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优化岛式鱼道水力特性,建立岛结构参数与水力特性之间的响应关系,为提升鱼道对鱼类上溯的适配性、助力河流连通性修复提供技术参考.以新型岛式鱼道为研究对象,采用物理模型试验与计算流体动力学(CFD)数值模拟相结合的方法,探究岛型、岛距等岛结构演变对池室内流速、湍动能、沿程水面线等水力特性的影响规律,筛选适配鱼类洄游水力需求的岛式鱼道结构参数,并验证数值模拟模型的准确性,同时结合洄游鱼类生物运动学特征分析水力特性与鱼类上溯的生态适配性.试验模型几何比尺为1:20,遵循重力相似准则,选取草鱼(Cteno-pharyngodon idella)幼鱼为目标鱼类,明确其游泳能力与池室流速分区的对应关系.结果表明:矩形岛型(NI模型)对池室内流速的控制效果优于弧形改进岛型,岛距D=3b时能有效抑制瓣结构前端高流速区域(S4)占比,降低鱼类上溯流速胁迫;池室内最大湍动能始终低于0.01 m²/s²,符合低湍动能的鱼类洄游环境要求,弧形岛型虽丰富了湍动能分布,但整体湍动能强度高于矩形岛型,易增加鱼类游泳耗能;岛式鱼道池室两侧呈现阶梯式交替水位变化,中线水位平缓抬升,NI模型的水位抬升效果更显著,更贴合鱼类逐级上溯的水力需求并可提供休憩空间.
岛式鱼道岛结构演变水力特性河流连通性修复洄游鱼类草鱼幼鱼
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针对传统纵向加长型鱼道休息池在地形陡峭、纵向空间受限的水利枢纽中布置难度大的局限,探究侧向拓宽型旁侧式休息池的水力性能与空间利用特征,为鱼道休息池的科学选型与精细化设计提供技术支撑.以竖缝式鱼道为研究对象,基于RANS方程,采用RNG k-ε湍流模型与VOF多相流方法建立三维数学模型,设置6种不同构型的休息池工况,对比分析流速、湍动能、涡量及有效休息区特征.结果显示:在总面积相近时,单倍纵向长度的侧向拓宽构型可获得与双倍长构型相当甚至更大的有效休息区面积,长隔板侧单倍拓宽工况Case 3有效休息区面积占比(ERAR)达 68.5%,为所有工况最高;各工况湍动能与涡量均处于鱼类适宜范围,涡量峰值量级差异不显著,流场差异主要体现为低流速区集中度与流场分区明确性的不同;双倍尺寸工况下,短导板侧拓宽的有效休息区占比达60.6%,空间利用效率显著优于长隔板侧拓宽构型.研究表明,侧向拓宽可通过优化横向流场结构提高空间利用率,在纵向空间受限、横向空间充裕的工况下可替代传统的纵向加长方案,对优化鱼道水平线型布置具有实际应用价值.
竖缝式鱼道旁侧式休息池水力特性有效休息区流场优化数值模拟
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改善鱼道水力条件、上溯通道连通性,优化鱼道的实际通行能力,为已建池堰式鱼道结构改造、运行流量确定及过鱼效果评估提供参考.依托果米滩鱼道,开展水力学监测、水动力数值模拟和过鱼效果监测研究,提出池堰式隔板结构优化方案,评价优化后鱼道的水力条件及过鱼运行效果.结果表明,在流量Q=0.79 m³/s时,原体型鱼道进鱼口段及池堰式隔板溢流区域流速偏高,池室堰顶局部最大流速可达2.13 m/s,不利于鱼类连续上溯;采用在进鱼口段10个池室内新增隔板(高度与原池堰式隔板一致,相邻隔板间距由2.00 m调整为1.00 m),并在全鱼道隔板上开设宽0.30 m的贯底竖缝、按左右异侧交替布置的方案优化后,进鱼口段局部高速区范围减小,流速分布趋于平缓.当Q=0.60 m³/s时,鱼道存在上下贯通的上溯通道,且适宜流速面积占比达到最大(80.29%);PIT监测在Q=0.35~0.40 m³/s条件下记录到部分标记个体完成通过(入口与出口均有记录的有效通过个体为8尾),表明优化后鱼道在本次流量监测条件下具备一定上溯能力.
