一种竖缝式鱼道结构参数确定方法及系统

1.本发明涉及一种竖缝式鱼道结构参数确定方法及系统，属于鱼道设计技术领域。


背景技术：

2.鱼类作为水生生态系统中的重要一环，其生长发育对水环境变化的敏感性决定了种族繁衍的脆弱性，鱼类需要在不同的水域下完成觅食、越冬和繁殖，这就导致它们存在有周期性的洄游上溯特性。为了保护鱼类资源的物种多样性、遗传多样性，尽量减少水利设施对河流生态系统的破坏，在水利枢纽的建设过程中，往往都会通过修建鱼道、鱼闸、升鱼机、集运渔船等形式的过鱼设施作为生态补偿，来辅助鱼类洄游上溯，完成生命周期。由于鱼闸、升鱼机、集运渔船等过鱼设施，要么运行费用高、要么管理难度大，在实际中难以施行。而鱼道作为一种经前人验证应用效益最佳的过鱼设施，成为了目前国内外最主要且最常见的过鱼设施。
3.根据水利水电工程鱼道设计导则，将鱼道结构分为仿生态式、隔板式、槽式及特殊结构型式等。其中，隔板式鱼道适用于多种洄游性鱼类，其内部通过设置各种阻水结构以达到控制流速的目的，水流结构较为复杂。自2000年以来，我国建设的水利枢纽中，采取鱼道作为过鱼设施的水电工程建设项目中，有近一半都采取的是隔板竖缝式鱼道，因此竖缝式鱼道的应用前景十分广阔。然而，对于现有的竖缝式鱼道的规划建设有着许多的执行规范，但是针对不同的现实情况，往往会参考原有的设计经验或是做近似处理，而缺乏具有针对性的方案，因此现有技术中难以设计出针对不同现实情况的性能优良的竖缝式鱼道。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种竖缝式鱼道结构参数确定方法及系统，能够解决现有技术中难以设计出针对不同现实情况的性能优良的竖缝式鱼道的问题。
5.一方面，本发明提供了一种竖缝式鱼道结构参数确定方法，所述方法包括：
6.s1、获取目标水域的水文地质资料和过鱼对象资料，并根据所述水文地质资料和所述过鱼对象资料确定鱼道的初始结构参数；
7.s2、根据所述水文地质资料和鱼道的初始结构参数构建竖缝式鱼道的三维数值模型；
8.s3、利用所述三维数值模型对鱼道池室内的水力特性进行模拟，得到鱼道不同池室内的水流流态结果和水力分布结果；
9.s4、根据所述水流流态结果、所述水力分布结果和鱼道的初始结构参数，确定鱼道的最终结构参数。
10.可选的，所述s4具体包括：
11.s41、根据所述水流流态结果和所述水力分布结果，优化鱼道的初始结构参数，得到鱼道的优化后结构参数；
12.s42、利用所述三维数值模型，对所述优化后结构参数对应的鱼道方案进行水力特
性模拟，并根据模拟结果确定鱼道的最终结构参数。
13.可选的，所述s42具体包括：
14.s421、通过束窄竖缝宽度方式对所述优化后结构参数进行调整，得到第一调整方案参数和第二调整方案参数；
15.s422、利用所述三维数值模型，对所述优化后结构参数、所述第一调整方案参数和所述第二调整方案参数分别对应的鱼道方案进行水力特性模拟，根据模拟结果确定鱼道的最终结构参数。
16.可选的，所述s1具体包括：
17.s11、获取目标水域的水文地质资料和过鱼对象资料，并根据所述水文地质资料确定鱼道的池室结构形式，根据所述过鱼对象资料确定鱼道的水力学参数；
18.s12、根据鱼道的池室结构形式和水力学参数确定鱼道的初始结构参数。
19.可选的，所述s2具体包括：
20.s21、获取所述目标河段的鱼道物理模型实验资料；
21.s22、根据所述鱼道物理模型实验资料、所述水文地质资料和所述鱼道初始结构参数，利用mike模型构建竖缝式鱼道的三维数值模型。
22.可选的，所述s2还包括：
23.s23、利用所述鱼道物理模型实验资料对所述三维数值模型进行参数率定和可靠性验证。
24.另一方面，本发明提供了一种竖缝式鱼道结构参数确定系统，所述系统包括：
25.资料获取模块，用于获取目标水域的水文地质资料和过鱼对象资料，并根据所述水文地质资料和所述过鱼对象资料确定鱼道的初始结构参数；
26.模型构建模块，用于根据所述水文地质资料和鱼道的初始结构参数构建竖缝式鱼道的三维数值模型；
