具体实施方式

本实施例提供一种水深-流速耦合的人工鱼类产卵场设计方法，具体包括以下步骤：

S1、调查鱼类在天然条件下的产卵场，测量产卵场的水深和流速，基于天然产卵场的水深和流速计算天然产卵场的弗劳德数，弗劳德数的定义为：

式中，Fr为弗劳德数，无量纲；v为流速，m/s；g为重力加速度，9.8m/s²；h为水深，m。

如果调查到天然产卵场有多处，则按产卵场规模加权，计算多个天然产卵场弗劳德数的加权平均值，记为最优弗劳德数Fr_opt；如果天然产卵场只有一处，则该处天然产卵场的弗劳德数就是最优弗劳德数Fr_opt。

弗劳德数是水深和流速的关系，满足最优弗劳德数的水深-流速关系，称为最优水深-流速关系。

S2、河床整体地形对流态起到控制性的作用，对于顺直河道，弗劳德数小于1为缓流，大于1为急流，通过河床地形改造在产卵场及其上游形成缓流，以满足鱼类产卵条件。

弗劳德数等于1时的底坡称为临界底坡，地形改造时，应满足人工产卵场及其上游河道的底坡小于临界底坡，进而使产卵场及其上游的弗劳德数小于1。

S3、在步骤S2明渠缓流的基础上，通过设置恰当的调流工程设施，调整水流流态，进一步以最优弗劳德数Fr_opt为目标微调人工鱼类产卵场的弗劳德数，同时满足鱼类产卵的其他需求。

本实施例中通过调流工程设施能够微调水流的弗劳德数和其他水动力参数，进而满足鱼类产卵需求，调流工程设施包括但不限于砂砾垫层、透水堰和原木基质中的一种或几种。

目前，产卵砂砾条件出现退化，多是因为细泥沙沉积填埋或限制了砂砾石间的水流条件。砾石特征指的是砂砾级配或河床砂砾组，影响河流的环境因子可能会限制适宜产卵砾石组成。砂砾产卵垫层是产粘沉性鱼类产卵的基本条件，本实施例中对不同节点产卵场设计主要在于通过在产卵场设置砂砾垫层恢复或构筑级配砂砾石补给机制，修复产卵边滩垫层结构。

产卵砾石必须足够小以便母鱼挖掘巢穴，但小粒径砂砾料在高流速下容易冲刷携带。根据山溪性河流产粘沉性鱼卵的底质条件的相关研究成果，结合本工程水力情况，砂砾垫层控制平均粒径D50＝20mm，其中10～50mm粒径组含量约占80％，其余20％由100mm和小部分2～5mm粗砂组成。

砂砾垫层(产卵垫)作为产卵场增强材料，采用当地砂、砾、卵石为构筑材料。为确保产卵垫层被来砂填埋或大水冲刷，垫层铺设位置选择尤为关键，选址应尽量避免冲积区，另可考虑配合控流结构物进行设置。

本实施例中砂砾垫层选址主要考虑天然产卵场分布情况，砂砾垫层深入平滩水位(100m³/s对应水位)一下0.5m，水位以上部分作为后期砂砾料补给源。

在生态水利工程中，用于河床内的鱼类栖息地结构物主要包括堰(V型透水堰、W型透水堰、J型透水堰)、堤坝(丁坝、防波堤、导流板等)、随机蛮石、河岸植被等，此外还有人工急流浅滩、鱼道结构、凹槽岸、漫滩水塘等。

W型透水堰(见图1、图2)、V型透水堰(见图3、图4)、J型透水堰等河床生态工法，不仅具有很好的控、导流效果，同时由此类结构形成的连续水力条件可能为鱼类繁殖、栖息、避险提供很好地保障，以近自然状态强化鱼类栖息地。以下主要介绍本工程所采用的控流生态工法(透水堰)的关键设计参数：

(1)离去角(透水堰堰臂与平滩河岸线夹角)

离去角介于20～30°，角度越小则堰臂相对长度越长，对平潭河岸的有效保护越长，在透水堰周边形成的连续水力条件范围越大。

(2)堰臂坡度

透水堰堰臂由平潭河槽向河床形成的倾斜斜率约2～7％，堰臂长度是由平潭河岸至1/3平潭河道宽度而形成的有效长度。下表为J透水型堰臂长度和平潭河道宽度比率V_L的经验公式，该比值可由曲率半径Rc/平潭河宽W、离去角表示。

表堰臂长度与平潭河宽比例经验公式

(3)臂端高度

透水堰臂端高程取平潭流量高程，河岸堤防高度较高时，透水堰臂端埋设于堤防平台内。

(4)基脚岩石埋深

本实施例中透水堰下方的河床基面由卵、粒石构成，根据卵砾石起动流速、冲刷深度分析，取基脚岩石的埋设深度大于出露结构高度至少1倍，臂端完全埋设于平潭河岸内。河床中心因结构间保留过流缝隙，基脚岩石出露10～20cm阻挡上游来砂。