池堰式鱼道数值模拟水力特性过鱼效果上溯通道果米滩水电站
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评价双侧对称多竖缝式鱼道(BMSF)在实际工程复杂条件下的水动力适宜性,为类似鱼道工程的设计优化提供技术参考.以某鱼道工程常规池室区域、出口区域和进口区域为研究对象,采用三维数值模拟方法,对鱼道内流速幅值(U)、紊动能(k)和单位体积能量耗散率(E)进行系统分析.结果表明:针对鱼道常规池室区域,BMSF采用构型的最大时均流速幅值Umax比传统竖缝式鱼道(VSF)构型减小33%(即1.00 m/s vs.1.33 m/s)、比BMSF原始构型减小21%(即1.00 m/s vs.1.21 m/s),满足不大于目标鱼类极限流速1.00 m/s的要求.BMSF采用构型拥有竖缝宽度为0.30 m对称布置的两条上溯通道,且池室内低速回流区U≤0.30 m/s的体积占比为47%(符合文献中休息区占比30%~50%的推荐范围),可为目标鱼类提供充足的上溯空间和合理的休息空间.针对鱼道出口区域3个典型运行工况,BMSF采用构型的Umax=0.82~1.00 m/s,最大时均紊动能kmax=0.06~0.08 m2/s2,最大时均单位体积能量耗散率Emax=30~91 W/m3,均小于目标鱼类的可接受上限.U≤0.30 m/s的体积占比为50%~51%,空间平均时均紊动能km=0.01~0.02 m2/s2,空间平均时均单位体积能量耗散率Em=5~10 W/m3,均属于目标鱼类的偏爱范围.针对鱼道进口区域,池室内水深沿程降低、流速沿程增加,Umax为1.24 m/s,但96%的池室体积仍满足不大于目标鱼类极限流速1.00 m/s的要求;kmax=0.10 m2/s2,Emax=119 W/m3,均不大于目标鱼类的可接受上限.U≤0.30 m/s的体积占比为44%,km=0.02 m2/s2,Em=17 W/m3,均属于目标鱼类的偏爱范围.总体而言,BMSF采用构型能够在鱼道各区域提供良好的水动力环境,有利于目标鱼类高效上溯洄游.
双侧对称多竖缝式鱼道进口出口数值模拟水动力特性紊动能
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探究坡比变化对H型竖缝式鱼道池室水力特征及鱼类上溯行为的影响,为鱼道坡比优化及过鱼设施设计提供参考.以草金鱼(金鲫,Carassius auratus)为试验对象,设置1/15、1/20、1/30、1/40、1/50、1/70、1/90和1/110共8种坡比,结合物理模型试验、三维数值模拟和鱼类行为轨迹分析,研究不同坡比下池室流态、过鱼效果及路径选择特征.结果表明,随坡比由1/110增大至1/15,主流区流速增大,但池室整体流态形式基本稳定.当坡比为1/90~1/110时,主流诱导作用不足,试验鱼易在池室滞留并出现往返移动;当坡比为1/15~1/20时,竖缝流速达到极限流速,试验鱼上溯路径曲折、转向频次增多,连续上溯难度增加.试验鱼通过率随坡比增大呈先升高后降低趋势,其中1/40坡比工况通过率最高;通过时间呈先减小后增大趋势,其中1/70工况最短.综合水力条件、通过率、通过时间及轨迹特征,坡比为1/30~1/70时过鱼效果较优,可作为H型竖缝式鱼道坡比优化设计的参考.
H型竖缝式鱼道坡比生物水力学试验鱼类上溯行为
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监测青海湖阶梯式鱼道过鱼效果,分析影响因素,为青海湖流域鱼道工程的改造及过鱼效果优化提供技术支撑.以青海湖沙柳河刚北渠、永丰渠阶梯式鱼道为研究对象,以青海湖裸鲤(Gymnocypris przewalskii)为过鱼对象,结合PIT遥测、数值模拟、Logistic回归等方法开展鱼道过鱼效果分析研究.结果表明:(1)刚北渠阶梯式鱼道整体平均通过率仅6.5%,永丰渠鱼道整体平均通过率约14.7%,2个鱼道的过鱼效果均未达预期;(2)鱼道流速较大区域为堰坎附近,流速均大于青海湖裸鲤的克流流速(1.68±0.20)m/s;池室紊动最大区域均分布在堰坎附近,紊动能为0.116~0.520 J/kg;(3)通过构建Logistic回归模型发现,流速、流量、水温与青海湖裸鲤上溯通过率之间存在显著关系(P<0.05).
