三维立体曲面生态调节堰及其设计方法

水利;给水;排水工程装置的制造及其处理技术1.本发明涉及环境保护技术领域，具体涉及一种三维立体曲面生态调节堰及其设计方法。背景技术：2.在河流治理中，为了满足防洪﹑蓄水、灌溉﹑航运、景观和生活等功能的需要，通常修建横跨河流的拦河堰堰或者丁字潜堰。但是在传统堰体设计时很少考虑堰体对生态的不利影响，堰本质上是河床斜坡的中断，会对上下游生物造成多种障碍，包括：上下游落差阻止游泳物种向上游游迁移；堰顶形状影响攀爬物种；上游或下游的浅水深度改变水流速度、上游堰的回水淹没改变河道生境，导致水生生物向流速较慢和较深的生境转移；堰体的建造阻挡水生生物的移动，影响鱼类的洄游，甚至造成洄游鱼类的灭绝；改变沉积物沉积，上游沉积物沉积增加导致水质发生变化，水深增加和流速降低还会导致溶解氧降低和水温升高；堰堰会改变下游的水流和泥沙状况，进而影响下游栖息地和水质。阻碍鱼类和其他水生生物运动的河道结构特征包括垂直落差大、高水流速度、过度湍流、尖角、光滑基底等。急需一种满足河道整治要求且具有生态调节功能的堰体结构，减小对鱼类和其他水生生物的影响。技术实现要素：3.本发明克服现有堰体结构存在不利水生态的结构特征的问题，改变具有光滑混凝土底部和陡峭水力落差的传统堰结构，设计了一种具有生态调节功能的三维立体曲面生态调节堰及其设计方法。4.为了解决上述问题，本发明采用如下的设计方案：5.一种三维立体曲面生态调节堰，所述堰包括横跨河道的堰体，所述堰体位于河道中间的位置低，位于河道两端的位置高，所述堰体沿河道方向分为上游段，中段及下游段，所述中段的顶端截面为圆形，所述上游段的堰面坡度为18-30°，所述下游段的堰面坡度小于1:10。6.优选的，所述堰体横跨所述河道的截面的顶部呈v形，从而在所述堰体的边缘区域产生较平缓的水流区域，并有一个向堰中心的低流量通道。7.优选的，所述v形的角度在5-10°，通过参考当地的洄游鱼类在迁徙过程中对水流速度的要求，设计合适的v型角度。8.优选的，所述堰体沿河道方向的截面呈梭形。9.优选的，落差≤1米时，所述下游段的坡度小于1:10；落差为1-4米时，所述下游段的坡度小于1:15。所述下游段堰面的设计流量满足鱼类通道设计流量，保证河段中的目标鱼类通过该河段。通过鱼类游动速度方程用于确定设计水流速度和堰面长度。10.优选的，所述堰体表面粗糙，形成适合鱼类运动的边界层，并有利于降低平均水流速度。11.优选的，用直径150到200毫米的混合岩石覆盖堰面。所述岩石间隔70-90毫米排布，且间隔不规则，以在堰上形成水力多样的水流结构。12.优选的，岩石的长轴垂直于堰面，并至少嵌入50％。岩石最宽的轴线朝向水流。13.本发明进一步提供上述生态调节堰的设计方法，所述方法包括如下步骤：14.(1)根据当地的洄游鱼类在迁徙过程中对水流速度的要求，确定合适的v型角度；15.(2)通过鱼类游动速度方程确定设计下游堰面的坡度和堰面长度；16.(3)基于临界剪应力方法确定堰面粗糙度。17.与现有技术相比，本发明具有显著的进步：18.克服现有堰体结构存在不利水生态的结构特征的问题，本发明改变具有光滑混凝土底部和陡峭水力落差的传统堰堰结构，设计了一种具有生态调节功能的三维立体曲面生态调节堰。所述堰体侧面轮廓为一个向堰体两侧上升的v形侧面轮廓，在边缘区域产生较平缓的水流区域，并有一个向中心的低流量通道。所述下游段堰面的设计流量满足鱼类通道设计流量，保证河段中的目标鱼类通过该河段。通过鱼类游动速度方程用于确定设计水流速度和堰面长度。所述堰体表面粗糙，形成适合鱼类运动的边界层，并有利于降低平均水流速度。附图说明19.图1是本发明实施例的堰结构的平面布置示意图。20.图2是本发明实施例的堰结构横跨所述河道的截面。21.图3是本发明实施例的堰结构沿河道方向的截面。22.图4是本发明实施例的岩石摆放视图。23.其中，附图标记说明如下：堰体-1，上游段-2，中段-3，下游段-4，岩石-5。具体实施方式24.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。25.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。26.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。27.如图1所示，本发明的堰结构的一种实施例。28.本实施例的堰结构包括堰体，所述堰体在满足水头及河道整治要求下，堰顶为圆形，所述堰体位于河道中间的位置低，位于河道两端的位置高，所述堰体沿河道方向分为上游段，中段及下游段，所述中段的顶端截面为圆形，所述上游段的堰面坡度为18-30°，所述下游段的堰面坡度小于1:10。29.如图2所示，所述堰体横跨所述河道的截面的顶部呈v形，从而在所述堰体的边缘区域产生较平缓的水流区域，并有一个向堰中心的低流量通道。所述v形的角度在5-10°，通过参考当地的洄游鱼类在迁徙过程中对水流速度的要求，设计合适的v型角度。30.