竖缝式鱼道台阶型水面线计算方法、装置及存储介质

摘要

本申请公开了竖缝式鱼道台阶型水面计算方法，特别适用于非均匀流状态下鱼道隔板上下游水深、水面级差、以及竖缝流速计算。该方法包括：根据能量方程，建立竖缝处的流速公式和流量公式，并确定了流量系数，计算竖缝上下游台阶水深、水面级差、以及竖缝流速等。计算成果可用于合理确定鱼道边墙高度、纵比降、长度、以及侧堰尺寸等，填补鱼道水力设计的缺陷。

说明书

技术领域

本申请涉及水利工程技术领域，尤其涉及一种竖缝式鱼道台阶型水面计算方法、装置及存储介质。

背景技术

水力发电是一个清洁型能源发电，在我国有着极为广泛的应用，水力发电的发展带来的一个问题是人类破坏了鱼类的洄游，对水系中的鱼类洄游造成了影响。

鉴于这种情况，修鱼道成为目前解决问题的办法。鱼道是生态鱼繁衍洄游迁徙的重要通道，鱼道的水流从上游流向下游，而鱼类却从下游向上游逆流而上。修建人工鱼道在运行过程中的水面线均呈台阶型状态，尤其是非均匀流动，但当前并没有计算台阶状态水面线的方法。

发明内容

本申请实施例通过提供竖缝式鱼道台阶型水面线计算方法、装置及存储介质，特别适用于非均匀流状态下鱼道隔板上下游水深、水面级差、以及竖缝流速计算。计算成果可用于合理确定鱼道边墙高度、纵比降、长度、以及侧堰尺寸等，填补鱼道水力设计的缺陷。

第一方面，本发明实施例提供了一种竖缝式鱼道台阶型水面线计算方法，该方法包括：

根据竖缝式鱼道的流量公式；

确定竖缝式鱼道的流量系数；

计算所述竖缝式鱼道台阶水面的高度、水面级差、竖缝流速。

结合第一方面，在一种可能的方式中，所述鱼道的流量公式为：

其中，b表示竖缝的宽度，H表示隔板下游水深，Δh表示隔板前后水位差，g为重力加速度。

结合第一方面，在一种可能的方式中，L型隔板流量系数为0.82，直墙隔板流量系数为0.68。

结合第一方面，在一种可能的方式中，所述鱼道的流量公式建立在一个隔板的上下游。

结合第一方面，在一种可能的方式中，所述计算所述竖缝式鱼道中各台阶水面的高度，包括：由上游进水口水深估算初始流量，从下游已知水位开始，逆水向上游逐级递推每个隔板的上、下面水深、池室水面级差、竖缝流速；判断上游计算水位若高于或低于库水位，减小或增大流量重复计算，直至与库水位相近为止。

第二方面，一种竖缝式鱼道台阶行水面计算装置，该装置包括：

流量公式确定模块，用于建立缝隙式鱼道的流量公式；

水流系数确定模块，用于确定所述缝隙式鱼道的流量系数；

输出模块，用于计算所述竖缝式鱼道台阶水面高度、水面级差和竖缝流速。

结合第二方面，在一种可能实现的方式中，所述公式建立模块中公式建立的条件为：所述鱼道的流量公式建立在一个隔板的上下游。

结合第二方面，在一种可能实现的方式中，所述流量公式确定模块的公式为：

其中，b表示竖缝的宽度，H表示隔板下游水深，Δh表示隔板前后水位差，g为重力加速度。

结合第二方面，在一种可能实现的方式中，L型隔板流量系数为0.82，直墙隔板流量系数为0.68。

结合第二方面，在一种可能实现的方式中，所述输出模块中还包括判断模块：判断上游计算水位若高于或低于库水位，减小或增大流量重复计算，直至与库水位相近为止。

第三方面：一种竖缝式鱼道台阶型水面计算服务器，包括存储器和处理器；

所述存储器用于存储计算机可执行指令；

所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，以实现第一方面以及第一方面所述的方法。

第四方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有可执行指令，计算机执行所述可执行指令时能够实现第一方面以及第一方面所述的方法。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例通过采用了一种竖缝式鱼道台阶水面线计算方法、装置及存储介质。通过建立能量方程，得出竖缝处的流速公式和流量公式，再率定出流量系数，进而计算台阶型水面台阶水面的高度，水面级差、流速。该方法有效解决了现有技术中特别是非均匀流不能计算台阶水面线问题，计算成果可用于确定鱼道边墙高度、长度、比降、侧堰等几何参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供了竖缝式鱼道台阶水面线计算方法；

