叠弧式变水力坡度鱼道及过鱼方法

摘要

本发明公开了一种叠弧式变水力坡度鱼道及过鱼方法，涉及过鱼建筑物和水利水电工程生态环境领域。本发明的叠弧式变水力坡度鱼道由若干个梯级的底板、翼墙、挡水结构、助驱结构、感应器和主控制器组成，底板与挡水结构能够形成临时性池室，降低鱼道单元的水力坡度，形成有利于鱼类上溯的水动力条件；助驱结构能够辅助鱼类快速高效上行。本发明与传统鱼道相比，能够缩短鱼道长度、节约建设成本，易于控制鱼道水流条件，适用于不同水头的大坝过鱼，应用前景广阔，经济效益和生态效益显著。

说明书

技术领域

本发明涉及过鱼建筑物和水利水电工程生态环境领域，特别涉及一种叠弧式变水力坡度鱼道及过鱼方法。

背景技术

水利水电工程建设为区域防洪安全、发电、灌溉、供水提供了保障，但在促进河流服务功能的同时，也产生了一定的负面效应。大坝提高水位、阻断河流，导致自然河流这个开放、连续的系统在能量流动、物质循环及信息传递等方面发生一系列的改变，使生活其中的鱼类生存所需的生境条件、水文情势发生变化，最终对鱼类资源产生影响。为了保护天然渔业资源、保障水生生态系统的连续性和多样性，目前采取的主要修复措施是在水电水利工程中修建鱼道，帮助鱼类洄游。

鱼道是在闸坝或天然障碍处为鱼类洄游而兴建的一种过鱼建筑物，是降低闸坝对鱼类生存和繁殖干扰的一种生态措施。传统的鱼道一般只适用坝高在20～25m以下的低水头水利枢纽，且鱼上溯过程中需要耗费很大能量。20世纪，世界上水头最高、长度最长的鱼道分别是美国在50年代建设的北汊坝鱼道和帕尔顿鱼道，北汊坝鱼道提升高度60m，全长2.7km；帕尔顿鱼道提升高度57.5m，全长4.8km。目前，水头最高、长度最长的鱼道是巴西2003年在巴拉那河上建成的伊泰普鱼道，上下游水头差120m，渠道的总长度约为10km。这些中、高水头水利枢纽的鱼道都依靠延长鱼道长度控制鱼道流速，使得鱼道在水利工程中所占的建设成本很高。虽然鱼闸、升鱼机等过鱼设施已经运用于中、高水头水利枢纽，但是由于鱼闸和升鱼机的运行方式与鱼类天然洄游方式差别太大，诱鱼效果并不理想。

发明内容

发明目的：为了解决现有鱼道技术用于中、高水头水利枢纽时鱼道过长、造价过高的难题，同时，降低传统鱼道对鱼类克流能力和连续跳跃能力的要求，提高鱼道过鱼效果、保护天然渔业资源、保障水生生态系统的连续性和多样性，本发明提供一种叠弧式变水力坡度鱼道及过鱼方法。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明的叠弧式变水力坡度鱼道，包括若干个梯级的底板、翼墙、挡水结构、助驱结构、感应器和主控制器，挡水结构和助驱结构的数量均与底板的数量相同。所述底板包括曲面段和平面段，曲面段和平面段的宽度相同，并首尾固定连接；相邻的底板之间，曲面段朝向上游、平面段朝向下游固定连接为一体。所述挡水结构由弧面挡水板、支臂、加强筋、平衡锤、转轴A组成，弧面挡水板位于底板之上，弧面挡水板凹面朝上，凹面通过两对相互平行的支臂与转轴A连接固定，每对支臂之间设有加强筋，弧面挡水板上设有横缝；转轴A设有两个相同的平衡锤，平衡锤、支臂均与转轴A垂直且位于相反的方向。所述助驱结构由驱鱼网、挡鱼网、助驱支架和转轴B组成，助驱支架由两个大小相同且都垂直于转轴B的矩形和两段大小相同的圆弧构成，所述驱鱼网的形状为网格状的矩形，所述挡鱼网的形状为网格状的弧面，驱鱼网固定于助驱支架旋转方向一侧的矩形内，挡鱼网固定于两段圆弧与两个矩形围成的框架内。所述转轴A与转轴B的中心线重合，转轴A由两根圆管组成，其中一根圆管外端设有轮齿，转轴B为电机轴，转轴B在转轴A的内部；转轴A与转轴B安装在鱼道两侧翼墙的双轴承座内，双轴承座均高于水面固定在翼墙的上部；所述转轴A与转轴B分别通过翼墙外侧的两个步进电机驱动。所述翼墙垂直固定在底板的左、右两侧面。所述感应器和主控制器均布置于翼墙，主控制器接收到感应器的脉冲信号后通过内部编有指令程序的大规模集成块控制各鱼道单元翼墙外侧的步进电机。

