一种确定灌江纳苗适宜流速的实验装置和实验方法

1.本发明属于生态水力学技术领域，具体涉及一种确定灌江纳苗适宜流速的实验装置和实验方法。

背景技术：

2.近些年，长江流域、通江湖泊处建设了大量工程，破坏了江湖系统原有的水动力系统，其生态环境也受到越来越多的破坏，严重威胁了鱼类、水鸟等生物的栖息地。随着国家对生态的重视以及社会对生态环境研究的不断深入，人们开始将更多的注意力转移到修复破碎的河湖复合生态系统中，灌江纳苗便是其中一条重要技术措施。灌江纳苗是指在鱼苗汛期，即鱼苗大量出现且集中的时期，适当开闸改变水流环境，让鱼苗或幼鱼顺水或逆水进入湖中生长、育肥，主要应用于被闸、坝阻断了江湖之间自然水流交换的湖泊。主要手段包括顺灌和倒灌，顺灌是指江水进入湖泊，幼鱼也随江水入湖；倒灌指湖水流入江中，利用鱼苗逆水游泳的习性，诱其顶水入湖。
3.目前研究结果表明：水流结构是影响鱼类运动过程的重要因素，流速是区分水流结构的典型因子，不同流速条件下鱼类的代谢产物、代谢速率等呈现不同的变化趋势，其也改变了鱼类的游泳状态、游泳速度、摆尾频率、摆尾幅度等行为。此外，汇合处紊动强烈、涡旋尺度多样，水流的雷诺应力、湍动能、涡旋方向及大小也会影响鱼类的运动。因此，为了优化工程联合调度，首先需要确定灌江纳苗期间适宜的流速范围，从而构建适宜的水动力系统，有利于鱼苗在江湖系统中的生长繁衍。因此，研究灌江纳苗期间适宜的流速范围，具有重要的现实意义，可为工程调度提供一定的理论支持。

