CN105043590B - 一种水库双温跃层变化规律连续自动观测装置及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水库双温跃层变化规律连续自动观测装置及其安装方法，该装置包括安装在大坝坝体内壁且竖直布置的钢管，钢管内设置有一根钢缆，钢缆上安装有若干组观测单元，每个观测单元包括两个水温探头，钢管上开有若干与水温探头相匹配的观测孔，钢管通过若干等距间隔布置的支架固接在大坝坝体内壁；钢管顶端安装有从动滑轮，钢缆绕过该从动滑轮后缠绕在一个安装在大坝坝体顶端的驱动滑轮上。本发明具有结构稳定、耐久性强、不易受水体流动/漂移影响、准确度高、可靠性强以及适用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程监测技术领域，具体涉及一种水库双温跃层变化规律连续自动观测装置及其安装方法。
背景技术
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。水库水温分层及下泄水温变化会在库区及下游河流造成一系列生态环境问题，所以如今的大型水利水电工程在蓄水后会根据需要对水库不同温层进行监测，以有效掌握水库水温分布实际情况，为优化水温变化不利影响减缓方案提供基础支撑，但现有水库水温分层监测方式比较原始，如公布号为CN103572733B的专利文件便公开了一种深水水库水温分层智能自调节改善装置和方法，该方案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。但该方案所采用的是悬浮式的结构，即采用非固定式，耐久性不强，而且易受水库库区水体流动、漂移等影响，其观测准确度不高，致使水库整体水温变化规律观测质量普遍存在系统性、代表性、可靠性不强等问题；且该方案只能监测宽范围的单一温跃层，若温跃层有2层且较窄时观测误差较大，即这种单层式监测装置并不适用于所用的水库，尤其是高坝 大库。
发明内容
本发明旨在提供一种水库双温跃层变化规律连续自动观测装置及其安装方法，以解决现有水库温跃层观测技术所存在的结构不稳定、耐久性差、易受水体流动/漂移影响、准确度差、可靠性差以及适用范围小等问题。
本发明是通过如下技术方案予以实现的：
一种水库双温跃层变化规律连续自动观测装置，包括安装在大坝坝体内壁且竖直布置的钢管，钢管内设置有一根钢缆，钢缆上安装有若干组观测单元，每个观测单元包括两个水温探头，所述钢管上开有若干与水温探头相匹配的观测孔，钢管通过若干等距间隔布置的支架固接在大坝坝体内壁；所述钢管顶端安装有从动滑轮，钢缆绕过该从动滑轮后缠绕在一个安装在大坝坝体顶端的驱动滑轮上。
所述水温探头为TDC-20水温传感器，分辨率0.01℃，精度为0.1℃，范围为-40～100℃，工作深度为0～200m。
所述钢缆直径为0.4cm，且钢缆上设有最小间隔0.5m的刻度。
所述钢管管径为20cm，所述观测孔的孔径为3cm。
所述驱动滑轮和从动滑轮的直径分别为25cm和10cm。
一种水库双温跃层变化规律连续自动观测装置的安装方法，该方法包括以下步骤：
(a)自上而下将水体分为上温跃层、中间层、下温跃层和滞温层；
(b)在大坝坝体内壁安装若干水平布置的支架，然后将开有若干观测孔的钢管竖直安装在支架前端部；
(c)选取用于安装水温探头的钢缆，然后在钢缆上安装若干组由两个水温探头组成的观测单元，水温探头的安装密集度和间隔距离与所属水温分层水体相匹配；
(d)将装有水温探头的钢缆自上而下穿入钢管内，保证钢缆底端伸出钢管且与水底相距5m；
(e)在钢管顶端铰接一个从动滑轮，钢缆绕过该从动滑轮后缠 绕在一个驱动滑轮上，驱动滑轮由电机驱动。
与上温跃层相对的钢缆分段上设置9组共计18个水温探头，水温探头竖直间距为3m。
与中间层相对的钢缆分段上设置10组共计20个水温探头，水温探头竖直间距为5m。
与下温跃层相对的钢缆分段上设置7组共计14个水温探头，水温探头竖直间距为3m。
与滞温层相对的钢缆分段上设置7组共计14个水温探头，水温探头竖直间距为10m。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明提供的水库双温跃层变化规律连续自动观测装置及其安装方法结合高坝大库的双温跃层水温结构区域的变化过程，采用固定安装式的观测装置，并沿大坝坝体内侧布置，保证不同水深处均设有若干水温探头，保证观测装置的高强度；此外，本发明还能观测双层温跃层变化规律，以确保水库垂向水温变化规律观测成果的系统性、代表性、可靠性，相较于传统的水库温跃层观测技术，本发明具有结构稳定、耐久性强、不易受水体流动/漂移影响、准确度高、可靠性强以及适用范围广等优点。
附图说明
图1是本发明的布置图；
图2是图1中虚线部分的放大图；
图3-图4是坝前垂向水温均值变化图；
图中：1-大坝坝体，2-驱动滑轮，3-钢缆，4-钢管，5-水温探头，6-观测孔，7-支架，8-水面，9-从动滑轮，10-上温跃层，11-中间层，12-下温跃层，13-滞温层。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但所要求的保护范围并不局限于所述；