在本发明中，所述挡水结构整体能够绕转轴A旋转，最大旋转角度不大于弧面挡水板对应圆弧的中心角，最小旋转角度不小于底板曲面段对应圆弧的圆心角与弧面挡水板对应圆弧的圆心角之差。

在本发明中，所述助驱结构整体能够绕转轴B做顺时针圆周运动。

在本发明中，所述驱鱼网与挡鱼网都拉紧固定于助驱结构的助驱支架。

在本发明中，所述平衡锤的形状为锲形；在同一个鱼道单元内，所述平衡锤的重力相对于转轴A的力矩等于所述弧面挡水板、支臂、加强筋各自的重力相对于转轴A的力矩之和。

在本发明中，所述底板、挡水结构和助驱结构与翼墙从下游到上游共同构成若干级的鱼道单元。

优选地，所述弧面挡水板与底板的曲面段都是以转轴B为轴线的回转面。

优选地，所述感应器和主控制器均布置于下游第一级鱼道单元的翼墙上部，并采用防雨保护措施。

优选地，所述挡鱼网固定于两段相同且相互平行的圆弧上。挡鱼网做圆周运动所在的曲面，相当于以组成助驱支架的矩形的长边为直母线、以组成助驱支架的矩形的宽加上转轴A的半径为旋转半径，绕固定转轴A运动而形成的直线面。

优选地，所述转轴B与驱动其转动的步进电机共轴连接，所述转轴A与驱动其转动的步进电机通过变速齿轮相啮合。

本发明提供的技术方案还包括基于上述叠弧式变水力坡度鱼道的过鱼方法，其特征在于包括以下步骤：

①洄游性鱼类进入下游的第一级鱼道单元后，感应器接收到游在最前面的鱼群信号并向主控制器发出脉冲信号，主控制器接收到脉冲信号后，通过内部编有指令程序的大规模集成块向第一级鱼道单元转轴A的步进电机发送开启指令，第一级鱼道单元的挡水结构开始按预设角度逆时针旋转，第一级鱼道单元的弧面挡水板逐渐抬升水位，从而使第一级鱼道单元与第二级鱼道单元之间的水位落差降低、流速减缓；

②当第一级鱼道单元的挡水结构运动到预设的最大角度后停止旋转，主控制器通过内部编有指令程序的大规模集成块向第一级鱼道单元转轴B的步进电机发送开启指令，第一级鱼道单元的助驱结构开始顺时针旋转，在驱鱼网进入水中后，开始驱赶第一级鱼道单元曲面段的鱼上行，在驱鱼网旋转出曲面段时，挡鱼网开始发挥挡鱼作用，在挡鱼网完全旋转出曲面段前，主控制器通过内部编有指令程序的大规模集成块按预计时间向第一级鱼道单元转轴B的步进电机发送暂停指令，挡鱼网暂停运行等待鱼类上行，鱼顺利通过水流平顺的平面段进入第二级鱼道单元的曲面段；

③当鱼进入第二级鱼道单元后，主控制器通过内部编有指令程序的大规模集成块向第二级鱼道单元转轴A的步进电机发送开启指令，第二级鱼道单元的挡水结构开始按预设角度逆时针旋转，第二级鱼道单元的弧面挡水板逐渐抬升水位，从而使第二级鱼道单元与第三级鱼道单元之间的水位落差降低、流速减缓；

