CN107345413A - 一种无闸控制的分层取水装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无闸控制的分层取水装置和方法，包括：与水库连接的导流道，导流道上设有多块分层并呈辐射状设置的整流板，整流板与进水通道两侧的导墙固定连接，导流道尽头设置支墩，支墩上辐射状整流板所指向的辐射中心设有带有圆柱形筒体的转筒，筒体外圆面上相差180度设置进水孔和出水孔，转筒通过旋转驱动机构与控制器连接。本发明辐射状设置的整流板对准各个不同的水体分层，使用转筒形成可以任意转换的流道，实现在同一取水口高程可实现多目标分层取水效果，且具有连续性。本发明结构简单，操作方便，仅依靠简单的传动机构实现分层取水装置的工作和关闭状态，与传统分层取水设施相比，大大降低了工程造价。

Description

一种无闸控制的分层取水装置和方法

技术领域

本发明涉及一种无闸控制的分层取水装置和方法，是一种水工装置和方法，是一种对水库不同深度的水层取水的装置和方法。

背景技术

水库建成运行后，库区水温结构大多呈季节性分层状态，水温具有明显的沿深度分层分布的特点。水库上层为表温层，水体与空气直接进行热交换，吸收热能多，温度高，层内水温相互掺混，全层温度基本均一；下层为温跃层，存在于水面以下4~15m范围内，全层上下水温变化剧烈，温度梯度较大；最下为深水层，受外界热能影响较小，水温几乎无变化，常年维持在较稳定的低温状态。多个工程实测水温分布显示，分层型水库表层水温和底层水温最大垂向温差可达15~20°左右。考虑到水库的温度分层对库区及下游的生态环境有着巨大的影响，特别是对水生生态的影响，目前工程中多采用分层取水的方法来实现提取不同温度或水质的水体，以适应下游生态需求。

现有的一些分层取水方法包括一些专利和文献，如：公告号为CN203373809的“一种竖井式分层取水结构”，呈阶梯状在不同高程水平布置取水口，实现分层取水效果。公告号为CN103498445的《一种采用伸缩套管式分层取水的中低水头大坝》，利用伸缩套管控制取水高程，以提取不同高程水温。根据文献资料可知，目前分层取水措施通常为多个取水口或叠梁门分层取水措施，试验研究表明，多个取水口方案的每个取水口其取水效果单一，无法同时满足多种生态需求条件，叠梁门分层取水虽通过调节取水高程满足不同生态需求，但不适用于已建工程改造，且后期运行造价较高。传统分层取水结构常采用多层取水口或叠梁门取水，均属于横向取水方式，该取水方式取水水温单一，当下游生态需求复杂时，需要设置更多层取水口或减小叠梁门单节高度，由此产生的后果是工程造价增加，工程结构不稳定等，且可调控性差。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种无闸控制的分层取水装置和方法。所述装置和方法通过分层取水机构，可满足下游生态系统对水温的各种需求，同时实现了分层取水的无闸门控制。

本发明的目的是这样实现的：一种无闸控制的分层取水装置，包括：与水库连接的导流道，所述的导流道上设有多块分层并呈辐射状设置的整流板，所述的整流板与进水通道两侧的导墙固定连接，所述的导流道尽头设置支墩，所述的支墩上辐射状整流板所指向的辐射中心设有带有圆柱形筒体的转筒，所述的筒体外圆面上相差180度设置进水孔和出水孔，所述的转筒通过旋转驱动机构与控制器连接。