27.水力特性分析模块，用于利用所述三维数值模型对鱼道池室内的水力特性进行模拟，得到鱼道不同池室内的水流流态结果和水力分布结果；
28.参数确定模块，用于根据所述水流流态结果、所述水力分布结果和鱼道的初始结构参数，确定鱼道的最终结构参数。
29.可选的，所述参数确定模块具体包括：
30.参数优化子模块，用于根据所述水流流态结果和所述水力分布结果，优化鱼道的初始结构参数，得到鱼道的优化后结构参数；
31.参数确定子模块，用于利用所述三维数值模型，对所述优化后结构参数对应的鱼道方案进行水力特性模拟，并根据模拟结果确定鱼道的最终结构参数。
32.可选的，所述参数确定子模块具体包括：
33.参数调整单元，用于通过束窄竖缝宽度方式对所述优化后结构参数进行调整，得到第一调整方案参数和第二调整方案参数；
34.参数确定单元，用于利用所述三维数值模型，对所述优化后结构参数、所述第一调整方案参数和所述第二调整方案参数分别对应的鱼道方案进行水力特性模拟，根据模拟结果确定鱼道的最终结构参数。
35.可选的，所述模型构建模块具体包括：
36.获取子模块，用于获取所述目标河段的鱼道物理模型实验资料；
37.构建子模块，用于根据所述鱼道物理模型实验资料、所述水文地质资料和所述鱼道初始结构参数，利用mike模型构建竖缝式鱼道的三维数值模型。
38.本发明能产生的有益效果包括：
39.本发明提供的竖缝式鱼道结构参数确定方法，以黄金峡水利枢纽竖缝式鱼道工程为研究对象，针对汉江流域黄金峡河段的水文地质条件，以过鱼对象的生物学特性与游泳能力基础，对黄金峡水利枢纽鱼道的整体布置与主要结构尺寸进行设计，再通过构建在依据鱼道局部物理模型试验结果率定与验证基础上的竖缝式鱼道三维数值模型，开展对鱼道常规池室与休息池的优化设计。本发明通过构建三维数值模型进行池室内的水力特性模拟，解析鱼道池室内的复杂水流流态与水力分布特点，描述鱼道主要结构参数变化与鱼道池室内水力变化特征之间的作用机制，适配黄金峡水力枢纽鱼道工程设施的目标过鱼对象，分析不同池室结构下的水流流态与水力分布情况的优劣，对鱼道池室的关键结构参数进行择优确定，从而解决了现有技术难以有效确定竖缝式鱼道的结构参数，进而无法设计出针对不同现实情况的性能优良的竖缝式鱼道的问题。
附图说明
40.图1为本发明实施例提供的竖缝式鱼道结构参数确定方法流程图；
41.图2为本发明实施例提供的常规池室平面布置结构图一；
42.图3为本发明实施例提供的池室内测点分布图；
43.图4为本发明实施例提供的mike求解流程图；
44.图5为本发明实施例提供的sigma网格示意图；
45.图6为本发明实施例提供的三维网格示意图；
46.图7为本发明实施例提供的鱼道平面网格划分示意图；
47.图8为本发明实施例提供的鱼道三维数值模型整体示意图；
48.图9为本发明实施例提供的水流流态的三维数值模拟结果；
49.图10为本发明实施例提供的池室内水深等值线分布示意图；
50.图11为本发明实施例提供的横隔板式鱼道纵剖水面线示意图；
51.图12为本发明实施例提供的池室水位沿程变化验证示意图；
52.图13为本发明实施例提供的池室流速计算值与测量值比较示意图；
53.图14为本发明实施例提供的池室流速等值线示意图；
54.图15为本发明实施例提供的常规池室平面布置结构图二；
55.图16为本发明实施例提供的竖缝流速监测断面布置示意图；
56.图17为本发明实施例提供的竖缝中间处断面水流流速空间分布图。
具体实施方式
57.下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
58.本发明实施例提供了一种竖缝式鱼道结构参数确定方法，如图1所示，所述方法包括：
59.s1、获取目标水域的水文地质资料和过鱼对象资料，并根据水文地质资料和过鱼
对象资料确定鱼道的初始结构参数。
60.s1具体包括：
61.s11、获取目标水域的水文地质资料和过鱼对象资料，并根据水文地质资料确定鱼道的池室结构形式，根据过鱼对象资料确定鱼道的水力学参数；