④当第二级鱼道单元的挡水结构旋转到预设的最大角度停止运动后，主控制器通过内部编有指令程序的大规模集成块同时向第一级鱼道单元转轴A的步进电机发送逆向旋转指令、向第一级鱼道单元转轴B的步进电机发送继续旋转指令，第一级鱼道单元的挡水结构按预设的相同角度顺时针旋转回到初始位置，第一级鱼道单元的助驱结构继续按顺时针方向旋转回到初始位置；

⑤当第一级鱼道单元的助驱结构回到初始位置后，主控制器向第二级鱼道单元转轴B的步进电机发送开启指令，第二级鱼道单元的助驱结构开始顺时针旋转，在驱鱼网进入水中后，开始驱赶第二级鱼道单元曲面段的鱼上行，在驱鱼网旋转出曲面段时，挡鱼网开始发挥挡鱼作用，在挡鱼网完全旋转出曲面段前，主控制器向第二级鱼道单元转轴B的步进电机发送暂停指令，挡鱼网暂停运行等待鱼类上行，鱼顺利通过水流平顺的平面段进入第三级鱼道单元的曲面段；

⑥其它各级鱼道单元按照上述③～⑤相应步骤逐级辅助鱼群上行到上游库区；

⑦当第三级鱼道单元开始运行后，第一级鱼道单元按照上述步骤辅助后续进入鱼道的鱼群上溯，如此循环，实现洄游性鱼类在大坝等障碍物处的上溯过程。

有益效果：本发明的叠弧式变水力坡度鱼道及过鱼方法，具有以下有益效果：

(1)本发明的底板曲面段和弧面挡水板都是以转轴B为轴线的回转面，有利于弧面挡水板在底板的曲面段内自由旋转。

(2)本发明的底板包括曲面段和平面段，曲面段有利于形成戽流消能消耗能量，平面段有利于形成顺直稳定的水流吸引鱼类找到上行方向。

(3)本发明的弧面挡水板在初始状态时位于底板中，加大了鱼道的糙率，能够增加水流的能量损失，降低鱼道内水流流速。

(4)本发明的弧面挡水板旋转上升能够形成临时性池室，抬高鱼道单元水位，降低鱼道单元的水力坡度，有利于减小鱼类上溯过程中的体能消耗，降低对鱼类克流能力和连续跳跃能力的要求。

(5)本发明的挡水结构设有平衡锤，使得转轴A旋转时挡水结构的转矩最小，为此，驱动转轴A的步进电机使用小功率电机即可。

(6)本发明的挡水结构不运行时，弧面挡水板位于底板内，支臂贴过翼墙，其他部件都在水面之上，能够避免挡水结构对鱼类洄游路线造成阻挡。

(7)本发明的弧面挡水板上设有一条横缝，当弧面挡水板旋转上升后，从横缝流出的面状水流同弧面挡水板与底板之间流出的面状水流能够相互碰撞消能。

(8)本发明的转轴B在转轴A的内部，转轴A由两根圆管组成，转轴A与转轴B的中心线重合，并通过轴承安装在双轴承座上，使得转轴驱动挡水结构和助驱结构时，既能绕同一中心线旋转，又不相互影响。

