一种鱼道实验装置及其运行方法技术领域
本发明涉及一种优化的生态鱼道设计，并能够进行鱼类洄游实验、水力特性实验、诱鱼实验等研究，特别适用于一种渠道引水式的鱼道实验装置。
背景技术
国外已在鱼道实验研究和实际工程运用中已取得丰富的经验，特别是美国于20世纪初已开始修建鱼道，并在50年代修建了世界上水头最高的鱼道，为水利工程建设后鱼类洄游及河流生态保护提供保障。目前我国新疆、西藏等地在水利工程建设后，通过学习国外的鱼道建设实践经验，尝试修建了鱼道等过鱼设施，但由于我国的地理差异及河流中的鱼类物种差异，导致过鱼效果差；而且由于人们的环保意识不高，导致河流中的漂浮物过多，容易堵塞鱼道，影响过鱼效果。
为了建设符合我国地域特点和满足不同鱼类物种需求的过鱼通道，我国的研究人员在鱼道研究方面做了较多实验，特别是水力学实验、诱鱼实验及鱼道过鱼实验。而实验的最终目的是将实验数据及实验模型应用于实际工程，但目前关于仿自然鱼道进水口状态的鱼道实验装置及防止鱼道堵塞的鱼道设计较为少见，而且不能准确的将水力特性实验的测点和鱼类上溯实验的轨迹准确的联系起来，所以在试验数据应用于实际工程时不太理想。如中国专利公开号为102176295A设计的多级跌坎凹槽竖缝式鱼道实验装置未考虑设置拦污栅，这将导致实际工程中的鱼道发生堵塞时，鱼道内的水力特性发生变化，过鱼效率会受到严重影响。而且某些鱼道（如中国专利公开号103437333A）的设计和建设时未考虑鱼类的游泳能力和体力状况，也会影响运行效果。另外，由于人力物力的限制，目前的在鱼道方面的数值模拟实验较多，可信度较低。
发明内容
本发明的目的是针对已有的鱼道实验装置存在的问题，设计一种能够防止漂浮物进入鱼道且不影响鱼类上溯的鱼道，而且本发明实验装置模拟自然河流的鱼道进水口，能够循环利用水资源，能够适用多种工况下的鱼道水力特性、鱼道过鱼实验，且能够将鱼类上行轨迹与鱼道内的水力特性实验准确匹配的一种鱼道实验装置及其运行方法。该实验装置不仅可以为鱼道实际工程建设提供参考，而且考虑了漂浮物进入鱼道，影响过鱼效率的问题；此外，该实验装置不仅便于检修，而且鱼道结构灵活可变，流量、坡度可调节，能研究不同工况下鱼道内的水力特性和过鱼效果，还能配合使用水下摄像装置的使用以观测鱼类上行轨迹和时间。
为解决上述技术问题，本发明专利所采用的技术方案是：一种鱼道实验装置，它包括缓冲箱，缓冲箱上设有底孔；缓冲箱和水池之间通过管道相连通，水池内部设置有水泵，水泵与管道相连，所述水泵的电源线与手控开关相连；缓冲箱的底孔正下方设置有引水渠，引水渠与环形水渠相连，环形水渠的末端设置有薄壁堰，薄壁堰后设置有稳流室，稳流室内部设置有稳流墙，稳流室的侧壁上设置有鱼道进水口，鱼道进水口鱼道相连，鱼道的两侧上方设置有轨道，在鱼道的侧面设置有水下摄像装置，鱼道的尾部设置有鱼道出水口，鱼道出水口通过鱼类适应室与水池相连通。
所述鱼道内部底面每隔1.2m设置一个鱼道隔板，隔板采用可拆卸连接，鱼道的上游位置设置有一号拦鱼栅，鱼道底部铺有白色方形板砖铺成的坐标网格，所述坐标网格的规格为100cm×100cm×1cm；所述轨道上设置有刻度，刻度与坐标网格的刻度保持一致。
所述鱼道进水口设置有拦污栅，鱼道进水口的侧面设置有鱼类休息室，鱼类休息室侧面的鱼道进水口设置有闸门，在闸门上设置有诱鱼装置
所述鱼类适应室内设置有两个二号拦鱼栅。
所述薄壁堰为木质材料制成，在薄壁堰的侧边设置有侧臂，侧臂能够调节薄壁堰的高度，薄壁堰最大运行高度为0.5m，设置有10个档位，每档为0.05m。
所述鱼道倾斜布置安装，其低端通过地面支撑，高端通过可伸缩支墩支撑；所述鱼道采用透明有机玻璃材料制成。
所述引水渠的墙面为粗糙率较大的混凝土结构。
所述稳流墙由红砖和水泥砂浆交错垒筑，稳流墙为砖孔交错结构，所述砖孔可用类砖防水模型封堵。
所述水泵共有三种不同型号，一号水泵流量为0.2m3/s，二号水泵流量为0.3m3/s，三号水泵流量为0.5m3/s。
采用鱼道实验装置的操作运行方法，它包括以下步骤：