62.s12、根据鱼道的池室结构形式和水力学参数确定鱼道的初始结构参数。
63.竖缝式鱼道，即将隔板与导板相对设置在边墙上，隔板位于导板的上游，之间形成竖缝的一种鱼道设施，还可以细分为单侧、异侧、双侧及其他竖缝型式，可以依据鱼类习性和适宜的水力条件更改竖缝位置、数量、大小等进行选择布置。
64.本发明实施例以黄金峡水利枢纽竖缝式鱼道工程为研究对象，针对汉江流域黄金峡河段的水文地质条件，以过鱼对象的生物学特性与游泳能力基础，对黄金峡水利枢纽鱼道的整体布置与主要结构尺寸进行设计，给出的竖缝式鱼道的主要结构尺寸(即初始结构参数)，并据此确定出初步设计方案1.0常规池室平面布置结构图，如图2所示。其中常规池室宽b＝2.5m，长l＝3.0m，长宽比l/b＝6:5，底坡坡比1:40；每间隔10个常规池室设置一个长度l'＝2l＝6.0m，底坡坡比1:100的鱼道休息池，长宽比l'/b＝12:5，竖缝宽度b＝0.40m，竖缝宽度与池室宽度比值b/b＝0.16。
65.s2、根据水文地质资料和鱼道的初始结构参数构建竖缝式鱼道的三维数值模型。
66.s2具体包括：
67.s21、获取目标河段的鱼道物理模型实验资料；
68.s22、根据鱼道物理模型实验资料、水文地质资料和鱼道初始结构参数，利用mike模型构建竖缝式鱼道的三维数值模型。
69.进一步的，s2还包括：
70.s23、利用鱼道物理模型实验资料对三维数值模型进行参数率定和可靠性验证。
71.本发明实施例中的鱼道物理模型试验数据来自于《汉江黄金峡水利枢纽鱼道局部模型试验研究报告》，模型按照重力相似准则设计，遵循弗劳德相似准则，该局部模型共计模拟110个常规池室和10个休息池室，每隔10个常规池室布置有一个鱼道休息池，模型几何比尺为1:10，各物理量比尺见表1。
72.表1各物理量比尺
[0073][0074]
其中，鱼道池室以及隔板采用有机玻璃进行制作，闸室上游量水堰及水库采用砖混凝土进行制作。
[0075]
本发明采用三角堰进行流量测量，上、下游水位利用测针进行水位观测，池室内水位利用钢直尺进行测量，池室内水深利用测压管进行测量，流速采用旋浆式流速仪进行测量，鱼道模型池室测点布置图如图3所示。
[0076]
模型试验对各工况下鱼道沿程的4个常规池室(9#、42#、69#、102#，编号顺序均为沿水流方向)共四个测流区域的流速进行了测量。
[0077]
mike系列软件是丹麦水资源及水环境研究所(dhi)的产品。作为一个专业的工程
软件包，mike软件主要用于水资源和水环境方面的研究。它既可以被用来做宏观的流域性分析，也可以实现微观的水流流态分析，被广泛地应用于河流、海洋、洪水调度、水质泥沙及水生态等与水相关的科学研究中。
[0078]
本发明中选择使用mike系列软件中的mike 3fm模块，计算的具体步骤为：
[0079]
首先，采用cad对鱼道进行建模，提取出边界数据文件(.xyz格式文件)以及水下地形文件(.xyz格式文件)；将提取出的文件导入mike软件中的mesh generator中生成计算网格，导出mesh文件；将导出的mesh文件导入mike 3fm编辑模块中，定义模型基础参数，初始条件，进、出口边界条件等，设定输出项计算求解，并率定计算参数；待模型率定结果合理后，导出所需数据文件，可以采用matlab批量处理提出计算参数，然后导入excel中进行整理计算分析；也可以直接在mike自带的数据分析模块进行数据处理。mike求解的简要流程如图4所示。
[0080]
下面是对鱼道的三维数值模型的搭建过程的详细介绍。
[0081]
建立鱼道的三维数值模型所用的工程设计资料包括黄金峡水利枢纽鱼道工程的总平面布置cad工程设计图、鱼道的横断面cad设计图和鱼道纵断面cad图。
[0082]
糙率是数学模型中的一个重要参数，影响糙率的因素有许多，对于不同模型的糙率设定，一部分有条件的地区是可以进行实际测量的：而对于缺乏实测资料的地区，则需要通过计算区域内各影响因素的情况，mike 3模型的底床摩擦力主要是与水深、各植被的条件以及床面形态等因素相关，通常用曼宁值大小(糙率的倒数)来表示。