(9)本发明的驱鱼网与挡鱼网相连，助驱结构能够连贯地发挥辅助鱼类洄游功能。

(10)本发明的底板上游翘起，从而增大底板的底坡，有利于缩短鱼道长度，节约鱼道的建设成本，对促进鱼道在高水头水利枢纽的应用具有重大意义。

附图说明

图1是本发明叠弧式变水力坡度鱼道未运行状态的结构示意图；

图2是图1中第一级鱼道单元正进行挡鱼状态的结构示意图；

图3是图1中未运行状态的某一级鱼道单元结构示意图；

图4是图1中运行状态的某一级鱼道单元助驱过程的结构示意图；

图5是图1中某一级鱼道单元结束助驱过程后正进行挡鱼状态的结构示意图；

图6是图1中挡水结构示意图；

图7是图1中助驱结构示意图；

图8是图6中挡水结构立体示意图。

图中：1-底板；11-曲面段；12-平面段；2-翼墙；3-挡水结构；31-弧面挡水板；32-支臂；33-加强筋；34-横缝；4-平衡锤；5-转轴A；6-助驱结构；61-驱鱼网；62-挡鱼网：63-助驱支架；7-转轴B；8-感应器；9-主控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1-图8所示，本发明的叠弧式变水力坡度鱼道，包括若干个梯级的底板1、翼墙2、挡水结构3、助驱结构6、感应器8和主控制器9，翼墙2垂直固定在底板1的左、右两侧面，感应器8和主控制器9均布置于翼墙2。

如图1-图5所示，底板1包括曲面段11和平面段12，底板1的曲面段11和平面段12的宽度相同，并首尾固定连接；相邻的底板1之间，曲面段11朝向上游、平面段12朝向下游固定连接为一体。

如图1-图6和图8所示，挡水结构3由弧面挡水板31、支臂32、加强筋33、平衡锤4、转轴A组成，弧面挡水板31与底板1的曲面段11都是以转轴B为轴线的回转面，弧面挡水板31位于底板1之上；弧面挡水板31凹面朝上，凹面通过两对相互平行的支臂32与转轴A连接固定，每对支臂32之间设有加强筋33，弧面挡水板31上设有横缝34。挡水结构3整体能够绕转轴A旋转，最大旋转角度不大于弧面挡水板31对应圆弧的中心角，最小旋转角度不小于底板1曲面段11对应圆弧的圆心角与弧面挡水板31对应圆弧的圆心角之差。转轴A设有两个相同的平衡锤4，平衡锤4的形状为锲形，在同一个鱼道单元内，平衡锤4的重力相对于转轴A的力矩等于弧面挡水板31、支臂32、加强筋33各自的重力相对于转轴A的力矩之和。平衡锤4、支臂32均与转轴A垂直且位于相反的方向。

如图1-图5和图7所示，助驱结构6由驱鱼网61、挡鱼网62、助驱支架63和转轴B组成，助驱支架63由两个大小相同且都垂直于转轴B的矩形和两段大小相同的圆弧构成，驱鱼网61的形状为网格状的矩形，挡鱼网62的形状为网格状的弧面，驱鱼网61固定于助驱支架63旋转方向一侧的矩形内，挡鱼网62固定于两段圆弧与两个矩形围成的框架内。助驱结构6整体能够绕转轴B做顺时针圆周运动；驱鱼网61与挡鱼网62都拉紧固定于助驱结构6的助驱支架63。

在本实施例中，转轴A与转轴B的中心线重合，转轴A由两根圆管组成，其中一根圆管外端设有轮齿，转轴B为电机轴，转轴B在转轴A的内部；转轴A与转轴B安装在鱼道两侧翼墙2的双轴承座内，双轴承座均高于水面固定在翼墙2的上部；转轴A与转轴B分别通过翼墙2外侧的两个步进电机驱动。

在本实施例中，底板1、挡水结构3和助驱结构6与翼墙2从下游到上游共同构成若干级的鱼道单元。

在本实施例中，挡水结构3和助驱结构6的数量均与底板1的数量相同。

在本实施例中，主控制器9接收到感应器8的脉冲信号后通过内部编有指令程序的大规模集成块控制各鱼道单元翼墙2外侧的步进电机。

在本实施例中，底板1的曲面段11、弧面挡水板31和挡鱼网62都是以转轴A或转轴B的中心线为转轴的回转面，转轴A的中心线与转轴B的中心线共线。曲面段11、弧面挡水板31和挡鱼网62垂直转轴的横截面均为圆弧，曲面段11的横截面圆弧为90°，弧面挡水板31的横截面圆弧为60°，挡鱼网62的横截面圆弧为30°。