1）首先，根据实验流量确定水泵开启方案，先用手控开关将三个水泵同时开启，待稳流室中的水位低于鱼道进水口底面以下5cm时，关闭一号水泵和三号水泵，调节侧臂至第五档，此时，通过流量计量测发现进入稳流室的流量略大于或等于0.25m3/s，如大于0.25m3/s，则可以利用一个或多个类砖防水模型封堵砖孔，使进入鱼道进水口的流量为0.25m3/s；
2）待流量达到0.25m3/s后，将流速仪装入流速架上，并将流速架放入鱼道的轨道上，根据轨道上刻度和鱼道底面的坐标网格刻度定位流速仪的测量位置，左右移动流速仪、上下滑动流速架，依次测量每个监测点的流速数据，当进行工况二试验时，此时流量为0.3m3/s，通过侧臂将薄壁堰高度调至0档，移开稳流墙上的类砖防水模型即可快速进行工况二条件下的水力特性实验；
3）当进行鱼类上溯实验时，采用步骤1）-2）的方法确定流量，待流量达到实验流量后，将实验鱼一放入鱼类适应室内，启用诱鱼装置，启用水下摄像装置，拉开闸门，移去一号拦鱼栅，当实验鱼一适应30分钟后，将实验鱼一用网兜移至鱼道出水口，进行上溯实验，同时将实验鱼二移至鱼类适应室内，并监视实验鱼一的上行轨迹和上行时间，每条实验鱼上行时间标准定为30分钟，待鱼类成功上溯至鱼道进水口后，用一号拦鱼栅封闭鱼道进水口末端，直至实验鱼一在规定时间进入鱼类休息室后，关闭闸门，用网兜回收实验鱼，如鱼在规定时间没有进入鱼类休息室，将实验鱼驱赶进入鱼类休息室，关闭闸门，移开拦鱼栅，同时将实验鱼类二移入鱼道出水口进行上溯实验。实验中无论成功与否达到规定时间后，直接用实验鱼二进行实验，反复循环实验至所有实验鱼成功上行或超过实验时间未成功上行为止。记录所有实验鱼的上行时间和条数，并根据摄影录像观察并绘制实验鱼上行轨迹图。调整工况，重复上述实验；
4）完成一种工况条件下的实验后，可以同时改变流量条件，更换不同型式的鱼道隔板或通过可伸缩支墩改变鱼道坡度，进行不同工况及其组合工况条件的实验。
本发明有如下有益效果：
1、本发明实验装置通过引水渠、环形水渠、稳流室能够进行消能，同时利用稳流墙消能并平稳水流使得鱼道进水口的水流条件尽量与实际工程相似，使实验更有现实意义；此外，本实验装置能够循环利用水资源，是一个生态实验装置。
2、本发明实验装置通过水泵、薄壁堰、稳流墙共同控制流量，能够快速控制实验流量，从而节省大量时间和电量。
3、本发明实验装置考虑在鱼道进水口前增加拦污栅，在其旁设置休息室和闸门及诱鱼装置，能够保证鱼道不堵塞的同时促使鱼类能够顺利上行，在实验中能够验证现有诱鱼技术的效果，并且便于回收试验鱼；在实际工程中可将鱼类休息室改为鱼道出口，能解决目前国内鱼道建设后堵塞致鱼道不能正常运行的问题。
4、本发明实验装置在鱼道底部设置用标准白色方格板砖铺成的坐标格，配合水下摄像装置的使用，能够准确定位鱼类上行轨迹和确定上行时间；并且在水力特性实验中，参照坐标格定位流速仪的测量位置，能够使鱼类上行轨迹和鱼道内各点的流速匹配，使水力特性实验根据有实际意义。
5、本发明的实验装置能在鱼道内同时进行鱼类上行实验和诱鱼实验，能够得出一套完整的实验数据，且鱼道进水口的诱鱼装置能够验证鱼道出水口诱鱼措施的有效性。
6、本发明实验装置施工、检修方便，材料易得，成本相对低廉，且非专业技术施工人员都可以满足要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为一种鱼道实验装置及其运行方法的正视图。
图2为一种鱼道实验装置及其运行方法的俯视图。
图3为一种鱼道实验装置及其运行方法的总体结构图。
图4为一种鱼道实验装置及其运行方法的鱼道结构图。
图5为一种鱼道实验装置及其运行方法的稳流墙平面图。
图6为一种鱼道实验装置及其运行方法的鱼道进水口7及附属装置结构图。