[0083]
在本发明中，由于黄金峡鱼道的主体结构、隔板和拉杆等均采用的是c25砼，综合考虑鱼道工程材料、模型制作材料等因素，经查阅资料率定得到鱼道底坡糙率为n＝0.013，忽略钢筋混凝土边墙对水流的摩擦阻力影响。经计算，三维数值模型中粗糙高度设置为0.0013m。
[0084]
mike软件共有三种平面网格划分方式，分别为矩形流场模型(flow model)、非结构化网格流场模型(flow model fm)和曲线网格流场模型(curvilinear flow model)。
[0085]
其中非结构化网格流场模型(flow model fm)是一种三角网格，模型将计算区域划分为三角网格，网格的大小(或称分辨率)由模拟区域大小及具体要求决定，网格越小计算精度越高，耗时也越长。该模型采用有限元解法，能够很好地模拟天然河道和水上结构物周围区域的流场。根据本模型结构的特点，本发明采用非结构化三角网格对计算区域进行平面网格的划分。
[0086]
本文垂直网格使用sigma网格，如图5所示。
[0087]
在用mike 3fm进行计算时，使用分层网格：在水平域中使用非结构化网格，而在垂直域中使用sigma结构化网格，如图6所示。
[0088]
从鱼道工程cad设计图中提取出边界数据文件(.xyz格式文件)以及水下地形文件(.xyz格式文件)导入meshgenerator中生成计算网格，进行建模，模型的尺寸与实际尺寸保持一致。为保证计算精度，对模型进行了分区域网格划分(对鱼道内隔板、导板附近区域进行局部加密，对休息池及常规池室区域采用较大的网格)。设定三角网格最小角度26
°
，模型网格划分具体情况如下：采用网格平均边长为3cm，网格划分完成后平滑20次，以保证区域内网格划分的合理性。垂向采用正交sigam网格划分，均分为10层。鱼道平面网格划分示意图如图7所示，建立的鱼道三维数值模型整体示意图见图8。
[0089]
s3、利用三维数值模型对鱼道池室内的水力特性进行模拟，得到鱼道不同池室内的水流流态结果和水力分布结果。
[0090]
由于鱼道实际模型过大，同时为减少上、下游边界条件的影响，本发明选取模型中的20个常规池室和1个休息池室的流场特性开展模拟研究；并选取物理模型中的9#常规池室的流场特性作为典型池室对本发明的三维数值模型进行验证。
[0091]
其中，模型验证计算区网格数为53616个，网格节点数为28764个。
[0092]
鱼道局部模型试验中设置沿程水深相同的工况下，鱼道上游来流量为0.60m3/s，下游鱼道入口控制水深也为1.5m。因此，在对三维数值模型边界条件进行设定时，上游边界条件设定为流量入口，流量值设定为0.60m3/s；下游边界条件设定为水深出口，水深值设定为1.5m。
[0093]
三维数值模型设定计算步长为0.1s，总步数为10800步，计算时间总长0.3h；干湿边界选用软件默认值；因模型范围较小，未考虑地球自转产生的科氏力，模型静止启动，待模型运行稳定后进行数据提取工作。
[0094]
鱼类在繁殖洄游期间几乎不进行觅食，体内储备能量有限，为了能够再消耗最少的能量条件下顺利完成洄游过程，需要有明确的洄游方向进行指引，快速的找到最佳洄游路线，在最短的时间内完成洄游上溯。因此，鱼道的水流流态是否具有明确的主流对鱼类顺利完成上溯洄游意义重大。鱼道局部模型试验中采用在水体中放置标记物的方法对鱼道的水动力轴线进行示踪和量测，三维数值模型通过输出数值模拟计算的水流流速分布图对鱼道的主流区进行判断，三维数值模拟计算得到的水流流态结果如图9所示。
[0095]
观察模型试验与数值模拟计算结果可以发现，在鱼道内隔板、导板的导流作用下，鱼道水流流态平顺、主流在流经竖缝后，顺竖缝向右发生偏转后进入9#池室，并在进入池室后，由于惯性作用，主流并未扩散，继续流向右侧，但距离鱼道池室右侧边墙仍有一段距离，不会冲击到右侧边墙，主流在流经池室中间断面时，受到下一级竖缝的影响，水流又逐渐流向左侧，在通过下一级竖缝时主流又再一次向右侧发生偏转，因此在水流主流在池室内的行进形态呈现出“m”字。受到隔板、导板的阻流作用，池室内左、右两侧边墙都存在有明显的回流区，其中右侧的回流区受长隔板阻流作用明显，存在有一定范围内的静水区域。观察水流流态鱼道局部模型试验结果与三维数值模型模拟计算结果，可以看出二者结果基本一致。这表明三维数值模型的数值模拟计算结果可以很好的反应鱼道内的水流流态变化特征。