一种基于上述叠弧式变水力坡度鱼道的过鱼方法，通过感应器8和主控制器9智能执行鱼道运行过程，将鱼群逐级输送至上游，本实施例中运行方法包括以下步骤：

①洄游性鱼类进入下游的第一级鱼道单元后，感应器9接收到游在最前面的鱼群信号并向主控制器9发出脉冲信号，主控制器9接收到脉冲信号后，通过内部编有指令程序的大规模集成块向第一级鱼道单元转轴A的步进电机发送开启指令，第一级鱼道单元的挡水结构3开始按预设角度逆时针旋转，第一级鱼道单元的弧面挡水板31逐渐抬升水位，从而使第一级鱼道单元与第二级鱼道单元之间的水位落差降低、流速减缓。

②当第一级鱼道单元的挡水结构3运动到预设的最大角度后停止旋转，主控制器9通过内部编有指令程序的大规模集成块向第一级鱼道单元转轴B的步进电机发送开启指令，第一级鱼道单元的助驱结构6开始顺时针旋转，在驱鱼网61进入水中后，开始驱赶第一级鱼道单元曲面段11的鱼上行，在驱鱼网61旋转出曲面段11时，挡鱼网62开始发挥挡鱼作用，在挡鱼网62完全旋转出曲面段11前，主控制器9通过内部编有指令程序的大规模集成块按预计时间向第一级鱼道单元转轴B的步进电机发送暂停指令，挡鱼网62暂停运行等待鱼类上行，鱼顺利通过水流平顺的平面段12进入第二级鱼道单元的曲面段11。

③当鱼进入第二级鱼道单元后，主控制器9通过内部编有指令程序的大规模集成块向第二级鱼道单元转轴A的步进电机发送开启指令，第二级鱼道单元的挡水结构3开始按预设角度逆时针旋转，第二级鱼道单元的弧面挡水板31逐渐抬升水位，从而使第二级鱼道单元与第三级鱼道单元之间的水位落差降低、流速减缓。

④当第二级鱼道单元的挡水结构3旋转到预设的最大角度停止运动后，主控制器9通过内部编有指令程序的大规模集成块同时向第一级鱼道单元转轴A的步进电机发送逆向旋转指令、向第一级鱼道单元转轴B的步进电机发送继续旋转指令，第一级鱼道单元的挡水结构3按预设的相同角度顺时针旋转回到初始位置，第一级鱼道单元的助驱结构6继续按顺时针方向旋转回到初始位置。

⑤当第一级鱼道单元的助驱结构6回到初始位置后，主控制器9向第二级鱼道单元转轴B的步进电机发送开启指令，第二级鱼道单元的助驱结构6开始顺时针旋转，在驱鱼网61进入水中后，开始驱赶第二级鱼道单元曲面段11的鱼上行，在驱鱼网61旋转出曲面段11时，挡鱼网62开始发挥挡鱼作用，在挡鱼网62完全旋转出曲面段11前，主控制器9向第二级鱼道单元转轴B的步进电机发送暂停指令，挡鱼网62暂停运行等待鱼类上行，鱼顺利通过水流平顺的平面段12进入第三级鱼道单元的曲面段11。

⑥其它各级鱼道单元按照上述③～⑤相应步骤逐级辅助鱼群上行到上游库区。

⑦当第三级鱼道单元开始运行后，第一级鱼道单元按照上述步骤辅助后续进入鱼道的鱼群上溯，如此循环，实现洄游性鱼类在大坝等障碍物处的上溯过程。

本发明的叠弧式变水力坡度鱼道及过鱼方法适合于不同高度的水利枢纽过鱼，能够极大地缩短传统鱼道的长度，节约建设成本。本发明的叠弧式变水力坡度鱼道通过挡水结构逐渐形成临时性池室，降低鱼道单元的水力坡度，减小鱼类体能消耗，形成适宜鱼类洄游的水动力条件；通过助驱结构提高过鱼效率，缩短过鱼时间，实现鱼道的连续高效过鱼。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。