进一步的，所述的整流板的数量为3~5个。

进一步的，所述的整流板沿水流方向的纵向长度为5~10m。

进一步的，所述的转筒包括：圆柱形筒体，所述圆柱形筒体内通过至少三根龙骨支架与圆柱形筒体中心的转轴固定连接。

进一步的，所述的圆柱形筒体为钢质结构，外圆面设置止水橡胶材料。

进一步的，所述的进水孔和出水孔为形状和大小相同的矩形，所述矩形的宽度等于或略大于两块整流板接近转筒处的宽度，长度为转筒两个端面之间的距离。

进一步的，所述的旋转驱动机构包括：减速器和与减速器连接的电机，所述的转轴穿过导流道一侧的导墙与所述的减速器连接。

进一步的，所述支墩的厚度大于进水孔的宽度。

进一步的，所述的水库中设有能够测量水库各层水位的杆式温度计，所述的转轴上设有角位移传感器，所述的杆式温度计、角位移传感器与控制器电连接。

一种使用上述装置的分层取水的方法，所述方法描述如下：

分层取水装置初始状态时，进水孔与出水口之间的连线位于垂直状态，进水孔和出水孔都在支墩内，水流不能流过支墩，分层取水装置处于关闭状态；

收到分层取水指令以及取水温度的指令，根据取水温度的指令，控制器获取杆式温度计对水库深度尺度的水温进行测量，计算取水深度，并根据取水深度计算转筒的旋转角度；

启动电机，通过减速器带动转筒转动，经过角位移传感器的检测，达到所计算的旋转角度，然后停止，进行取水，取水状态如下：

当需要提取水库最上层水体时，进水孔位于最上层整流板与支墩之间，水库表层水体通过导流板与支墩之间的流道进入转筒，并通过转筒上的出水孔流出，流向下游；

当需要提取水库最下层水体时，进水孔位于最下层整流板与支墩之间，水库底层水体通过导流板与支墩之间的流道进入转筒，并通过转筒上的出水孔流出，流向下游；

当需要提取水库中层水体时，进水孔位于中间两层整流板之间，使两块整流板所指向的水库中层水体通过两块导流板之间的流道进入转筒，并通过转筒上的出水孔流出，流向下游；

或者进水孔停留在一块整流板的位置上，使该块整流板上下的水体能够按照分水比例进入转筒，并通过转筒上的出水孔流出，流向下游；

当收到停止取水指令时，转筒旋转，使进水孔和出水孔之间的连线垂直，取水孔和出水孔都在支墩内，则取水装置处于关闭状态。

本发明产生的有益效果是：本发明辐射状设置的整流板对准各个不同的水体分层，使用转筒形成可以任意转换的流道，实现在同一取水口高程可实现多目标分层取水效果，且具有连续性。整流板和转筒构成的分层取水机构可提前预制，然后安装于传统取水口上游，根据水库类型，可同时设置多个，适用于各种类型水库的分层取水，尤其适用于已建取水口的分层取水改造工程。本发明结构简单，操作方便，仅依靠简单的传动机构实现分层取水装置的工作和关闭状态，与传统分层取水设施相比，大大降低了工程造价。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述装置的平面结构示意图；

图2是本发明的实施例一所述装置的立面结构示意图；

图3是本发明的实施例一、四所述的装置处于关闭状态的示意图，是图1中的A点放大图；

图4是本发明的实施例一、四所述的装置处于打开状态的示意图，是图1中的A点放大图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种无闸控制的分层取水装置，如图1、2、3、4所示。本实施例包括：与水库1连接的导流道2，所述的导流道上设有多块分层并呈辐射状设置的整流板3，所述的整流板与进水通道两侧的导墙4固定连接，所述的导流道尽头设置支墩5，所述的支墩上辐射状整流板所指向的辐射中心设有带有圆柱形筒体的转筒6，所述的筒体外圆面上相差180度设置进水孔601和出水孔602，所述的转筒通过旋转驱动机构7与控制器连接。

分层取水的目的是当库区为水温分层型水库时，采用分层取水装置提取一定温度的水，以适应下游生态需求。通常情况下，下游生态的需求水温为一范围值，下泄水温过高或过低均对生态产生不利影响，因此应保证分层取水的水温在需求范围之内。本实施例所述的无闸控制的分层取水装置，结构简单，操作方便，造价低，适用于各种类型的水库分层取水，尤其适用于已建工程的分层取水改造。