[0096]
在鱼道工程设计中，水深和水位是关键参数，水深影响着休息池内流速的大小，而水位的高低则决定着鱼道过流情况下，鱼道边墙的设计高度是否安全，水流是否能够保持。由图10可以看出，鱼道内隔板的阻水作用明显，水流由均匀行进调整为主流偏左(导板侧)，进入竖缝时，水流在隔板前水位稍有壅高，并在竖缝处形成明显的跌落。池室内的水深等值线稀疏，水深近似相同；两个相邻池室交界处的竖缝内，水深等值线较其它位置密集，这说明此处水深变化剧烈，呈现典型的堰流过流特性。
[0097]
鱼道池室内的平均流速较小，水头损失主要来自于隔板、导板阻挡产生的局部水头损失，局部水头损失是指由局部边界急剧改变导致水流结构改变、流速分布改变并产生旋涡区而引起的水头损失。从水力学角度来分析，鱼道内的隔板布置实质上就是消除下泄急流多余动能，防止或减轻水流冲刷的一系列消能工，横隔板式鱼道纵剖水面线示意图如
图11所示。
[0098]
鱼道上下游总水位差和每块隔板的平均水位差是影响池室水流条件的重要因素。为了对各级鱼道池室内的水位变化情况更为直观的进行分析，鱼道局部模型中在鱼道各池室内(池室上下游两较宽隔板中间、距离右侧边墙0.5m处)均布置了水位监测点，具体测点分布位置见图3；三维数值模型中，也在相同位置布置了水位监测点进行数据提取工作。将实测数据与数值模拟的计算结果绘制在如图12所示的示意图中，图中横坐标l为鱼道池室内的数据监测点距第一级池室进水口的距离，纵坐标z为监测点的水面高程。
[0099]
从图12中可以看出，鱼道沿程池室内的水深基本均为1.50m，上下级池室间的水位差均在0.07m～0.08m的范围内浮动，基本与池室底板坡度1:40的理论水位比降相同。此外，鱼道沿程池室水位的实测值和计算值基本一致，除了入口处和出水口计算值略大于实测值外，其余各测点吻合情况较好，表明所构建的三维数值模型适用性较好，能够很好的描述鱼道沿程池室内的水位变化情况，可以用来分析池室内的水流流态。
[0100]
在鱼道数值模拟计算完成后，以9#常规池室作为典型池室，分别对底层(0.2h)，中层(0.5h)，表层(0.8h)三个平面上的水流流速值依据图3所示的流速监测点进行数据提取工作，并将典型池室中各测点流速的模拟值与测量值的绝对值进行对比分析，误差范围取
±
0.1m/s，得到池室流速计算值与测量值比较图见图13，其中横坐标为鱼道局部模型试验的实际测量值绝对值，纵坐标为数值模拟的计算值绝对值。
[0101]
从图13中可以看出，池室内三个平面共计123个池室内流速监测点(不包括竖缝处流速监测点)有超过80％的数据都在合理误差范围内，并未出现极不合理数据点。为确保数值模型计算结果的可靠性，分别对典型池室前、后竖缝处的计算值和测量值进行单独比较。从表2中可以看出，典型池室前、后竖缝处的计算值与测点最大误差仅为3.15％，结合上述流速对比分析情况可以认为三维数值模型的模拟计算结果可靠，满足后续研究需要。
[0102]
表2竖缝流速计算值与测量值比较
[0103][0104][0105]
s4、根据水流流态结果、水力分布结果和鱼道的初始结构参数，确定鱼道的最终结构参数。
[0106]
s4具体包括：
[0107]
s41、根据水流流态结果和水力分布结果，优化鱼道的初始结构参数，得到鱼道的优化后结构参数；
[0108]
s42、利用三维数值模型，对优化后结构参数对应的鱼道方案进行水力特性模拟，并根据模拟结果确定鱼道的最终结构参数。
[0109]
具体的，s42包括：
[0110]
s421、通过束窄竖缝宽度方式对优化后结构参数进行调整，得到第一调整方案参数和第二调整方案参数；
[0111]