本实施例中在透水堰下游紧接设置有深潭，深潭增加产卵场局部流态，并为鱼类产卵前后提供临时栖息，或越冬。

本实施例中圆木基质具有基质主体和固定于基质主体上能使该原木基质沉于河底的配重，基质主体由三根三角形排列的小圆木绑扎而成，圆木基质固定于河岸或河床，为鱼类产卵栖息提供场所的单元。研究表明，小型木材可为水生生物等提供避险遮蔽条件，并为鱼类提供觅食场所，增加圆木体积可以增加某些某些水生生物密度。木材可用于许多生态建筑结构，而且，木材是一种天然的河流结构和栖息地组成部分，可以大大增加河流栖息地多样性，减少其他材料(岩石、生态块等)的潜在副作用。

本例中圆木基质设置主要为了增加河床栖息地的生境多样性，基质群不仅能发挥圆木基质的遮蔽、栖息效果，同时起到蛮石丛消能、增加涡流效果。

基质主体长约5m、有效直径约0.5m(由多根小圆木绑扎而成，但要求每根小圆木直径大于10cm)。

根据圆木在水中的受力条件：

重量：F_G＝Vol_woodγ_wood

浮力：F_B＝Vol_{woodSubmerged}γ_water

摩擦力：F_f＝μF_N

水流力：

按照1.2稳定系数，可以计算得到设计圆木稳定配重混凝土(或蛮石)体积约1.2m³。

圆木基质投放于流速相对较小区域，并要求近堤脚处的圆木距离堤脚大于10m，以减小基床过度冲刷或引起堤脚掏刷。圆木基质顺流向放入河道，与水流方向夹角不大于45°。

图7为实施例中某工程的人工产卵场的平面布置示意图，河道原为两条支流，现状南侧已被回填，河道只剩下北侧通道，水流较急，适合部分产漂流性鱼类产卵。

工程建成后，在100m³/s流量条件下，产卵场处水力学条件较为复杂，但靠近图中水流方向左侧水深较浅，基本低于0.5m，导致该处产卵场局部适宜性一般，图中水流方向右岸流速较大，最大值约2.74m/s，该产卵场通过在靠近在侧局部区域挖深并设置底斜坡、深潭等改变地形以增加水深的工程措施。

该产卵场现状流速较大(6月份和7月份较为明显)，较适合产漂流性卵鱼类产卵。通过适宜性分析，为有效构建鱼类产卵生境条件，根据鱼类产卵繁殖需要，设计如下建设方案：

(1)连通水系

结合连通工程，将南侧已被回填堤防进行疏通，将两边支流进行连通，四周种植水生植物，同时对河道进行疏通，从而在该区域形成多汊的复杂水系条件。

(2)设置蛮石丛

建设蛮石丛，增加局部区域水流多样性，为产漂流性鱼类以及流水性鱼类栖息繁殖创造条件。

(3)设置W型透水堰

在产卵场上游河道设置W型透水堰。

(4)设置深潭

根据W型水堰结构特征及产卵垫层边滩位置，在W型水堰下游设置两处深潭，增加产卵场局部流态，并为鱼类产卵前后提供临时栖息，或越冬。

(5)构造卵砾边滩

在W型透水堰下游左岸(原浅滩处)通过设置砂砾垫层构造产卵垫层边滩。

(6)生态调度

在鱼类产卵繁殖季节(4～7月份)，根据上游来水情况，定期加大生态流量泄放，为鱼类产卵繁殖创造适宜水动力学条件。

图8为实施例中另一个工程的人工产卵场的平面布置示意图，工程开工建设前河道中心有大、小岛屿，岛屿右侧为卵石浅滩，但部分卵石浅滩已由于挖砂被破坏。

在100m³/s流量条件下，该产卵场水力学条件较为简单，正常条件下水深约0.6m，相对较浅，生境适宜性有待提高。该产卵场将以通过设置深潭、投放块石、设置潜水堰和鱼巢等手段提高局部紊乱程度等措施予以提高其适宜性。通过适宜性分析，为有效构建鱼类产卵生境条件，根据鱼类产卵繁殖需要，设计如下建设方案：

(1)构造卵砾边滩

通过设置砂砾垫层构筑卵砾边滩产卵垫，为鱼类产卵栖息提供良好的底质着床空间。

(2)设置圆木基质

在产卵垫前端投放圆木基质，增加流态多样性，并为幼鱼提供躲避生境条件。

(4)生态调度

在鱼类产卵繁殖季节(4～7月份)，根据上游来水情况，定期加大生态流量泄放，为鱼类产卵繁殖创造适宜水动力学条件。