如图3所示，所述堰体沿河道方向的截面呈梭形。落差≤1米时，所述下游段的坡度小于1:10；落差为1-4米时，所述下游段的坡度小于1:15。所述下游段堰面的设计流量满足鱼类通道设计流量，保证河段中的目标鱼类通过该河段。31.所述堰体表面粗糙，形成适合鱼类运动的边界层，并有利于降低平均水流速度。如图4所示，本发明选用直径150到200毫米的混合岩石覆盖堰面。所述岩石间隔70-90毫米排布，且间隔不规则，以在堰上形成水力多样的水流结构。岩石的长轴垂直于堰面，并至少嵌入50％。岩石最宽的轴线朝向水流。32.本发明还提供堰设计方法的实施例。33.所述方法包括如下步骤：34.(1)根据当地的洄游鱼类在迁徙过程中对水流速度的要求，确定堰顶形状；35.(2)通过鱼类游动速度方程确定设计下游堰面的坡度和堰面长度；36.(3)基于临界剪应力方法确定堰面粗糙度。37.所述步骤(1)中，在满足水头及河道整治要求下，堰顶设计采用宽顶堰设计，避免尖顶设计。宽顶设计降低了产生跌落水流的可能性，跌落水流会阻碍鱼的通过。波峰的下游边缘应该是圆形的，而不是尖锐的，以允许攀爬的鱼越过顶部边缘并继续向上游。堰顶凹口设计为是v形，与半圆形或矩形凹口相比，更有助于鱼类通过。通过模拟当地的洄游鱼类在迁徙过程中对水流速度的要求，设计合适的v型角度。38.所述步骤(2)中，设计下游堰面时，应避免垂直堰面和堰面上有台阶或唇缘。所述下游堰面的坡度设计遵循坡度最小化原则。落差≤1米时，坡度应小于1:10；落差1-4米时，坡度应小于1:15。下游堰面的设计速度满足鱼类通道设计流量保证设计河段的目标鱼类通过该河段。所述下游堰面设计的关键原则是确定河流目标鱼类物种、生命阶段和现场河段提供通道的最小尺寸。39.可通过鱼类游动速度方程确定设计水流速度和堰面长度。根据目标生物已知的游泳能力模拟当地河流特征来确定结构的水力性能标准。设计流量：初始评估中确定的目标鱼种的洄游期鱼类通道设计流量范围，满足结构的水力性能标准的流量范围。鱼类通道低流量(ql)是提供鱼类通道的最低流量。根据经验，ql设定为95％的最大临界流量(即超过95％的时间段流量)。qh是满足鱼通道水力性能标准的最高流量。一个经验法则是qh使用20％的最大临界流量。40.为了通过堰向上游前进，河段目标物必须超过水流速度游泳。水流速度越低，物种向上的游泳速度越慢，以及物种在精疲力尽之前能行进的距离越大。选择最大允许水流速度，使物种能够通过堰堰的长度，不会在设计流量范围内耗尽。水流速度、鱼的游泳速度和堰面长度(l)之间的关系可以用由生物动力学方程计算为：41.uw＝uf-(l/t)42.uw为设计水流速度，uf为鱼的游泳速度，l为堰面长度，t为在uf下疲劳时间(即鱼以给定速度连续游泳时达到力竭所需的时间)。针对不同的uf值求解，所得曲线可用于确定理论上允许物种通过给定设计水流速度的合适堰堰长度。应该注意的是，这种关系不仅与物种有关，而且与目标物种的大小、环境条件(如水温)有关。因此，在确定uf，目标河段的物种、生命阶段和环境条件也要考虑。43.确定最大可通过的水流速度后，使用水力设计方程来确定该速度在鱼通道设计流量范围内出现的斜率，同时考虑堰的几何形状(即下游面的宽度、形状、下游面上的基底)。对于给定的水头落差，坡度决定堰的长度。确定设计速度后，计算相关水深，确定该深度是否会阻碍目标物种通过。44.上游堰面的坡度在设计过程中，堰的上游面一般做成垂直面，因堰体稳定或布置上的需要，堰的上游面也做成倾斜面。由于过堰水流受上游面边界形状的影响，上游面倾斜的溢流堰水力特性与上游面垂直的不完全相同。既要有较大的泄流量，又要安全、经济及可靠。30°斜坡有助于降低堰顶上游和通过堰顶的最大水流速度，为下游通过创造更好的条件。在本设计中考虑18-30°的上游堰面坡度的设计。45.所述步骤(3)中，整体堰面粗糙设计时注意堰面应避免使用光滑混凝土，堰面应增加粗糙度，形成适合鱼类运动的边界层，并有利于降低平均水流速度。目前没有确定的方法来确定人工粗糙基底的稳定性，但可以使用临界剪应力方法指导设计流量的基底尺寸，河床上的最大剪应力不应超过构成基质的颗粒的临界剪应力。对于混合粒度的基质，临界床剪应力法也适用。如图4所示，本设计选择用150到200毫米的混合岩石覆盖堰面。岩石间隔紧密(70-90毫米)且间隔不规则，以在堰上形成水力多样的水流结构。岩石的长轴应垂直于堰面，并至少嵌入50％。岩石最宽的轴线应该朝向水流。这样的设计不仅降低堰前表面的水流速度，还会提供堰前湿润的边缘。46.本实施例的堰结构可以在河流上的现有堰本体上进行改造获得，也可以在新的河流上施工建造而成。47.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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。









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