如图1所示，本发明提供的水库双温跃层变化规律连续自动观测装置，它包括安装在大坝坝体1内壁且竖直布置的钢管4，钢管4内设 置有一根钢缆3，钢缆3上安装有若干组观测单元，每个观测单元包括两个水温探头5，所述钢管4上开有若干与水温探头5相匹配的观测孔6，钢管4通过若干等距间隔布置的支架7固接在大坝坝体1内壁；所述钢管4顶端安装有从动滑轮9，钢缆3绕过该从动滑轮9后缠绕在一个安装在大坝坝体1顶端的驱动滑轮2上。所述水温探头5为TDC-20水温传感器，分辨率0.01℃，精度为0.1℃，范围为-40～100℃，工作深度为0～200m。所述钢缆3直径为0.4cm，且钢缆4上设有最小间隔0.5m的刻度。所述钢管4管径为20cm，所述观测孔6的孔径为3cm。所述驱动滑轮2和从动滑轮9的直径分别为25cm和10cm。
实施例：红水河龙滩水电站
红水河龙滩水电站是国家实施西部大开发和“西电东送”战略的标志性工程，是红水河水电开发的骨干工程和龙头水库，工程主要开发任务为发电，兼有防洪、航运等综合效益。龙滩水电站水库正常蓄水位375m，相应库容162.1亿m3，死水位330m，相应库容50.6亿m3，水库具有年调节能力。大坝坝顶高程382m，坝前坝底高程210m。
根据水库库区水体垂向预测成果可知：每年12月至2月，水库垂向水体接近同温分布，库表、库底水体水温温差较小；每年3月至6月，水库垂向水体出现一个温跃层，基本在水库表层至水下40m，水面40m以下为滞温层；每年7月至9月，水库垂向水体会出现两个温跃层，第一个温跃层一般出现在水库表层至水下10m，第二个温跃层一般出现在水下60m至水下90m，水面90m以下为滞温层；每年10月至11月，水库垂向水体出现一个温跃层，基本在水库表层至水下70m，水面70m以下为滞温层。所以可将水库内的水体自上而下依次分为上温跃层10、中间层11、下温跃层12和滞温层13。
结合龙滩水库坝前垂向水体双温跃层出现区域范围预测情况，布设水温探头5共计33组66个(每组同高程均布置2个，一用一备)，钢缆3总长200m，钢缆3直径0.4cm，上标刻度，最小刻度为0.5m。
水温探头5采用TDC-20水温传感器，分辨率0.01℃，精度0.1℃，范围为-40～100℃，工作深度范围为0～200m，设置成每30分钟记录一次水温数据，此模式下电池寿命为一年。TDC-20水温传感器采用不锈钢外壳封装，仅有0.2mm的壁厚，具有很小的蓄热量，采用导热性 高的密封胶，保证了传感器的高灵敏性，极小的温度延迟，具有防压、防水、防潮功能。TDC-20水温传感器采集的水温数据通过GPRS数据通信平台接收至实验室指定计算机予以储存。
将本发明提高的水库双温跃层变化规律连续自动观测装置安装在龙滩水库，具体布置如下：
观测最大水深约170m，钢管4管径20cm，观测孔6为梅花孔，孔径3cm，各孔错开布置，布置高程在215m至380m之间，总长度165m，由上至下每间隔10m安装一个水平布置的支架7，共计17个水平支架7，分别在高程380m、370m、360m、350m、340m、330m、320m、310m、300m、290m、280m、270m、260m、250m、240m、230m、220m处予以布置。
钢缆3安装于钢管4内，其提升滑轮为两组提升滑轮，驱动滑轮2和从动滑轮9的直径分别为25cm和10cm，分别布置在大坝坝体1顶382m高程、钢管4管口380m高程处，提升动力为电动式。
将开有若干观测孔6的钢管4竖直安装在支架7前端部；在钢缆3上安装若干组由两个水温探头5组成的观测单元；将装有水温探头5的钢缆3自上而下穿入钢管4内，保证钢缆3底端伸出钢管4且与水底相距5m，即如图1-2所示。
在上温跃层10可能出现的区域，即高程350m至375m之间，由上至下每间隔3m布置一组水温探头5，共计9组18个，分别在高程375m、372m、369m、366m、363m、360m、357m、354m、351m处予以布置。
在中间层11，即高程300m至350m之间，由上至下每间隔5m布置一组水温探头5，10组共计20个，分别在高程346m、341m、336m、331m、326m、321m、316m、311m、306m、301m处予以布置。
在下温跃层12区域，即高程280m至300m之间，由上至下每间隔3m布置一组水温探头5，7组共计14个，分别在高程298m、295m、292m、289m、286m、283m、280m处予以布置。
在滞温层13区域，即高程210m至280m之间，由上至下每间隔10m布置一组水温探头5，共计7组14个，分别在高程270m、260m、250m、240m、230m、220m、210m处予以布置。
在观测时段内(2011年11月1日-2012年11月18日)，龙滩水库坝前实际最高水位为369m(2012年9月18日)，坝前最低水位为334m(2012年3月21日)，因此，观测数据整编时还对出露水体的水温在线观测探头传输的气温数据进行了剔除。