本实施例的具体工作原理如下：在能够深入到水库深处的位置设置导流道，在导流道上设置辐射状的多层整流板，通过这种辐射状的整流板将水库不同水层分开。辐射状的整流板指向一个中心，在这个中心上设置筒形阀门。在这个筒形阀门上设置进水孔和出水孔，当进水孔对准两块整流板之间的空隙时，水流就可以从进水孔和出水孔穿过转筒，流向下游。图3为分层取水装置处于关闭状态示意图。进水孔和出水孔的连线处于垂直位置，分层取水装置处于关闭状态。启动控制器，通过旋转驱动机构转动转筒，当下游生态需要提取表层水体时，逆时针转动转筒（以图3纸面的方向为准，图3中的箭头B），进水孔位于两块整流板之间，水库表层水体通过导流流道进入转筒内，并通过出水孔流出，水体流向下游。图4为分层取水装置处于工作状态示意图。

当需要提取中层水体时，则继续逆时针转动转筒，水库中层水体通过新的导流流道对应的进水孔进入转筒，并通过出水孔，流向下游。

以此类推，根据不同取水需求，转动进水孔位置。进水孔也可位于两个导流流道之间，根据需求调整每个导流流道的分流比。当需要停止工作时，继续逆时针转动转筒，进水孔和出水孔之间的连线位于垂直位置，则取水装置处于关闭状态。

筒体上的进水孔和出水孔可以设计得大小和形状完全相同，当取水装置需要从关闭状态提取底层水体时，可顺时针转动转筒（图3中箭头C），快速达到需要的位置。

本实施例可以设置在已经建成的传统的取水口8之前（见图1），构建导流道两侧的导墙和支墩，并在支墩上设置旋转的转筒，以最少的工程量实现分层取水。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于整流板的细化。本实施例所述的整流板的数量为3~5个。

整流板根据需要可以设置多块，其立面排布为圆周排布，呈辐射状态，在半圆内均匀的排布多块整流板。整流板的数量可以根据水库的深度而定，如果水库深度较深，可以设置较多的整流板，相反则设置较少的整流板。

整流板设置在导流道上，导流道可以设置在水深较深的位置，导流道的尽头设置支墩，辐射状设置的整流板所指向的辐射中心应当为整个水深深度一半的位置，使各层水流都能够以最短的路线进入转筒中。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于整流板的细化。本实施例所述的整流板沿水流方向的纵向长度为5~10m。

整流板与导流道的两侧侧壁实际形成了管道，引导水流进入，多层的整流板形成了沿水深深度的多层进水口。各个整流板实际可以形成从水深深处到水表层的多个通道，而不是单纯的圆形。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于转筒的细化。本实施例所述的转筒包括：圆柱形筒体，所述圆柱形筒体内通过至少三根龙骨支架603与圆柱形筒体中心的转轴604固定连接，如图3、4所示。

筒体是空心的，以便水流通过，为使筒体旋转，空心的筒体中设置旋转轴，旋转轴与筒体之间通过龙骨支架连接。龙骨支架类似于自行车的辐条，支撑筒体。筒体直径越大，所需要的龙骨支架的根数越多。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于筒体的细化。本实施例所述的圆柱形筒体为钢质结构，外圆面设置止水橡胶材料。

为使圆柱形的筒体和中间的龙骨和转轴，均采用钢材或其他金属材料构成，使圆柱形筒体具有足够的强度，抵抗水流的冲击，同时满足能够轻巧旋转的要求。

圆柱形筒体的外圆面设置的止水材料，与支墩形成水密，防止水流从筒体和支墩之间泄露。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于筒体上的进水孔和出水孔的细化。本实施例所述的进水孔和出水孔为形状和大小相同的矩形，所述矩形的宽度等于或略大于两块整流板接近转筒处的宽度，长度为转筒两个端面之间的距离。