s422、利用三维数值模型，对优化后结构参数、第一调整方案参数和第二调整方案参数分别对应的鱼道方案进行水力特性模拟，根据模拟结果确定鱼道的最终结构参数。
[0112]
依据初始结构参数确定的鱼道初步设计方案1.0中也存在有明显的缺陷，根据图14池室流速等值线图所示，水池内主流明确，偏转角度较小，这就导致池室两侧存在有较大范围的回流区，且主流两侧回流区明显不对称，在靠近池室右侧边墙的水域，回流区范围明显过大。回流区的尺度过大会导致鱼类恢复体力后感应不到主流水流流动而无法自由游出回流区，这极有可能在鱼类上溯洄游期大量过鱼的时候导致鱼类迷失方向，产生滞留拥堵的情况，不利于鱼类上溯洄游。
[0113]
导致这种情况发生的原因主要考虑有：
①
长隔板过长；
②
水池长宽比较小；
③
竖缝宽度过宽等。
[0114]
为在获得良好过鱼效果的基础上，节约工程投资，结合黄金峡水库鱼道过鱼对象的游泳能力，在保持隔板、导板细部尺寸、竖缝宽度、竖缝导角等结构参数不变的情况下，首先考虑通过缩短右岸隔板长度，后考虑到隔板长度短、主流射流流速大的情况下流场存在贴壁风险等因素，综合考虑下，优化鱼道的初始结构参数，得到鱼道的优化后结构参数，并针对优化后结构参数确定初步设计方案2.0的鱼道常规池室平面布置结构图，如图15所示。
[0115]
依据初步设计方案2.0的鱼道结构参数，采取束窄竖缝宽度的措施，得到方案a的竖缝宽度b/b＝0.175(即第一调整方案参数)、方案b的竖缝宽度b/b＝0.15(即第二调整方案参数)，并对此三个方案进行建模，并开展同初步设计方案1.0一样的分析，对比择优。
[0116]
其中，三种方案在水深h＝2.5m的情况下，竖缝流速监测断面布置情况见图16所示。三种竖缝宽度下的竖缝中间处断面水流流速空间分布如图17所示。
[0117]
参考图17所示，初步设计方案2.0的水流流态结果显示，与初步设计方案1.0相比，右侧回流区明显减小，池室两侧回流区的流速范围在0.10m/s～0.32m/s内，在鱼类感应流速0.20m/s
±
0.10m/s范围内波动，基本不会干扰到鱼类对主流的识别，但可以考虑进一步控制回流区流速范围以取得更好的过鱼效果；池室内主流区水力特性分析结果显示，两种水深工况下，最大流速的沿程衰减率均在45％左右，池室内主流有约40％的区域位于池室的右半部分，主流区沿程衰减效率有待进一步提高，且存在有进一步向右半部分池室偏转优化的可能；池室内回流区水力特性分析结果显示，两种水深工况下，主流区左、右两侧回流影响域，长宽比均存在一定差异，这表明两侧回流区性状不同，有待进一步调整；池室内平均动能分布规律显示，水流进入池室后竖缝处无量纲动能最大，主流区沿x轴方向动能持续降低，无量纲动能最小不低于0.40，能够为鱼类顺利通行足够的指引作用。
[0118]
竖缝宽度束窄后的方案a和方案b的水流流态模拟结果显示，方案a和方案b池室两侧回流区的流速范围分别在0.10m/s～0.24m/s与0.08m/s～0.16m/s之间，相较于原方案而言，回流区流速都明显减小，更有利于鱼类识别主流区，完成洄游上溯；池室主流区水力特性分析结果显示，竖缝宽度越窄，水流在进入竖缝过程中的最大流速出现越早，且方案a流速衰减效率最高，但三种方案向右半部分池室偏转的范围是差不多的，均在40％左右；池室内回流区水力特性分析结果显示，方案a的主流区左、右两侧回流区影响域与长宽比之间差异最小，最有利于鱼类洄游；竖缝处流速分布规律分析结果显示，横向上，竖缝宽度越小，竖
缝处流速分布越合理，纵向上，竖缝宽度越大，纵向水流流速越趋近于均匀，竖缝宽度越小，纵向水流流速分布越不均匀，从控制竖缝断面处流速的横向分布合理以及纵向分布均匀两个层面上来看，选取方案a，即竖缝宽度b/b＝0.175(b＝0.35m)是最为合理的。
[0119]
综上所述，初步设计方案2.0相较于初步设计方案1.0来说更为合理可行；同时，基于初步设计方案2.0，选取方案a，即竖缝宽度b/b＝0.175(b＝0.35m)是最适宜鱼类洄游通行的。至此，确定出了最适合目标水域(即汉江流域黄金峡河段)的竖缝式鱼道的最终结构参数。