青海湖裸鲤阶梯式鱼道流场监测效果评价青海湖
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水利水电工程建设削弱了河流纵向连通性,并对洄游、半洄游以及具有季节性扩散需求的鱼类形成了不同程度的通道阻隔.过鱼设施作为缓解河流阻隔、保障鱼类上下游连通的关键生态补偿工程,其真实生态作用有赖于长期、规范的运行监测予以检验.本文结合长江流域过鱼设施建设资料、典型工程监测案例、鱼道监测评估专著和国际研究,梳理过鱼设施建设与运行特征,归纳了运行效果监测的技术方法、评价指标、主要认识和薄弱环节.现有资料表明,长江流域过鱼设施数量增长较快,工程类型由鱼道、仿自然通道逐步扩展到升鱼机、集运鱼系统等复合形式;监测方法也由张网、截堵和人工观察,扩展到视频/红外、水声学、PIT、声学遥测、流场模拟和智能识别等多技术组合.已有案例能够反映过鱼种类、数量、昼夜和季节节律,以及水位、流速、水温、诱鱼流量等因素的影响,但公开案例比例偏低,长期序列资料不足,指标定义和评价口径不统一,下行通过、过坝后行为和种群尺度生态效益评估仍较薄弱.未来过鱼设施运行效果监测应面向流域连通性恢复目标,完善"非生物因素-过鱼设施有效性-过鱼效率-生态效益"多维指标体系,强化传统采样、连续视频、水声学、PIT/声学遥测、eDNA、AI识别和水文水力模拟的融合应用,并将监测结果用于运行参数调整、设施优化和生态调度.
过鱼设施运行效果过鱼效率监测技术适应性管理长江流域
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明确鱼道水力特性与鱼类上溯行为的耦合阈值,验证尾门调控在大底坡条件下的关键效能,为过鱼设施设计与运行提供理论依据和技术参考.以四大家鱼(青鱼、草鱼、鲢、鳙)幼鱼为目标对象,试验设置6种底坡(0、1:400、1:200、1:133、1:100、1:80)、3种上下游池室配比(C1=3:1、C2=2:2、C3=1:3)及8级尾门闭合角度(10°～80°,间隔10°),系统构建了"底坡-池室-尾门调节"协同调控体系,研究流速、主流偏转程度、流速衰减率、紊动能等水力要素的变化规律,并结合四大家鱼幼鱼的游泳能力阈值进行关联分析.结果表明:池室配比C2(2:2)对流态的控制效果最佳,可在池室侧壁与底部形成宽广低速区,主流区流速衰减率达64％～80％,有效削弱高速水流对鱼类上溯的屏障作用;在大底坡S6(1:80)条件下,尾门闭合角达80°时仍可使过鱼效率提升至75％以上.
助溯式鱼道水力-行为耦合底坡池室尾门调节四大家鱼
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破解传统竖缝式鱼道出口闸门常开、池室水深随库水位被动波动引发的过鱼效率不稳难题,为提高鱼道运行效果及已建鱼道改造提供新方式.提出一种集成丹尼尔陡坡鱼道的可调式鱼道出口段优化方案,依托犬木塘水库工程鱼道,通过1:10比尺生态水力学模型试验,系统研究流量调控下鱼道出口段与主鱼道的水力衔接特性及试验鱼的上溯行为响应.结果表明:竖缝式鱼道池室存在显著的最佳运行水深阈值,0.50~1.10 m为本工程条件下过鱼效率最高的水深运行区间;可调式鱼道出口段标准丹尼尔鱼道经隔板加密优化后,可适应游泳能力较弱的鲤科鱼类,其进口最佳淹没水深范围为0.60~0.85 m.本可调式鱼道出口段方案通过陡坡丹尼尔鱼道衔接主鱼道与库区水位,实现了对鱼道运行水深的主动控制.
竖缝式鱼道鱼道出口段优化丹尼尔鱼道生态水力学试验水位协同
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探究水电开发对金沙江圆口铜鱼(Coreius guichenoti)产卵场的影响,为圆口铜鱼产卵场保护、栖息地修复和水库生态调度提供科学依据.以攀枝花江段典型产卵场为研究区域,选取国家二级保护动物圆口铜鱼为研究对象,通过鱼类产卵场模型模拟不同水电开发阶段(2010、2014、2016、2018、2020年)圆口铜鱼产卵期水动力、水温以及生境适宜性的时空演变,并定量计算加权栖息地面积(WUA)、平均适宜度指数(HHS),在此基础上,进一步引入栖息地连通性评价,结合有效栖息地面积及其空间分布特征计算栖息地连通性指数(HCI),用以反映圆口铜鱼适宜产卵生境的连通性变化.模拟结果显示,研究河段产卵期水温整体呈下降趋势,局部水深和流速增大,但整体空间格局分布变化较小,圆口铜鱼产卵场适宜性显著下降.与2010年水电开发前相比,2020年WUA和HHS分别减少65.0%和65.1%.HCI评价结果表明适宜生境的空间连通性大幅下降,2020年HCI均值仅0.009,较2010年降幅达90.2%,产卵生境已由相对连续分布变为高度碎片化.流量-适宜性-连通性耦合关系表明,当流量维持在1 800~3 500 m³/s时,产卵生境的适宜性和连通性均较高.
圆口铜鱼水电开发产卵场适宜性连通性金沙江攀枝花江段