技术实现要素：

4.解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种确定灌江纳苗适宜流速的实验装置和实验方法，本发明通过逐渐调节水槽流量并测量相应位置的流速分布，统计鱼苗进入下游或支汊的频率，分析得到鱼苗进入支汊所需的适宜流速范围；并通过改变汇合角、流量、水深和汇流比，适用于不同江湖汇合处的门口形态，为灌江纳苗提供一定的技术参考。
5.技术方案：第一方面，本发明提供一种确定灌江纳苗适宜流速的实验装置，包括水槽、鱼苗释放装置、鱼苗轨迹捕获装置、流速测量装置和水位调节装置，所述水槽的下游端设有下游水箱，所述水槽的上游端设有主汊和支汊，所述主汊的上游端设有第一上游水箱，所述支汊的上游端设有第二上游水箱，所述下游水箱通过第一连接管与第一上游水箱连接，所述下游水箱通过第二连接管与第二上游水箱连接，所述鱼苗释放装置设置在主汊上，所述鱼苗轨迹捕获装置设置在主汊与支汊汇合处，所述流速测量装置和水位调节装置均设置在水槽中。
6.优选的，所述鱼苗释放装置包括释放通道，所述释放通道的底部设有存鱼网，所述存鱼网开设有出鱼口，所述出鱼口上设有挡板，所述挡板两侧边通过滑道与释放通道连接，
所述挡板的上部设有限位杆，所述限位杆上设有限位孔，所述释放通道上设有弹性限位块，所述弹性限位块与限位孔卡扣连接。
7.优选的，所述鱼苗轨迹捕获装置包括固定架和相机，所述相机设置在固定架的顶部，所述固定架与地面接触处设有防滑橡胶垫。
8.优选的，所述流速测量装置包括底板、竖直板、安装架和流速测量仪，所述竖直板上设有刻度线，所述竖直板垂直设置在底板的一端，所述安装架设置在竖直板上，且安装板可沿竖直板上下移动，所述流速测量仪设置在安装架上，所述竖直板与底板之间设有稳定杆。
9.优选的，所述水位调节装置包括闸门、升降轴承和调节转盘，所述升降轴承的一端与闸门连接，且另一端与调节转盘连接。
10.优选的，所述第一连接管上设有第一阀门、第一变频水泵和第一流量计。
11.优选的，所述第二连接管上设有第二阀门、第二变频水泵和第二流量计。
12.优选的，所述第一上游水箱的出口处设有第一平水格栅，所述第二上游水箱的出口处设有第二平水格栅。
13.第二方面，本发明提供一种采用第一方面所述的实验装置确定灌江纳苗适宜流速的实验方法，包括以下步骤：s1、使第一上游水箱和第二上游水箱持续充满水，水流流入水槽，通过下游水箱流出，待水流稳定后，将鱼苗放入鱼苗释放装置中；s2、将流速测量装置移动到所需测量位置；s3、开启鱼苗释放装置，使鱼苗游向下游；s4、打开鱼苗轨迹捕获装置中的相机，记录鱼苗的运动轨迹，游向主汊的下游或者支汊；s5、开始测量流速，通过流速测量装置测量水槽内各区域的水流流速；s6、将鱼苗从水槽中取出，将支汊流量从小到大逐渐增大，每次增加1l/s，重复步骤s1-s5，获得设定组数的实验数据；s7、分析步骤s6获得的设定组数的实验数据，做出鱼苗进入支汊的频率-流速图，以鱼苗进入支汊频率大于60%为阈值，确定相应的适宜流速范围。
14.优选的，所述流速v与影响因素的关系式为：其中，v为流速；a、a1、b、b1、c、c1、d、d1、e、e1、c为常数，可通过实验数据拟合得到；l为鱼苗体长，m为鱼苗重量、s为水流紊动强度、w涡旋尺寸，q为汇流比，即支汊流量与汇合后下游总流量之比。
15.有益效果：1）本发明提供了确定灌江纳苗适宜流速的实验装置和实验方法，统计鱼苗进入下游和支汊的结果，并测量汇合处的流速分布，得到鱼苗进入支汊所需的适宜流速范围；并能够改变汇合角、流量、水深和汇流比，适用于各种江湖汇合处的门口形态；2）本发明中实验装置能够改变流速、水深、汇合角、鱼苗数量大小等多种参数，实现了现场灌江纳苗期间鱼类适宜流速的模拟实验，实验方便、造价低廉、成果直观；3）本发明中利用高精度流速测量技术和统计方法，有效的模拟得到鱼苗进入支汊
所需的适宜流速范围，为灌江纳苗的实施提供一定的技术参考；4）本发明中鱼苗释放装置实现了不同位置、鱼苗数量和大小的设置，且鱼苗可以在存鱼网里适应水流环境，模拟结果精确，可自由组合多种实验工况。
附图说明
16.图1是本发明实验装置整体结构示意图；图2是鱼苗释放装置结构示意图；图3是鱼苗轨迹捕获装置结构示意图；图4是流速测量装置结构示意图；图5是水位调节装置结构示意图；图中序号：1、主汊；2、支汊；3、第一上游水箱；4、第二上游水箱；5、下游水箱；6、第一连接管；7、第二连接管；8、第一变频水泵；9、第二变频水泵；10、第一阀门；11、第二阀门；12、第一流量计；13、第二流量计；14、第一平水格栅；15、第二平水格栅；16、鱼苗释放装置；17、鱼苗轨迹捕获装置；18、流速测量装置；19、水位调节装置；20、释放通道；21、存鱼网；22、出鱼口；23、挡板；24、滑道；25、限位孔；26、固定架；27、防滑橡胶垫；28、相机；29、底板；30、稳定杆；31、竖直板；32、安装架；33、刻度线；34、闸门；35、升降轴承；36、调节转盘；37、水槽；38、弹性限位块；39、流速测量仪。