图中：1、缓冲箱；2、引水渠；3、环形水渠；4、薄壁堰；5、稳流室；6、稳流墙；7、鱼道进水口；8、鱼道；9、可伸缩支墩；10、鱼道隔板；11、鱼道出水口；12、鱼类适应室；13、水池；14、水泵；15、水管；16、手控开关；17、侧臂；18、拦污栅；19、鱼类休息室；20、闸门；21-1、一号拦鱼栅；21-2、二号拦鱼栅；22、诱鱼装置；23、砖孔；24、轨道；25、坐标网格；26、轨道；27、底孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
如图1-6所示，一种鱼道实验装置，它包括缓冲箱1，缓冲箱1上设有底孔27；缓冲箱1和水池13之间通过管道15相连通，水池13内部设置有水泵14，水泵14与管道15相连，所述水泵14的电源线与手控开关16相连；缓冲箱1的底孔27正下方设置有引水渠2，引水渠2与环形水渠3相连，环形水渠3的末端设置有薄壁堰4，薄壁堰4后设置有稳流室5，稳流室5内部设置有稳流墙6，稳流室5的侧壁上设置有鱼道进水口7，鱼道进水口7鱼道8相连，鱼道8的两侧上方设置有轨道24，在鱼道8的侧面设置有水下摄像装置26，鱼道8的尾部设置有鱼道出水口11，鱼道出水口11通过鱼类适应室12与水池13相连通。
进一步的，所述水泵14通过水管15与缓冲箱1连接，缓冲箱1将水流引至引水渠2后，依次进入环形水渠3、薄壁堰4、稳流室5、鱼道结构，最终流入水池13，实现水流的循环利用。
进一步的，利用引水渠2、环形水渠3及稳流墙6进行消能，使进入鱼道结构的水流与天然条件下的水流相似。
进一步的，通过水泵14控制流量，通过薄壁堰4、稳流墙6调节流量，能够快速控制实验流量，并且节省电量，节约成本。
进一步的，所述缓冲箱1为圆形水桶，通过缓冲箱1能够对水泵14所抽取的水进行有效的缓冲，防止其过大的冲击能。
进一步的，所述鱼道8内部底面每隔1.2m设置一个鱼道隔板10，隔板10采用可拆卸连接，鱼道8的上游位置设置有一号拦鱼栅21-1，鱼道8底部铺有白色方形板砖铺成的坐标网格25，所述坐标网格25的规格为100cm×100cm×1cm；所述轨道24上设置有刻度，刻度与坐标网格25的刻度保持一致。
进一步的，通过坐标网格25能够方便的记录鱼类的回游轨迹，从而便于后续的进一步研究。
进一步的，通过在轨道24上设置有刻度能够方便流速测量仪的移动，且能准确定位测量点位置。
进一步的，所述鱼道进水口7设置有拦污栅18，鱼道进水口7的侧面设置有鱼类休息室19，鱼类休息室19侧面的鱼道进水口7设置有闸门20，在闸门20上设置有诱鱼装置22
进一步的，所述鱼类适应室12内设置有两个二号拦鱼栅21-2。通过此装置能够保证鱼类在上行实验之前，能够在指定空间适应足够长的时间。
进一步的，所述薄壁堰4为木质材料制成，在薄壁堰4的侧边设置有侧臂17，侧臂17能够调节薄壁堰4的高度，薄壁堰4最大运行高度为0.5m，设置有10个档位，每档为0.05m。
进一步的，所述鱼道8倾斜布置安装，其低端通过地面支撑，高端通过可伸缩支墩9支撑；所述鱼道8采用透明有机玻璃材料制成。
进一步的，所述引水渠2的墙面为粗糙率较大的混凝土结构。
进一步的，所述稳流墙6由红砖和水泥砂浆交错垒筑，稳流墙6为砖孔23交错结构，所述砖孔23可用类砖防水模型封堵。通过在砖孔23内部堵塞类砖防水模型能够有效的控制水的流量。
进一步的，所述水泵14共有三种不同型号，一号水泵流量为0.2m3/s，二号水泵流量为0.3m3/s，三号水泵流量为0.5m3/s。通过三种不同型号的水泵14能够根据试验要求，提供不同流量的水量，从而提高了工作效率。
如图4-6，鱼道8底面设有板砖铺成的坐标网格25，在鱼道8的每个水池13及鱼道进水的侧面装一个摄像装置，摄像装置与服务器连接，在电脑显示屏中可以看到鱼道8每个水池13中的动态，在此鱼道8内进行鱼类上溯实验，能够准确定位鱼类上行轨迹和时间；鱼道8上设有轨道26，轨道26上的刻度与坐标网格25的纵向刻度一致，将装有流速仪的流速架置于鱼道8的轨道26上，通过左右移动或上下滑动流速仪可以测得各测点的流速数据，因此能够将水力特性的实验测点与鱼类上溯轨迹匹配起来，使模型实验更具有现实意义。