龙滩水库双温跃层变化规律连续自动观测结果情况：
2012年7月观测数据的典型小时均值统计结果表明：龙滩水库坝前水体的表层至水下20m范围为上温跃层10，水下55m至80m范围为下温跃层12，水面80m以下为滞温层13，温度约14.2℃。
2012年9月观测数据的典型小时均值统计结果表明：龙滩水库坝前水体的表层至水下15m范围为上温跃层10，水下65m至90m范围为下温跃层12，水面90m以下为滞温层13，温度约14.8℃。
2012年7月至9月，龙滩水库坝前双温跃层变化规律连续自动观测捕捉到的水库上温跃层10出现在水库表层至水下20m的范围，下温跃层12出现在水下55m～90m的范围，基本与龙滩水库水温预测提出的双温跃层范围相符，并对双温跃层出现的区域变化范围有进一步细化、精确，确保了对龙滩水库双温跃层出现的区域进行了有效覆盖，验证了龙滩水库预测结果的相对可靠性，达到了双温跃层变化规律连续自动观测工作预期的效果，为进一步提高龙滩水库水温变化规律数学模型研究、经验公式改进等深化研究工作提供了有效的数据支撑。根据观测结果计算出如图3和图4所示的2012年7月坝前垂向水温典型小时均值变化图和2012年9月坝前垂向水温典型小时均值变化图。
上述实施例仅为本发明的一个较佳实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术基础上所作出的变形、修饰或等同替换等，均应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种水库双温跃层变化规律连续自动观测装置，其特征在于：包括安装在大坝坝体(1)内壁且竖直布置的钢管(4)，钢管(4)内设置有一根钢缆(3)，钢缆(3)上安装有若干组观测单元，每个观测单元包括两个水温探头(5)，所述钢管(4)上开有若干与水温探头(5)相匹配的观测孔(6)，钢管(4)通过若干等距间隔布置的支架(7)固接在大坝坝体(1)内壁；所述钢管(4)顶端安装有从动滑轮(9)，钢缆(3)绕过该从动滑轮(9)后缠绕在一个安装在大坝坝体(1)顶端的驱动滑轮(2)上。
2.根据权利要求1所述的水库双温跃层变化规律连续自动观测装置，其特征在于：所述水温探头(5)为TDC-20水温传感器，分辨率0.01℃，精度为0.1℃，范围为-40～100℃，工作深度为0～200m。
3.根据权利要求1所述的水库双温跃层变化规律连续自动观测装置，其特征在于：所述钢缆(3)直径为0.4cm，且钢缆(3)上设有最小间隔0.5m的刻度。
4.根据权利要求1所述的水库双温跃层变化规律连续自动观测装置，其特征在于：所述钢管(4)管径为20cm，所述观测孔(6)的孔径为3cm。
5.根据权利要求1所述的水库双温跃层变化规律连续自动观测装置，其特征在于：所述驱动滑轮(2)和从动滑轮(9)的直径分别为25cm和10cm。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的水库双温跃层变化规律连续自动观测装置的安装方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(a)自上而下将水体分为上温跃层(10)、中间层(11)、下温跃层(12)和滞温层(13)；
(b)在大坝坝体(1)内壁安装若干水平布置的支架(7)，然后将开有若干观测孔(6)的钢管(4)竖直安装在支架(7)前端部；
(c)选取用于安装水温探头(5)的钢缆(3)，然后在钢缆(3)上安装若干组由两个水温探头(5)组成的观测单元，水温探头(5)的安装密集度和间隔距离与所属水温分层水体相匹配；
(d)将装有水温探头(5)的钢缆(3)自上而下穿入钢管(4)内，保证钢缆(3)底端伸出钢管(4)且与水底相距5m；
(e)在钢管(4)顶端铰接一个从动滑轮(9)，钢缆(3)绕过该从动滑轮(9)后缠绕在一个驱动滑轮(2)上，驱动滑轮(2)由电机驱动。
7.根据权利要求6所述的水库双温跃层变化规律连续自动观测装置的安装方法，其特征在于：与上温跃层(10)相对的钢缆(3)分段上设置9组共计18个水温探头(5)，水温探头(5)竖直间距为3m。
8.根据权利要求6所述的水库双温跃层变化规律连续自动观测装置的安装方法，其特征在于：与中间层(11)相对的钢缆(3)分段上设置10组共计20个水温探头(5)，水温探头(5)竖直间距为5m。
9.根据权利要求6所述的水库双温跃层变化规律连续自动观测装置的安装方法，其特征在于：与下温跃层(12)相对的钢缆(3)分段上设置7组共计14个水温探头(5)，水温探头(5)竖直间距为3m。
10.根据权利要求6所述的水库双温跃层变化规律连续自动观测装置的安装方法，其特征在于：与滞温层(13)相对的钢缆(3)分段上设置7组共计14个水温探头(5)，水温探头(5)竖直间距为10m。
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2015
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