具体实施方式
17.下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明：实施例1如图1-5所示，一种确定灌江纳苗适宜流速的实验装置，包括水槽37、鱼苗释放装置16、鱼苗轨迹捕获装置17、流速测量装置18和水位调节装置19，所述水槽37的下游端设有下游水箱5，所述水槽37的上游端设有主汊1和支汊2，所述主汊1的上游端设有第一上游水箱3，所述支汊2的上游端设有第二上游水箱4；所述下游水箱5通过第一连接管7与第一上游水箱3连接，所述下游水箱5通过第二连接管7与第二上游水箱4连接，通过连接管将上游水箱和下游水箱5相连通，使水流能够在水槽37内循环流动，保证水槽37的水流稳定；所述鱼苗释放装置16设置在主汊1上，所述鱼苗轨迹捕获装置17设置在主汊1与支汊2汇合处，所述流速测量装置18和水位调节装置19均设置在水槽37中，所述鱼苗释放装置16和流速测量装置18可沿水槽37水平移动。
18.上述鱼苗释放装置16包括释放通道20，所述释放通道20的底部设有存鱼网21，存鱼网21可采用尼龙网制作，所述存鱼网21开设有出鱼口22，所述出鱼口22上设有挡板23，所述挡板23两侧边通过滑道24与释放通道20连接，挡板23可沿滑道24滑动，所述挡板23的上部设有限位杆，所述限位杆上设有限位孔25，所述释放通道20上设有弹性限位块38，所述弹性限位块38与限位孔25卡扣连接。
19.上述鱼苗轨迹捕获装置17包括固定架26和相机28，所述相机28设置在固定架26的顶部，所述固定架26与地面接触处设有防滑橡胶垫27。
20.上述流速测量装置18包括底板29、竖直板31、安装架32和流速测量仪39，所述竖直板31上设有刻度线33，通过过刻度线33可确定流速测量仪39的测点位置；所述竖直板31垂
直设置在底板29的一端，所述安装架32设置在竖直板31上，且安装板32可沿竖直板31上下移动，具体的，可在竖直板31上沿竖直方向开设数个螺栓孔，在安装架32的端部安装螺栓，通过螺栓与螺栓孔的配合使安装架32可相对竖直板31上下移动，adv流速测量仪39设置在安装架32上，所述竖直板31与底板29之间设有稳定杆30。
21.上述水位调节装置19包括闸门34、升降轴承35和调节转盘36，所述升降轴承35的一端与闸门34连接，且另一端与调节转盘36连接，通过旋转调节转盘36可带动升降轴承35上下移动，进而调节闸门34的高度控制水槽37的水位。
22.上述第一连接管6上设有第一阀门10、第一变频水泵8和第一流量计12。
23.上述第二连接管7上设有第二阀门11、第二变频水泵9和第二流量计13。
24.上述第一上游水箱3的出口处设有第一平水格栅14，所述第二上游水箱4的出口处设有第二平水格栅15，以进一步稳定水槽37的水流。
25.实施例2一种确定灌江纳苗适宜流速的实验方法，包括以下步骤：s1、开启进水管使第一上游水箱3和第二上游水箱4持续充满水，打开第一变频水泵8和第二变频水泵9，调节第一阀门10和第一阀门11至设定流量，通过调节转盘32将水位调节到所需高度，水流在水槽37内循环流动，待水流稳定后，将鱼苗释放装置16中的挡板23滑动至最底端，使挡板23完全遮蔽出鱼口22，将鱼苗放入释放通道20，进入存鱼网21内；s2、将流速测量装置18移动到所需测量位置，调节安装架32，通过竖直板31上的刻度线33将adv流速测量仪39调节至设定水深；s3、待鱼苗适应水流环境后，开启挡板23，使鱼苗通过出鱼口22游向下游；s4、开始测量流速，移动底板29，以测量水槽内各区域的水流流速；s5、打开鱼苗轨迹捕获装置中的相机28，记录鱼苗的运动轨迹，游向水槽37下游或者支汊2；s6、将鱼苗从水槽37中取出，将支汊2流量从小到大逐渐增大，每次增加1l/s，重复步骤s1-s5，获得设定组数的实验数据；s7、分析步骤s6获得的设定组数的实验数据，做出鱼苗进入支汊2的频率-流速图，以鱼苗进入支汊2频率大于60%为阈值，确定相应的适宜流速范围。
26.本发明总结前人关于鱼类和水流流速的响应关系得到：鱼苗体长（l）、重量（m）、水流紊动强度（s）和涡旋尺寸（w）与鱼类的运动密切相关。在河道汇合处，两汊来流的流量比q是主要影响水流结构的因素之一。基于此，本发明拟提出鱼类适宜流速和这些影响因素的关系：其中，a、a1、b、b1、c、c1、d、d1、e、e1、c为常数，通过实验结果拟合得到；鱼苗体长l和重量m通过测量得到；水流紊动强度s 根据goodwin教授提出的svp假设计算，s是总水力应变，即三维坐标系中速度在各方向上梯度的绝对值相加，，x
i 是坐标系的三个方向，ui是对应坐标方向的流速值；v为测量区域的平均流速，各点的流速值可通过adv仪器测量得到；q为汇流比，即q=支汊流量/汇合后下游总流量。