[0120]
本发明以黄金峡水利枢纽竖缝式鱼道工程为研究对象，针对汉江流域黄金峡河段的水文地质条件，以过鱼对象的生物学特性与游泳能力基础，对黄金峡水利枢纽鱼道的整体布置与主要结构尺寸进行设计，再通过构建在依据鱼道局部物理模型试验结果率定与验证基础上的竖缝式鱼道三维数值模型，开展对鱼道常规池室与休息池的优化设计。本发明通过构建三维数值模型进行池室内的水力特性模拟，解析鱼道池室内的复杂水流流态与水力分布特点，描述鱼道主要结构参数变化与鱼道池室内水力变化特征之间的作用机制，适配黄金峡水力枢纽鱼道工程设施的目标过鱼对象，分析不同池室结构下的水流流态与水力分布情况的优劣，对鱼道池室的关键结构参数进行择优确定，从而解决了现有技术难以有效确定竖缝式鱼道的结构参数，进而无法设计出针对不同现实情况的性能优良的竖缝式鱼道的问题。
[0121]
另一方面，本发明提供了一种竖缝式鱼道结构参数确定系统，所述系统包括：
[0122]
资料获取模块，用于获取目标水域的水文地质资料和过鱼对象资料，并根据水文地质资料和过鱼对象资料确定鱼道的初始结构参数；
[0123]
模型构建模块，用于根据水文地质资料和鱼道的初始结构参数构建竖缝式鱼道的三维数值模型；
[0124]
水力特性分析模块，用于利用三维数值模型对鱼道池室内的水力特性进行模拟，得到鱼道不同池室内的水流流态结果和水力分布结果；
[0125]
参数确定模块，用于根据水流流态结果、水力分布结果和鱼道的初始结构参数，确定鱼道的最终结构参数。
[0126]
可选的，参数确定模块具体包括：
[0127]
参数优化子模块，用于根据水流流态结果和水力分布结果，优化鱼道的初始结构参数，得到鱼道的优化后结构参数；
[0128]
参数确定子模块，用于利用三维数值模型，对优化后结构参数对应的鱼道方案进行水力特性模拟，并根据模拟结果确定鱼道的最终结构参数。
[0129]
可选的，参数确定子模块具体包括：
[0130]
参数调整单元，用于通过束窄竖缝宽度方式对优化后结构参数进行调整，得到第一调整方案参数和第二调整方案参数；
[0131]
参数确定单元，用于利用三维数值模型，对优化后结构参数、第一调整方案参数和第二调整方案参数分别对应的鱼道方案进行水力特性模拟，根据模拟结果确定鱼道的最终结构参数。
[0132]
可选的，模型构建模块具体包括：
[0133]
获取子模块，用于获取目标河段的鱼道物理模型实验资料；
[0134]
构建子模块，用于根据鱼道物理模型实验资料、水文地质资料和鱼道初始结构参数，利用mike模型构建竖缝式鱼道的三维数值模型。
[0135]
上述确定系统中各个模块的具体描述可以参考确定方法中对每个步骤的描述，在此不再赘述，上述确定系统可以实现与确定方法侧同样的功能。
[0136]
以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

技术特征：
1.一种竖缝式鱼道结构参数确定方法，其特征在于，所述方法包括：s1、获取目标水域的水文地质资料和过鱼对象资料，并根据所述水文地质资料和所述过鱼对象资料确定鱼道的初始结构参数；s2、根据所述水文地质资料和鱼道的初始结构参数构建竖缝式鱼道的三维数值模型；s3、利用所述三维数值模型对鱼道池室内的水力特性进行模拟，得到鱼道不同池室内的水流流态结果和水力分布结果；s4、根据所述水流流态结果、所述水力分布结果和鱼道的初始结构参数，确定鱼道的最终结构参数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s4具体包括：s41、根据所述水流流态结果和所述水力分布结果，优化鱼道的初始结构参数，得到鱼道的优化后结构参数；s42、利用所述三维数值模型，对所述优化后结构参数对应的鱼道方案进行水力特性模拟，并根据模拟结果确定鱼道的最终结构参数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述s42具体包括：s421、通过束窄竖缝宽度方式对所述优化后结构参数进行调整，得到第一调整方案参数和第二调整方案参数；s422、利用所述三维数值模型，对所述优化后结构参数、所述第一调整方案参数和所述第二调整方案参数分别对应的鱼道方案进行水力特性模拟，根据模拟结果确定鱼道的最终结构参数。