进一步的，在鱼道进水口7设置拦污栅18，防止漂浮物进入鱼道8中，以免堵塞影响鱼道8运行；在实验前开启诱鱼装置22，当鱼类成功上行至鱼道进水口7后，拉开闸门20，关闭拦鱼栅21-1，鱼类可以通过鱼道进水口7旁的闸门20进入鱼类休息室19，诱鱼装置22可以引导鱼类快速进入鱼类休息室19，利用现有的诱鱼技术可以验证诱鱼效果。在实际工程中，可以将鱼类休息室19改为与斜向下游方向的通道，使上溯鱼类从侧门进入河流上游，也不会导致鱼道8堵塞的问题。
采用鱼道实验装置的操作运行方法，它包括以下步骤：
1）首先，根据实验流量确定水泵14开启方案，例如某种工况下流量为0.25m3/s，先用手控开关16将三个水泵14同时开启，待稳流室5中的水位低于鱼道进水口7底面以下5cm时，关闭一号水泵和三号水泵，调节侧臂17至第五档，此时，通过流量计量测发现进入稳流室5的流量略大于或等于0.25m3/s，如大于0.25m3/s，则可以利用一个或多个类砖防水模型封堵砖孔23，使进入鱼道进水口7的流量为0.25m3/s；
2）待流量达到0.25m3/s后，将流速仪装入流速架上，并将流速架放入鱼道8的轨道26上，根据轨道26上刻度和鱼道8底面的坐标网格25刻度定位流速仪的测量位置，左右移动流速仪、上下滑动流速架，依次测量每个监测点的流速数据，当进行工况二试验时，此时流量为0.3m3/s，通过侧臂17将薄壁堰4高度调至0档，移开稳流墙6上的类砖防水模型即可快速进行工况二条件下的水力特性实验；
3）当进行鱼类上溯实验时，采用步骤1-2的方法确定流量，待流量达到实验流量后，将实验鱼一放入鱼类适应室12内，启用诱鱼装置22，启用水下摄像装置，拉开闸门20，移去一号拦鱼栅21-1，当实验鱼一适应30分钟后，将实验鱼一用网兜移至鱼道出水口，进行上溯实验，同时将实验鱼二移至鱼类适应室12内，并监视实验鱼一的上行轨迹和上行时间，每条实验鱼上行时间标准定为30分钟，待鱼类成功上溯至鱼道进水口7后，用一号拦鱼栅21-1封闭鱼道进水口7末端，直至实验鱼一在规定时间进入鱼类休息室19后，关闭闸门20，用网兜回收实验鱼，如鱼在规定时间没有进入鱼类休息室19，将实验鱼驱赶进入鱼类休息室19，关闭闸门20，移开拦鱼栅21-1，同时将实验鱼类二移入鱼道出水口进行上溯实验。实验中无论成功与否达到规定时间后，直接用实验鱼二进行实验，反复循环实验至所有实验鱼成功上行或超过实验时间未成功上行为止。记录所有实验鱼的上行时间和条数，并根据摄影录像观察并绘制实验鱼上行轨迹图。调整工况，重复上述实验；
4）完成一种工况条件下的实验后，可以同时改变流量条件，更换不同型式的鱼道隔板10或通过可伸缩支墩9改变鱼道坡度，进行不同工况及其组合工况条件的实验。
本发明的具体工作过程和工作原理为：
水流通过水泵14从水池13进入缓冲箱1中，再经过引流结构中的引水渠2、环形水渠3、稳流室5进入鱼道结构，最后汇入水池13中；通过开启不同型号的水泵14及其组合控制总流量，再通过调节薄壁堰4的高度和稳流墙6上砖孔23的开闭控制实验所需流量。
本发明的实验装置所述的引水结构能够根据河流的实际状况使鱼道进水口7的水流条件与实际工程相似，从而使得水力特性实验更具实际意义。
本发明的实验装置所述的鱼道进水口7前设拦污栅18，旁边设置鱼类休息室19，并用闸门20将鱼类休息室19和鱼道进水口7隔开，闸门20旁设有灯管和虹吸管，首先能够防止杂物进入鱼道8内，影响实验的效果和进度，在实际工程中能够防止鱼道8堵塞，影响鱼道8正常运行；同时旁边设有休息室，闸门20、灯管和虹吸管，鱼类成功上行后，通过灯光诱鱼和水流诱鱼将鱼引入休息室内，待鱼进入后关闭闸门20，便于回收实验用鱼，在实际工程中，运用诱鱼方法使上行鱼类从侧门洄游至上游，就可以避免拦污栅18的堵塞上行通道的问题，而且能够防止鱼道8堵塞，侧道与水流方向垂直，不易堵塞。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。