2.4 常规池室水流结构 39
2.4.1 水流结构的平面二元特性 39
2.4.2 三维与二维计算结果的对比 41
2.5 不同流速量值对池室水流结构的影响 44
2.5.1 竖缝断面流速分布与特征值 45
2.5.2 主流区的水力特性 45
2.5.3 回流区的水力特性 47
2.6 水流结构分类 48
2.6.1 数学模型 48
2.6.2 水流结构类型划分 49
2.6.3 主流区流速分布 52
2.6.4 竖缝断面流速分布 53
第3章 不同水流结构竖缝式鱼道对比过鱼试验 55
3.1 引言 55
3.2 试验用鱼选择 55
3.3 试验布置与设计 56
3.3.1 试验布置及数据处理 56
3.3.2 试验设计与方法 57
3.4 池室结构I（P/B=0.1）与池室结构II（P/B=0.25）对比试验 58
3.4.1 上溯成功率 58
3.4.2 上溯时间 58
3.5 池室结构II III（P/B=0.5）与池室结构II（P/B=0.25）对比试验 60
3.5.1 上溯成功率 61
3.5.2 上溯时间 61
3.6 上溯成功率与上溯时间综合分析 63
第4章 竖缝式鱼道水流结构对草鱼上溯行为的影响 65
4.1 引言 65
4.2 上溯轨迹提取及统计 65
4.2.1 上溯轨迹的提取 65
4.2.2 上溯轨迹的特征化处理 66
4.3 上溯轨迹与水力因子响应分析 68
4.3.1 上溯轨迹与流速场响应分析 68
4.3.2 上溯轨迹与紊动能响应分析 69
4.4 上溯耗能定性比较 71
4.5 上溯游泳行为分析 72
4.6 综合分析 73
第5章 齐口裂腹鱼过鱼试验 75
5.1 引言 75
5.2 齐口裂腹鱼 75
5.3 试验布置与设计 76
5.3.1 试验布置 76
5.3.2 试验方法 77
5.3.3 数据处理 77
5.4 齐口裂腹鱼过鱼试验结果与分析 78
5.4.1 通过率与通过时间 79
5.4.2 池室通过路径 81
5.4.3 竖缝通过路径 82
第6章 水流结构对齐口裂腹鱼上溯行为的影响 83
6.1 引言 83
6.2 上溯轨迹提取 83
6.3 上溯行为分析 84
6.3.1 上溯轨迹统计处理 84
6.3.2 上溯行为初步分析 86
6.3.3 上溯轨迹分类与典型轨迹提取 88
6.4 上溯行为与水流结构关系分析 90
6.4.1 回流区与齐口裂腹鱼上溯行为的关系 90
6.4.2 流速与齐口裂腹鱼上溯行为的关系 91
6.4.3 紊动能与齐口裂腹鱼上溯行为的关系 93
6.4.4 总水力应变与齐口裂腹鱼上溯行为的关系 94
6.4.5 竖缝区域细化分析 95
6.5 齐口裂腹鱼上溯过程解析 99
第7章 墩头结构对过鱼效果影响的试验研究 101
7.1 引言 101
7.2 不同墩头结构对水流结构的影响 101
7.2.1 数学模型 101
7.2.2 数值模拟结果及分析 102
7.3 草鱼过鱼试验 103
7.4 齐口裂腹鱼对比试验 105
7.5 综合分析 107
第8章 竖缝式鱼道常规池室水力设计 109
8.1 引言 109
8.2 常规池室长宽比的合理取值研究 109
8.2.1 模拟区域与计算工况 110
8.2.2 鱼道水池内流场特性分析 110
8.2.3 主流*大流速轨迹线特征分析 112
8.2.4 不同长宽比下鱼道水池内流速分布特性分析 113
8.3 竖缝宽度对水流结构影响研究 115
8.3.1 不同竖缝宽度对鱼道流场分区的影响 115
8.3.2 主流区*大流速轨迹线与流速沿程衰减情况 120
8.3.3 竖缝断面流速分布 123
8.3.4 单位水体消能率计算 126
8.4 导向角度对水流结构影响研究 127
8.4.1 模拟区域 128
8.4.2 流场特性分析 128
8.4.3 主流特性分析 129
8.4.4 竖缝断面流速分布 129
8.5 常规池室隔板墩头结构布置对比研究 130
8.5.1 模拟区域 130
8.5.2 流场特性分析 131
8.5.3 主流特性分析 132
8.5.4 竖缝断
试读
**章绪论
1.1引言