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s1具体包括：s11、获取目标水域的水文地质资料和过鱼对象资料，并根据所述水文地质资料确定鱼道的池室结构形式，根据所述过鱼对象资料确定鱼道的水力学参数；s12、根据鱼道的池室结构形式和水力学参数确定鱼道的初始结构参数。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s2具体包括：s21、获取所述目标河段的鱼道物理模型实验资料；s22、根据所述鱼道物理模型实验资料、所述水文地质资料和所述鱼道初始结构参数，利用mike模型构建竖缝式鱼道的三维数值模型。6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述s2还包括：s23、利用所述鱼道物理模型实验资料对所述三维数值模型进行参数率定和可靠性验证。7.一种竖缝式鱼道结构参数确定系统，其特征在于，所述系统包括：资料获取模块，用于获取目标水域的水文地质资料和过鱼对象资料，并根据所述水文地质资料和所述过鱼对象资料确定鱼道的初始结构参数；模型构建模块，用于根据所述水文地质资料和鱼道的初始结构参数构建竖缝式鱼道的三维数值模型；水力特性分析模块，用于利用所述三维数值模型对鱼道池室内的水力特性进行模拟，得到鱼道不同池室内的水流流态结果和水力分布结果；参数确定模块，用于根据所述水流流态结果、所述水力分布结果和鱼道的初始结构参数，确定鱼道的最终结构参数。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述参数确定模块具体包括：参数优化子模块，用于根据所述水流流态结果和所述水力分布结果，优化鱼道的初始结构参数，得到鱼道的优化后结构参数；参数确定子模块，用于利用所述三维数值模型，对所述优化后结构参数对应的鱼道方案进行水力特性模拟，并根据模拟结果确定鱼道的最终结构参数。9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述参数确定子模块具体包括：参数调整单元，用于通过束窄竖缝宽度方式对所述优化后结构参数进行调整，得到第一调整方案参数和第二调整方案参数；参数确定单元，用于利用所述三维数值模型，对所述优化后结构参数、所述第一调整方案参数和所述第二调整方案参数分别对应的鱼道方案进行水力特性模拟，根据模拟结果确定鱼道的最终结构参数。10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述模型构建模块具体包括：获取子模块，用于获取所述目标河段的鱼道物理模型实验资料；构建子模块，用于根据所述鱼道物理模型实验资料、所述水文地质资料和所述鱼道初始结构参数，利用mike模型构建竖缝式鱼道的三维数值模型。

技术总结
本发明公开了一种竖缝式鱼道结构参数确定方法及系统，属于鱼道设计技术领域，能够解决现有技术中难以设计出针对不同现实情况的性能优良的竖缝式鱼道的问题。所述方法包括：S1、获取目标水域的水文地质资料和过鱼对象资料，并根据水文地质资料和过鱼对象资料确定鱼道的初始结构参数；S2、根据水文地质资料和鱼道的初始结构参数构建竖缝式鱼道的三维数值模型；S3、利用三维数值模型对鱼道池室内的水力特性进行模拟，得到鱼道不同池室内的水流流态结果和水力分布结果；S4、根据水流流态结果、水力分布结果和鱼道的初始结构参数，确定鱼道的最终结构参数。本发明用于设计鱼道。本发明用于设计鱼道。本发明用于设计鱼道。


技术研发人员：程学俊 权全 阙培中 贾冬 杨佐斌 王世军 蒋腾 李烨 高少泽
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/19