27.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种确定灌江纳苗适宜流速的实验装置，其特征在于：包括水槽（37）、鱼苗释放装置（16）、鱼苗轨迹捕获装置（17）、流速测量装置（18）和水位调节装置（19），所述水槽（37）的下游端设有下游水箱（5），所述水槽（37）的上游端设有主汊（1）和支汊（2），所述主汊（1）的上游端设有第一上游水箱（3），所述支汊（2）的上游端设有第二上游水箱（4），所述下游水箱（5）通过第一连接管（7）与第一上游水箱（3）连接，所述下游水箱（5）通过第二连接管（7）与第二上游水箱（4）连接，所述鱼苗释放装置（16）设置在主汊（1）上，所述鱼苗轨迹捕获装置（17）设置在主汊（1）与支汊（2）汇合处，所述流速测量装置（18）和水位调节装置（19）均设置在水槽（37）中。2.根据权利要求1所述的一种确定灌江纳苗适宜流速的实验装置，其特征在于：所述鱼苗释放装置（16）包括释放通道（20），所述释放通道（20）的底部设有存鱼网（21），所述存鱼网（21）开设有出鱼口（22），所述出鱼口（22）上设有挡板（23），所述挡板（23）两侧边通过滑道（24）与释放通道（20）连接，所述挡板（23）的上部设有限位杆，所述限位杆上设有限位孔（25），所述释放通道（20）上设有弹性限位块（38），所述弹性限位块（38）与限位孔（25）卡扣连接。3.根据权利要求1所述的一种确定灌江纳苗适宜流速的实验装置，其特征在于：所述鱼苗轨迹捕获装置（17）包括固定架（26）和相机（28），所述相机（28）设置在固定架（26）的顶部，所述固定架（26）与地面接触处设有防滑橡胶垫（27）。4.根据权利要求1所述的一种确定灌江纳苗适宜流速的实验装置，其特征在于：所述流速测量装置（18）包括底板（29）、竖直板（31）、安装架（32）和流速测量仪（39），所述竖直板（31）上设有刻度线（33），所述竖直板（31）垂直设置在底板（29）的一端，所述安装架（32）设置在竖直板（31）上，且安装板（32）可沿竖直板（31）上下移动，所述流速测量仪（39）设置在安装架（32）上，所述竖直板（31）与底板（29）之间设有稳定杆（30）。5.根据权利要求1所述的一种确定灌江纳苗适宜流速的实验装置，其特征在于：所述水位调节装置（19）包括闸门（34）、升降轴承（35）和调节转盘（36），所述升降轴承（35）的一端与闸门（34）连接，且另一端与调节转盘（36）连接。6.根据权利要求1所述的一种确定灌江纳苗适宜流速的实验装置，其特征在于：所述第一连接管（6）上设有第一阀门（10）、第一变频水泵（8）和第一流量计（12）。7.根据权利要求1所述的一种确定灌江纳苗适宜流速的实验装置，其特征在于：所述第二连接管（7）上设有第二阀门（11）、第二变频水泵（9）和第二流量计（13）。8.根据权利要求1所述的一种确定灌江纳苗适宜流速的实验装置，其特征在于：所述第一上游水箱（3）的出口处设有第一平水格栅（14），所述第二上游水箱（4）的出口处设有第二平水格栅（15）。9.一种采用权利要求1-8任一项所述的实验装置确定灌江纳苗适宜流速的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、使第一上游水箱（3）和第二上游水箱（4）持续充满水，水流流入水槽（37），通过下游水箱（5）流出，待水流稳定后，将鱼苗放入鱼苗释放装置（16）中；s2、将流速测量装置（18）移动到所需测量位置；s3、开启鱼苗释放装置（16），使鱼苗游向下游；s4、打开鱼苗轨迹捕获装置（17）中的相机（28），记录鱼苗的运动轨迹，游向主汊（1）的
下游或者支汊（2）；s5、开始测量流速，通过流速测量装置（18）测量水槽（37）内各区域的水流流速；s6、将鱼苗从水槽（37）中取出，将支汊（2）流量从小到大逐渐增大，每次增加1l/s，重复步骤s1-s5，获得设定组数的实验数据；s7、分析步骤s6获得的设定组数的实验数据，做出鱼苗进入支汊（2）的频率-流速图，以鱼苗进入支汊（2）频率大于60%为阈值，确定相应的适宜流速范围。10.根据权利要求9所述的一种确定灌江纳苗适宜流速的实验方法，其特征在于，所述流速v与影响因素的关系式为：其中，v为流速；a、a1、b、b1、c、c1、d、d1、e、e1、c为常数，通过实验数据拟合得到；l为鱼苗体长，m为鱼苗重量、s为水流紊动强度、w涡旋尺寸，q为汇流比，即支汊流量与汇合后下游总流量之比。

技术总结

本发明公开了一种确定灌江纳苗适宜流速的实验装置和实验方法，所述水槽的下游端设有下游水箱，水槽的上游端设有主汊和支汊，主汊的上游端设有第一上游水箱，支汊的上游端设有第二上游水箱，下游水箱通过第一连接管与第一上游水箱连接，下游水箱通过第二连接管与第二上游水箱连接，鱼苗释放装置设置在主汊上，鱼苗轨迹捕获装置设置在主汊与支汊汇合处，流速测量装置和水位调节装置均设置在水槽中。本发明通过逐渐调节水槽流量并测量相应位置的流速分布，统计鱼苗进入下游或支汊的频率，分析得到鱼苗进入支汊所需的适宜流速范围；并通过改变汇合角、流量、水深和汇流比，适用于不同江湖汇合处的门口形态，为灌江纳苗提供一定的技术参考。术参考。术参考。