[发明专利]一种深水水库水温分层智能自调节改善装置和方法

权利要求书

1.一种深水水库水温分层智能自调节改善装置，其特征在于：包括壳体（1）和依附于所述壳体（1）上的水下定位仪、深度测量仪、密度测量仪、数据处理器（18）和变容推进装置；

所述壳体（1）上部呈椭球流线型，中下部呈圆柱型，与上部平滑连接，尾端嵌有实心承重圆盘（3），所述实心承重圆盘（3）的外圆周上套有转环（4），转环（4）外侧固定有尾翼（5）；

所述变容推进装置设置在所述壳体（1）下部，包括储气罐（20）、阀门控制器（21）、阀门（22）、发动机（23）、变容仓（24）、液压杆（25）和活塞（26），所述的阀门（22）、发动机（23）分别通过数据线与阀门控制器（21）相连；

所述数据处理器（18）通过数据传输线（19）分别与深度测量仪、密度测量仪、阀门控制器（21）、发动机（23）相连；所述数据处理器（18）根据深度测量仪和密度测量仪的测量值计算出密度梯度后，对密度梯度大小进行判断，当密度梯度大于0.15kg/m³/m时，通过阀门控制器（21）打开阀门（22），同时发动机（23）推动与液压杆（25）相连的活塞（26）向下运动，变容仓（24）内体积增大，进而整个装置的浮力增大，当浮力大于装置自身的重力时，装置向上运动；相反，当密度梯度小于或等于0.15kg/m³/m时，通过阀门控制器（21）打开阀门（22），通过发动机（23）拉动与液压杆（25）相连的活塞（26）向上运动，变容仓（24）体积减小，进而整个装置的浮力减小，当浮力小于装置自身的重力时，装置下沉，如此上下往复运动，直至水温分层得到改善。

2.根据权利要求1所述的深水水库水温分层智能自调节改善装置，其特征在于：所述水下定位仪包括水下GPS定位仪（7）和无线发射装置（8）。

3.根据权利要求1所述的深水水库水温分层智能自调节改善装置，其特征在于：所述深度测量仪为两组，水平对称布置，每组均包括滑块（9）、滑道（10）、弹簧（11）、压力感应器（12），所述滑道（10）嵌入在所述壳体（1）的外壁中，所述压力感应器（12）设置在滑道（10）的内端面上，所述滑块（9）通过弹簧（11）与所述压力感应器（12）连接，受水压力沿所述滑道（10）上滑动。

4.根据权利要求1所述的深水水库水温分层智能自调节改善装置，其特征在于：所述密度测量仪包括进水管（13）、水流缓冲膜（14）、密度仓（15）、测量球（16）和拉力计（17）；所述密度仓（15）设置在所述壳体（1）内部，所述进水管（13）由若干绝热细管组成，上下左右斜对称呈“X”形布置在所述密度仓（15）的外侧，所述进水管（13）末端与密度仓（15）之间设置水流缓冲膜（14）；所述测量球（16）通过拉力计（17）悬挂在所述密度仓（15）的内顶壁上。

5.根据权利要求1所述的深水水库水温分层智能自调节改善装置，其特征在于：所述壳体（1）由轻质防水材料制成。

6.根据权利要求1所述的深水水库水温分层智能自调节改善装置，其特征在于：所述壳体（1）的顶端设置有拉钩（2）。

7.根据权利要求1所述的深水水库水温分层智能自调节改善装置，其特征在于：所述实心承重圆盘（3）的底部设置有触底感应器（6），所述触底感应器（6）通过数据传输线（19）与所述数据处理器（18）相连。

8.根据权利要求1所述的深水水库水温分层智能自调节改善装置，其特征在于：所述尾翼（5）形状为倾斜扭转式，翼面与水平方向夹角为45°～60°；所述尾翼（5）由铝合金材料制成，共八根，均匀对称固定在所述转环（4）上，长度为实心承重圆盘（3）直径的1/2～1/3。

9.根据权利要求4所述的深水水库水温分层智能自调节改善装置，其特征在于：所述测量球（16）由绝热材料制成，密度为常温下水体密度的1.05～1.10倍。

10.利用权利要求1-9所述深水水库水温分层智能自调节改善装置进行深水水库水温分层智能自调节改善的方法，其特征在于，按以下步骤实施：

（a）将所述深水水库水温分层智能自调节改善装置运输至坝前或需要改善水温分层的区域，采用船载吊机钩住拉钩（2），缓慢将装置放入水中，打开装置电源控制开关，装置开始工作，此时变容推进装置的活塞（26）在顶部，装置自身重量克服浮力作用逐渐缓慢下沉；

（b）当装置淹没于水中时，深度测量仪、密度测量仪开始测量水深和密度，测量频率为1次/s；装置保持缓慢下沉；由于水体压强，滑块（9）向内侧的压力通过弹簧（11）传至压力感应器（12），记录水深变化；同时,水流通过“X”形进水管（13）进入密度仓（15），测量球（16）所受浮力及拉力计（17）读数f随水体密度变化，水深h、水体密度ρ_h，分别按下式计算：

水深：h=(F₁+F₂)/（2ρ_hgπr²）；

水体密度：ρ_h=(G-f)/（Vg）；

式中，ρ_h为深度h处的水体密度，kg/m³；G为测量球重力，N；V为测量球的体积，m³；f为拉力计的读数，N；g为重力加速度，m/s²；F₁、F₂分别为左右压力感应器测出的压力，N；r为滑道的半径，m；

（c）将步骤（b）中监测的水深h及对应的水体密度ρ_h通过数据传输线（19）传输至数据处理器（18）,数据处理器（18）按下式计算水体的垂向密度梯度：

垂向密度梯度：Div(ρ)=Δρ/Δh；

其中，Div(ρ)为垂向密度梯度，kg/m³/m。；Δρ为相邻两次监测的水体密度差，kg/m³，Δh为相邻两次监测装置所处的深度差，m；

（d）由于水体密度随水温变化而变化，密度梯度较大处即为水库的温跃层；数据处理器（18）对密度梯度进行判断，当密度梯度大于0.15kg/m³/m时，通过阀门控制器（21）打开阀门（22），同时发动机（23）推动与液压杆（25）相连的活塞（26）向下运动，变容仓（24）内体积增大，进而整个装置的浮力增大，当浮力大于装置自身的重力时，装置向上运动，倾斜扭转式尾翼（5）受水体冲击力而发生转动，加速上下层水体混合；

（e）装置在上浮过程中，重复步骤（b）～（c），当密度梯度小于或等于0.15kg/m³/m时，通过阀门控制器（21）打开阀门（22），通过发动机（23）拉动与液压杆（25）相连的活塞（26）向上运动，变容仓（24）体积减小，进而整个装置的浮力减小，当浮力小于装置自身的重力时，装置下沉，倾斜扭转式尾翼（5）受水体冲击力而发生转动，加速上下层水体混合；

（f）重复步骤（b）～（d），直至装置找不到温跃层；

（g）若垂向密度梯度始终小于0.15kg/m³/m，装置会沉入水底并触动触底感应器（6），进而阀门控制器（21）打开阀门（22），发动机（23）推动与液压杆（25）相连的活塞（26）向下运动，变容仓（24）内体积增大，装置的浮力增大，装置向上运动，直至浮出水面。