图2为本申请实施例提供了竖缝式鱼道台阶水面线隔板台阶型水面的高度示意图；

图3为本申请实施例提供的L型隔板竖缝水深流量关系图；

图4为本申请实施例提供的L型隔板流量系数与水位差即隔板下游水深关系图；

图5为本申请实施例提供的直墙隔板竖缝水深流量关系图；

图6为本申请实施例提供的直墙隔板流量系数与水位差即隔板下游水深关系图；

图7为本申请实施例提供的鱼道台阶型水面线；

图8为本申请实施例提供的鱼道台阶型水面线验证；

图9为本申请实施例提供的竖缝式鱼道台阶水面线计算方法的装置示意图；

图10为本申请实施例提供的竖缝式鱼道台阶水面线计算方法的设备示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

鱼道是生态鱼类繁殖洄游迁徙的重要通道，鱼道水流从上游向下游源源不断，鱼类却从下游向上游逆行而上。鱼道主要分孔口式、溢流堰式、竖缝式等多种形式，其中竖缝式鱼道应用最为广泛，常见的竖缝式鱼道有直墙型隔板和L翼型隔板两种形式，直墙式隔板在我国北方使用较多，其特点是省水，消能效率高，隔板数目少，但竖缝流态较差，水面跌落集中。L翼型隔板在南方使用较多，其特点是竖缝流态较好，水面跌落平缓，效能效率较小，需要的隔板数目增多。

第一方面，本发明实施例提供了一种竖缝式鱼道台阶型水面线计算方法，该方法如图1所示包括以下步骤：

步骤S101，建立缝隙式鱼道的流量公式。

步骤S102，确定缝隙式鱼道的流量系数。

步骤S103，计算竖缝式鱼道中各台阶水面高度、水面级差、竖缝流速。

在本申请中，采用了一种竖缝式鱼道台阶水面线计算方法、装置及存储介质，通过建立能量方程，得出竖缝处的流速公式和流量公式，再率定出流量系数，进而计算台阶型水面台阶水面的高度，水面级差、竖缝流速等。该方法有效解决了现有技术中特别是非均匀流不能计算台阶水面线问题，计算成果可用于确定鱼道边墙高度、长度、比降、侧堰等几何参数，填补了鱼道水力设计的缺陷。

观察鱼道原型和模型试验发现，竖缝式鱼道水流呈非均匀台阶型水面线流态，池室内水面是水平的，底坡可以是顺坡也可以是平坡，其过流能力与竖缝宽度、水深、以及池室水面级差有关，而与坡度和糙率大小无关。

竖缝式鱼道槽身内的水头损失应该包括沿程水头损失Δh

而鱼道隔板竖缝处的水流类似于宽顶堰流态，隔板上下游台阶型水面的高度Δh

竖缝式鱼道能量方程，包括：

其中H

一般的鱼道池室内的流速约0.1m/s左右，隔板上、下面距离较短，沿程水头损失忽略不计Δh

式中，V为竖缝流速；

其中b为竖缝宽度，H隔板下游水深，Δh为隔板前后水位差。

在步骤S101中，鱼道的流量公式建立在一个隔板的上下游。等式建立在隔板的上下游，在实际进行计算时，通过多次计算来确定隔板的数量，在效果相同的前提下，使用最少的隔板，降低鱼道的造价。

在步骤S102中，鱼道的流量系数取决于鱼道隔板的类型，具体地通过一个实例来进行鱼道系数的确定。竖缝式隔板端头型状是多式多样的，有圆头型，尖角型，还有L型拐角等，不同形状下的流量系数μ是不同的。由于过流能力与比降无关，可取水平池底，隔板上游池长2.0m，下游池长2.0m，池宽2.0m，池深2.5m，隔板厚度0.20m，竖缝宽度0.30m进行数值分析，如图2所示。数学模型选用Fluent软件，分别取隔板下游水深1.0m、1.50m、2.0m共3级水深，每级水深对应上游水深分别增加了0.03m、0.06m、0.09m、0.12m，共12个组合工况。每种工况待Fluent计算收敛后取其流量Q，代入公式(3)中，计算出流量系数，计算结果见下表1，表1表示L型隔板流量系数率定结果。在同一台阶型水面的高度ΔH下，点绘的流量～水深Q～H呈线性关系如图3所示。表明流量只与水深相关。图4为L型隔板的流量系数μ，μ＝0.82，与水深、台阶型水面的高度无关，与模型试验结果一致。

表1

直墙式隔板的流量系数率定结果见表2：

表2

以ΔH为参数点绘的水位～流量关系曲线见图5，流量系数μ与水深、台阶型水面的高度关系见图6。可见水深与流量直线关系良好，说明量系数μ仍为常数，取值0.68，与道模型试验率定结果是相同的。

结合第一方面，在一种可能的方式中，计算竖缝式鱼道中各台阶水面的高度，包括：

判断计算结果高于最高水位，减少或加大水流量，重复计算，直至与最高水位相近。

在使用本申请时，具体的一种实施过程为：

1、根据鱼道进、出口水位差ΔH、以及隔板数目N，确定鱼道池室平均水面级差Δh＝ΔH/N，用进水口水深H按公式

2、用Excel表，计算从下游开始，用公式

3、判断

4、计算Excel图形显示同步进行，以便及时纠正计算错误。

在进行使用本申请时，具体的使用实例为：某工程变动水位式出鱼口底板高程2541.0m，水深变幅1.0m～4.0m，引渠长约100.0m，共N＝39级台阶，底坡比降为2.658％。调节池坎高0.80m，底板高程2538.70m，坎顶高程2539.50m，坎上水深不超过2.0m，其余水量从侧堰溢流。