本实施例中的筒体实际是两个相差180度的半瓢。两个半瓢之间形成两个长狭缝，即进水孔和出水孔。进水孔和出水孔的位置也相差180度。两个半瓢有两端的端盖和中间的龙骨支撑。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于旋转驱动机构的细化。本实施例所述的旋转驱动机构包括：减速器和与减速器连接的电机，所述的转轴穿过导流道一侧的导墙与所述的减速器连接。

转轴穿过导墙需要设置止水设施，防止水流的渗透。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于支墩的细化。本实施例所述支墩的厚度大于进水孔的宽度。

支墩的厚度当然应当由所承受的水压和周围的地质环境所决定，但厚度应当大于进水孔或出水孔的宽度，即：进水孔或出水孔能够完全隐蔽在支墩中，在多数情况下这完全可以做到。换句话说，进水孔或出水孔的宽度应当小于支墩的厚度。

实施例九：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于控制系统的细化。本实施例所述的水库中设有能够测量水库各层水位的杆式温度计，所述的转轴上设有角位移传感器，所述的杆式温度计、角位移传感器与控制器电连接。

为使整个系统自动化，可以设置杆式温度计，测量水库沿水深方向（竖直方向）的温度梯度。通过测量水深的温度梯度给予控制器以取水深度的参考，到要求获取水温的温度时，根据这一温度梯度决定取那一层深度的水。而角位移传感器则是度量转筒的旋转位置，以达到分层取水的目的。控制器是具有数字运算和存储能力电子装置，可以是程序控制器，工控计算机等。

实施例十：

本实施例是一种使用上述装置的分层取水的方法。所述方法的基本思路是：

进水孔出水孔的连线位于垂直，分层取水装置处于关闭状态。启动控制器，通过传动机构转动转筒，当下游生态需要提取表层水体时，逆时针转动转筒，进水孔位于两块整流板之间，水库表层水体通过导流流道进入转筒，并通过另一进水孔流出，水体通过取水口流向下游。当需要提取中层水体时，则继续逆时针转动转筒，水库中层水体通过新的导流流道对应的进水孔进入转筒，并依次通过另一进水孔、取水口流向下游。以此类推，根据不同取水需求，转动进水孔位置。进水孔也可位于两个导流流道之间，根据需求调整每个导流流道的分流比。当需要停止工作时，继续逆时针转动转筒，进水孔位于垂直位置，则取水装置处于关闭状态。此外，当取水装置需要从关闭状态提取底层水体时，可顺时针转动转筒。

本实施例所述方法的具体描述如下：

分层取水装置初始状态时，进水孔与出水口之间的连线位于垂直状态，进水孔和出水孔都在支墩内，水流不能流过支墩，分层取水装置处于关闭状态。进水孔与出水口之间的连线位于垂直状态这是一种初始状态，即可以认为是原始状态，也可以认为是开启后的关闭。

收到分层取水指令以及取水温度的指令，根据取水温度的指令，控制器获取杆式温度计对水库深度尺度的水温进行测量，计算取水深度，并根据取水深度计算转筒的旋转角度。这是一个测控过程，即要进行水温梯度的测量，又要计算转筒的旋转角度。

下面是取水的四种状态，

启动电机，通过减速器带动转筒转动，经过角位移传感器的检测，达到所计算的旋转角度，然后停止，进行取水，下面是取水的四种状态，取最上层水体、却最下层水体，取中间水层的水体。取中间水层的水体也有两种情况：完全取一条水流通道中的出水，或者按分水比例同时取两个水流通道中的水体。

1）当需要提取水库最上层水体时，进水孔位于最上层整流板与支墩之间，水库表层水体通过导流板与支墩之间的流道进入转筒，并通过转筒上的出水孔流出，流向下游。

2）当需要提取水库最下层水体时，进水孔位于最下层整流板与支墩之间，水库底层水体通过导流板与支墩之间的流道进入转筒，并通过转筒上的出水孔流出，流向下游。

3）当需要提取水库中层水体时，进水孔位于中间两层整流板之间，使两块整流板所指向的水库中层水体通过两块导流板之间的流道进入转筒，并通过转筒上的出水孔流出，流向下游。