本章简要回顾鱼道技术的发展历史，指出竖缝式鱼道是目前国内外运用*为广泛且应用效果*好的鱼道布置方式。针对前人已有的研究进行综述与分析，指出过鱼对象的游泳能力是鱼道水力设计的主要控制参数，而在实际鱼道工程中，如何确保鱼道进口良好的集诱鱼效果是鱼道成败的关键因素。人类为了发电、防洪、供水、灌溉、航运、景观等目的而在江河上修建了大量的闸坝建筑物（王琲，2016；陈凯麒等，2013，2012；Silva et al.，2012；Yagci，2010），尤其是随着社会事业的飞速发展，我国在珠江流域、长江流域、黄河流域、淮河流域、辽河流域、海河流域与松花江流域等主要水系上建设了诸多水工建筑物，2010～2012年**次全国水利普查数据（中华人民共和国水利部和中华人民共和国国家统计局，2013）显示：我国分布水库数量为98002座，其中已建与在建水库数量分别为97246座与756座；水电站数量为46758座，其中规模以上的水电站中已建与在建水电站数量分别为20866座与1324座；过流流量为1m3/s及以上的水闸数量为268476座，其中规模以上的水闸中已建与在建水闸数量分别为96226座与793座；橡胶坝数量为2685座。上述闸坝建筑物给人类带来了巨大经济效益与高质量生活保证，同时也对其周围环境造成了影响（梅峰顺和王玉华，2012；胡望斌等，2008；周世春，2007），其中*突出问题之一是闸坝建筑物阻断了江河的连通性、破坏了江河固有的自然属性，导致鱼类栖息地的水环境与水生态环境发生改变（易雨君和王兆印，2009），尤其对鱼类资源产生了不利影响（曹文宣等，2021，2011；Karisch and Power，1994），譬如鱼类产卵、越冬、索饵洄游活动延迟或终止，鱼类下行通过水轮机时遭受伤害与生态景观破碎等，上述不利影响将导致鱼类种群多样性丧失（施炜纲等，2009；黄亮，2006）、经济鱼类品质退化（于晓东等，2005；陈银瑞等，1998），甚至造成中华鲟等溯河性洄游鱼类种群濒临灭绝（杨宇，2007；刘绍平等，2002）。为了有效减缓闸坝建筑物阻挡江河连通性的不利影响、帮助恢复鱼类与其他生物物种在江河中的自由洄游，河流水生态修复（龙笛和潘巍，2006）技术研究受到国内外学者的广泛关注与环保行政部门的高度重视（高玉玲等，2004；廖国璋，2004；陈曾龙，1998）。
针对闸坝建筑物对其周围环境造成的不利影响，国内外专家进行了诸多修复措施研究（陈明千等，2013；Aunins et al.，2013；王尚玉等，2008；Quang and Geiger，2002），主要实施方式与预期效果为：在闸坝建筑物与其附近区域内修建过鱼设施（Baek and Kim，2014；Cooke and Hinch，2013；Bunt et al.，2001），可促使洄游鱼类越过障碍物，完成其在江河中的溯河与降河洄游行为；依据地形条件修建增殖放流站，经过野生亲鱼采集、亲鱼驯养、人工催产、鱼卵孵化、鱼苗培育、增殖放流等工艺流程，可补偿闸坝建筑物开发造成的鱼类资源衰退、保护珍稀濒危鱼类物种延续与补充经济鱼类资源；基于鱼类产卵时对水环境的严格要求，人类修建满足水温、水流、光线、盐度与幼鱼营养条件的产卵场，促使鱼类产卵与鱼卵孵化，以提高江河中鱼类物种数量；划定自然保护区，以保护国家珍稀濒危鱼类；人造洪峰促使鱼类产卵，以丰富经济鱼类资源。其中，利用过鱼设施帮助鱼类越过障碍物措施的生态修复效果显著，得到了国内水生态学家的重点提倡。
根据洄游鱼类的游泳特性，过鱼设施主要分为上行与下行两类，上行过鱼设施主要包括鱼道、升鱼机、鱼闸与集鱼渔船等，下行过鱼设施主要分为拦网与电栅等（乔娟等，2013）。自1662年法国贝阿恩省颁布了在闸坝建筑物上修建过鱼设施的规定以来（Kim，2001），鱼道成为*主要的过鱼设施形式，据不完全统计，截至20世纪末期，北美修建鱼道的数量约为400座，日本国内鱼道数量多达1400余座（杨宇等，2006）；我国鱼道研究大致经历了初步发展期、停滞期与二次发展期，随着21世纪我国鱼道事业步入二次发展期，近20年我国共有24个***水利水电项目鱼道经过环境影响技术评估，截至2012年我国修建鱼道的数量约为40～60座（陈凯麒等，2012）。鱼道建设涉及水力学与鱼类行为学两大领域（李修峰等，2006），是一项技术要求很高、风险非常大的工程，需要考虑的关键因素众多，如目标鱼类洄游特性、进口诱鱼措施、细部结构水力特性、运行管理与检测评估等（吕巍和王晓刚，2013；汪亚超等，2013；艾克明，2010），所述环节务必尽善尽美，若存在任何技术上的疏漏，都将严重影响鱼道实际的过鱼效率，甚至导致鱼道过鱼功能的丧失，因此鱼道内水流流态能否适应鱼类洄游习性引起了国内外鱼类专家的高度关注，鱼道的水力特性研究已成为水力学学科内*为炙热的课题之一（汪红波等，2013；闫滨等，2013；肖玥，2012；吕海艳等，2011）。
1.2竖缝式鱼道的发展和分类
1.2.1竖缝式鱼道的发展史
鱼道发展经历了几百年历史，*早可追溯到1662年，当时法国法律规定在闸坝建筑物及其附近