工况1：上游库水位2542.0m，调节池坎上水深1.0m，坎上水位2539.50+1.0＝2540.50m，求台阶型水面线；

工况2：上游库水位2543.0m，调节池坎顶水深2.0m坎上水位2539.50+2.0＝2541.50m，求台阶型水面线；

工况3：上游库水位2544.0m，调节池坎上水深2.0m，坎上水位2539.50+1.0＝2541.50m，求台阶型水面线。

工况4：上游库水位2545.0m，下游调节池坎上水深2.0m坎上水位2539.50+2.0＝2541.50m，求台阶型水面线。

具体的计算方法为：

第一步：上下游水头差ΔH＝2542.0-2539.5m＝2.50m，平均水位级差Δh＝2.50/39＝0.064m，已知上游出鱼口水深H，按照公式

第二步：在已知下游进鱼口水位(水深)H和流量Q的条件下，从下游第1道隔板开始，用Excel表由

第三步：一般情况下，推算至出鱼口断面计算水深会与已知库水位相近即视为收敛。若计算水深低于或高于库水位时，可将流量Q加大或减小从下游到上游重复计算，直至与库水位相近即可。

第四部：计算过程中可同步用Excel绘图，以便及时纠正计算错误。

对于上述出现的情况，计算水面线如表3(工况1)、表4(工况2)、表5(工况3)以及表6(工况4)变动水位鱼道出口引渠水利设计参数，用专业软件进行验证水面线验证如图7所示。

表3

表4

表5

表6

经过上述四个步骤的计算，本申请能够计算出每个隔板的上下游水深、水面级差、和竖缝流速。由上下游水深以及台阶型水面的高度，能够计算出各个台阶处的边墙的高度，节省了工程的材料，降低开支的同时，达到了相同的效果。

在本申请中，还提供一种竖缝式鱼道台阶行水面计算装置，如图该装置如图9所示包括：流量公式确定模块901、水流系数确定模块902、流量公式确定方案903、水流系数确定模块904以及输出模块905。

流量公式确定模块901，用于建立缝隙式鱼道的流量公式。

水流系数确定模块902，用于确定所述缝隙式鱼道的流量系数。

输出模块903，用于计算所述竖缝式鱼道中各台阶水面的高度、水面级差、以及竖缝流速。

竖缝式鱼道能量方程，包括：

其中H

一般的鱼道池室内的流速约0.1m/s左右，隔板上、下面距离较短，沿程水头损失忽略不计Δh

式中，V为竖缝流速；

其中b为竖缝宽度，H隔板下游水深，Δh为隔板前后水位差。

在水流系数确定模块902中如果进行的是L型的流量系数μ＝0.82；如果进行直墙式的流量系数μ＝0.68。

在输出模块903中还包括判断模块：用于判断计算结果高于最高水位，减少或加大水流量，重复计算，直至与最高水位相近。

如上所述的模拟实验中，是需要经过多次计算来确定输出结果的，如果输出的结果大于或高于最该水位时，可将流量Q加大或减小，从下游到上游重复计算，直至与最高水位相近即可。

上述实施例阐明的装置或模块，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。当然，也可以将实现某功能的模块由多个子模块或子模块组合实现。

本申请还提供一种竖缝式鱼道台阶型水面计算服务器，包括存储器1001和处理器1002；存储器1001用于存储计算机可执行指令；处理器1002用于执行计算机可执行指令，以实现本发明实施例提供的竖缝式鱼道台阶水面线计算方法。

上述存储介质包括但不限于随机存取存储器(英文：RandomAccessMemory；简称：RAM)、只读存储器(英文：Read-Only Memory；简称：ROM)、缓存(英文：Cache)、硬盘(英文：Hard DiskDrive；简称：HDD)或者存储卡(英文：MemoryCard)。所述存储器可以用于存储计算机程序指令。

第四方面，一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有可执行指令，计算机执行可执行指令时能够实现本发明实施例提供的竖缝式鱼道台阶水面线计算方法。

虽然本申请提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。本实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照本实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。

本申请中所述的方法、装置或模块可以以计算机可读程序代码方式实现控制器按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(英文：Application Specific Integrated Circuit；简称：ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：ARC 625D、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8051F320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

本申请所述装置中的部分模块可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、类等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的硬件的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，也可以通过数据迁移的实施过程中体现出来。该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，移动终端，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。本申请的全部或者部分可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、移动通信终端、多处理器系统、基于微处理器的系统、可编程的电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请技术方案的范围。