[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种深水水库水温分层智能自调节改善装置和方法，属于水利水电工程运行和控制领域。

背景技术

大型水利水电工程在防洪、发电、航运、养殖、供水、调节气候变化等方面起到至关重要的作用，但水电工程建成运行后也易对流域生态环境造成负面影响。深水水库水温分层是较为常见并广受关注的一类水电环境问题。水库水温分层是指库区水位抬高、流速减缓后，水体热力学条件发生改变，水库水温形成的规律性垂向分层结构。常见的分层型水库沿垂向分为温变层、温跃层和滞温层：温变层近水表面，水温主要受气温和光照的影响，水温垂向梯度较小；深水处的滞温层水温常年保持稳定，垂向梯度变化较缓；温变层和滞温层之间为温跃层，厚度较薄，温度和密度沿垂向出现急剧变化。水库水温分层会在库区及下游河流造成一系列生态环境问题：例如，水温分层一般会伴随出现垂向密度和水质分层，尤其会对鱼类及底栖生物产生不利影响；又如，当下泄水体温度低于原河道天然水温，会对下游水生生物和农作物（灌溉）造成不同程度的影响。因此，如何通过有效技术手段消除、改善、调节深水水库的水温分层现象，不仅对库区水生态环境维护有着重要意义，而且对下游生境保护和农业安全保障也尤为重要。

目前消除水库水温分层的方法主要包括机械方法和水库调度方法两类，上述方法虽然工作途径不同，但本质原理都是力图通过施加外力在稳定分层水体中制造垂向紊流扰动，进而打破温跃层，使得上下层水体尽可能混合。实践表明，这些方法可在一定程度上改善水温分层，但也存在着比较明显的缺陷，主要表现在：

（1）机械方法常见有机械搅拌和垂向曝气两种。其中的机械搅拌方法需要预先确定温跃层的深度位置，在具体实施时，难以准确操控搅拌装置的空间和时间点，效果往往不佳。垂向曝气方法又可分为表面向下式和底部向上式两种模式，通过高压气泵向水体垂直曝气，借助气泡群在水中的运动施加扰动，如有授权公告号为CN102603087B的专利《深水型水源水库扬水曝气水质改善装置》，即公开了一种曝气装置用于混合水库湖泊上下层分层水体，但曝气方法的作用强度和范围较有限，一般只能用于小型的深水水库，成本也较高。

（2）近些年来，有关学者提出通过水库调度的方式改善水温层化，基本思路是通过改变水库的下泄流量，使库区水位产生波动进而改善库区水温分层现象，但该方法也受到水库自身设计状态及下游防洪、航运、供水的需求的限制，对水位波动幅度及调度时段的要求很高，需要经过科学设计和严格操作才能避免对下游防洪安全、水电机组等造成影响。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种深水水库水温分层智能自调节改善装置及方法，充分利用水体密度随水温变化的自然规律以及水库分层后温跃层在垂直方向上具有显著密度梯度变化的独特特性，通过装置动态自动识别定位温跃层的深度位置，自动调节控制装置所受浮力，使装置能够在温跃层附近上下往复运动，以加速上下层水体的混合，进而达到打破温跃层、改善底层水环境的目的。

技术方案：本发明所述的深水水库水温分层智能自调节改善装置，包括壳体和依附于所述壳体上的水下定位仪、深度测量仪、密度测量仪、数据处理器和变容推进装置；

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

所述变容推进装置设置在所述壳体内部，包括储气罐、阀门控制器、阀门、发动机、变容仓、液压杆和活塞，所述的阀门、发动机分别通过数据线与阀门控制器相连；

所述数据处理器通过数据传输线分别与深度测量仪、密度测量仪、阀门控制器和发动机相连；所述数据处理器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，通过阀门控制器打开阀门，同时发动机推动与液压杆相连的活塞向下运动，变容仓内体积增大，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，通过阀门控制器打开阀门，通过发动机拉动与液压杆相连的活塞向上运动，变容仓体积减小，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。

优选地，所述水下定位仪包括水下GPS定位仪和无线发射装置。