4）或者进水孔停留在一块整流板的位置上，使该块整流板上下的水体能够按照分水比例进入转筒，并通过转筒上的出水孔流出，流向下游。

当收到停止取水指令时，转筒旋转，使进水孔和出水孔之间的连线垂直，取水孔和出水孔都在支墩内，则取水装置处于关闭状态。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如导流道的形式、转筒取水的形式、转筒取水的运动方式、整体水工设施的形式等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种无闸控制的分层取水装置，包括：与水库连接的导流道，其特征在于，所述的导流道上设有多块分层并呈辐射状设置的整流板，所述的整流板与进水通道两侧的导墙固定连接，所述的导流道尽头设置支墩，所述的支墩上辐射状整流板所指向的辐射中心设有带有圆柱形筒体的转筒，所述的筒体外圆面上相差180度设置进水孔和出水孔，所述的转筒通过旋转驱动机构与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的分层取水装置，其特征在于，所述的整流板的数量为3~5个。

3.根据权利要求2所述的分层取水装置，其特征在于，所述的整流板沿水流方向的纵向长度为5~10m。

4.根据权利要求3所述的分层取水装置，其特征在于，所述的转筒包括：圆柱形筒体，所述圆柱形筒体内通过至少三根龙骨支架与圆柱形筒体中心的转轴固定连接。

5.根据权利要求4所述的分层取水装置，其特征在于，所述的圆柱形筒体为钢质结构，外圆面设置止水橡胶材料。

6.根据权利要求5所述的分层取水装置，其特征在于，所述的进水孔和出水孔为形状和大小相同的矩形，所述矩形的宽度等于或略大于两块整流板接近转筒处的宽度，长度为转筒两个端面之间的距离。

7.根据权利要求6所述的分层取水装置，其特在在于，所述的旋转驱动机构包括：减速器和与减速器连接的电机，所述的转轴穿过导流道一侧的导墙与所述的减速器连接。

8.根据权利要求7所述的分层取水装置，其特征在于，所述支墩的厚度大于进水孔的宽度。

9.根据权利要求8所述的分层取水装置，其特征在于，所述的水库中设有能够测量水库各层水位的杆式温度计，所述的转轴上设有角位移传感器，所述的杆式温度计、角位移传感器与控制器电连接。

10.一种使用权利要求9所述装置的分层取水的方法，其特征在于，所述方法描述如下：

分层取水装置初始状态时，进水孔与出水口之间的连线位于垂直状态，进水孔和出水孔都在支墩内，水流不能流过支墩，分层取水装置处于关闭状态；

收到分层取水指令以及取水温度的指令，根据取水温度的指令，控制器获取杆式温度计对水库深度尺度的水温进行测量，计算取水深度，并根据取水深度计算转筒的旋转角度；

启动电机，通过减速器带动转筒转动，经过角位移传感器的检测，达到所计算的旋转角度，然后停止，进行取水，取水状态如下：

当需要提取水库最上层水体时，进水孔位于最上层整流板与支墩之间，水库表层水体通过导流板与支墩之间的流道进入转筒，并通过转筒上的出水孔流出，流向下游；

当需要提取水库最下层水体时，进水孔位于最下层整流板与支墩之间，水库底层水体通过导流板与支墩之间的流道进入转筒，并通过转筒上的出水孔流出，流向下游；

当需要提取水库中层水体时，进水孔位于中间两层整流板之间，使两块整流板所指向的水库中层水体通过两块导流板之间的流道进入转筒，并通过转筒上的出水孔流出，流向下游；

或者进水孔停留在一块整流板的位置上，使该块整流板上下的水体能够按照分水比例进入转筒，并通过转筒上的出水孔流出，流向下游；

当收到停止取水指令时，转筒旋转，使进水孔和出水孔之间的连线垂直，取水孔和出水孔都在支墩内，则取水装置处于关闭状态。