CN113668447A

CN113668447A - 一种冬季输水水温调控的水下库中库系统

Info

Publication number: CN113668447A
Application number: CN202110778218.XA
Authority: CN
Inventors: 赵新
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2021-07-09
Filing date: 2021-07-09
Publication date: 2021-11-19

Abstract

本发明公开一种冬季输水水温调控的水下库中库系统，包括软膜坝体、柔性保温层、侧向锚固桩、侧向锚固绳、补水阀、补水泵、补水软管、排水阀、排水泵、排水软管、排水渠道和漂浮式太阳能板；软膜坝体为双层结构，在两层软膜坝体中间是柔性保温层，软膜坝体的上方或下方设置有悬浮升降装置；侧向锚固桩设置于水库一侧，侧向锚固绳连接侧向锚固桩和软膜坝体，补水软管连接软膜坝体和水库水体，补水阀和补水泵串联设置于补水软管与软膜坝体的连接位置，排水软管连接软膜坝体和排水渠道，排水阀和排水泵串联设置于软膜坝体和排水软管连接的位置；排水渠道一侧连接排水软管，另一侧连接输水渠道；浮式太阳能板设置于软膜坝体上方的水面。

Description

一种冬季输水水温调控的水下库中库系统

技术领域

本发明涉及寒区河道、渠道冬季输水中的冰害防治领域，特别是涉及一种冬季输水水温调控的水下库中库系统。

背景技术

寒冷地区的输水工程冬季输水过程中往往会面临冰凌的影响，在气候条件较为寒冷的地区可以采用冰盖下输水的方式，但是对于相对不太寒冷的地区，例如我国华北平原，冬季往往难以形成稳定的冰盖。而冰盖一旦破碎，大量冰凌随水流向下游运动，下游输冰压力不断增大，往往会在断面变化、底坡变化以及涉水建筑物(闸门、桥梁)等位置停滞、下潜、堆积形成冰塞或冰坝灾害，堵塞过水断面，减小断面过流能力，继而可能引发河渠溢流等凌汛灾害，严重威胁人民生命、财产安全。针对上述较不寒冷地区的冰期输水问题，如果能够利用水库向输水渠道注入高温水，就可以控制冰凌的产生量，冬季实现无冰输水，则一方面可以从根本上避免冰塞、冰坝危害的发生，另一方面可以充分发挥工程的输水能力，无冰输水流量近乎于冰盖下输水的两倍。

而因为水库深度较大，因此即使水库表面结冰，水库深处的水温仍然高于冰点而不结冰。基于此为了实现无冰输水，可以利用输水工程沿线中水库中的水为渠道中的水体提供热能。但是水在4℃时的密度最大，也就是说水库深处的水温大约为4℃左右，该温度往往难以满足无冰输水对能量的需求，而使水库水温整体上升的技术难度和经济成本较高。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种冬季输水水温调控的水下库中库系统；通过软膜坝体和保温结构，在水库中形成相对独立的小水库，并利用太阳能对库中库系统中的水体进行加热升温，从而实现利用较低的经济成本，较少的水量，实现对冬季输水水温的有效调控。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种冬季输水水温调控的水下库中库系统，包括软膜坝体、柔性保温层、侧向锚固桩、侧向锚固绳、补水阀、补水泵、补水软管、排水阀、排水泵、排水软管、排水渠道和漂浮式太阳能板；软膜坝体为双层结构，在两层软膜坝体中间是柔性保温层，软膜坝体的上方或下方设置有悬浮升降装置，用于约束软膜坝体在水库中的悬浮深度；所述侧向锚固桩设置于水库一侧，侧向锚固绳连接侧向锚固桩和软膜坝体，侧向锚固绳对软膜坝体的移动范围实现约束，所述补水软管连接软膜坝体和水库水体，补水阀和补水泵串联设置于补水软管与软膜坝体的连接位置，排水软管连接软膜坝体和排水渠道，排水阀和排水泵串联设置于软膜坝体和排水软管连接的位置；所述排水渠道一侧连接排水软管，另一侧连接输水渠道；浮式太阳能板设置于软膜坝体上方的水面，用以将太阳能转化为软膜坝体内水体的热能。

进一步的，所述悬浮升降装置其中一种型式是由设置于软膜坝体上表面中心位置的顶部浮体和设置于软膜坝体下方的底部锚固桩组成，所述底部锚固桩与软膜坝体通过底部锚固绳连接；所述底部锚固绳与电机连接，实现对软膜坝体悬浮深度的动态调整。

进一步的，所述悬浮升降装置另一种型式由设置于软膜坝体下表面中心位置的底部压重和设置于软膜坝体上方水面的浮体装置，所述浮体装置与软膜坝体之间通过顶部锚固绳连接，所述顶部锚固绳与电机连接，实现对软膜坝体悬浮深度的动态调整。

进一步的，所述悬浮升降装置最后一种型式由底部压重、顶部气囊、空气泵、气囊水阀和漂浮工作台组成；所述底部压重设置于软膜坝体下表面中心位置，漂浮工作台设置于软膜坝体上方的水面，顶部气囊设置于软膜坝体上表面中心位置，气囊水阀设置于顶部气囊上，空气泵设置于漂浮工作台上，空气泵和顶部气囊之间通过导气软管连接；需要调整软膜坝体悬浮深度时，打开气囊水阀，利用空气泵向顶部气囊充气，顶部气囊中原有水体经气囊水阀排出，软膜坝体上浮；反之利用空气泵将顶部气囊中的气体抽出，外部水体经气囊水阀进入顶部气囊，库中库下沉；相应的，通过调整顶部气囊气压使得顶部气囊中的水量和能够克服浮力时，关闭气囊水阀，软膜坝体深度维持不变。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

冬季输水水温调控的锚固库中库方案结构简单，原理清晰，悬浮深度动态可调，应用效果显著，适用范围广泛。充分利用太阳能作为升温能源，运行能耗低；可全天候显著提升输水水温，降低冰塞、冰坝危害发生，保障冰期输水的安全和稳定；同时大幅提升输水能力，提高工程的输水效益，为实现冰期无冰盖输水奠定必要基础。

附图说明

图1a和图1b是本发明具体实施例一中锚固库中库系统结构的平面布置及纵向剖面示意图。

图2a至图2c是本发明具体实施例二中悬挂库中库系统结构的平面布置及纵向剖面示意图。

图3a至图3c是本发明具体实施例二中气囊式库中库系统结构的平面布置及纵向剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种冬季输水水温调控的锚固库中库系统，如图1a和图2b所示，在水库与输水渠道连接一侧在水下设置库中库，库中库由锚固绳固定在水下。库中库内部的水体由漂浮在库中库上方水面的太阳能板将太阳能转化为热能进行加热。具体来说，该库中库系统由软膜坝体1、柔性保温层2、顶部浮体3、底部锚固桩4、底部锚固绳5、侧向锚固桩6、侧向锚固绳7、补水阀8、补水泵9、补水软管10、排水阀11、排水泵12、排水软管13、排水渠道14、漂浮式太阳能板15组成。软膜坝体1为双层结构，在两层软膜坝体1中间是柔性保温层2，顶部浮体3位于软膜坝体1顶面中心位置，底部锚固绳5连接底部锚固桩4和软膜坝体1，侧向锚固绳7连接侧向锚固桩6和软膜坝体1，在本例中安装两条侧向锚固绳6。侧向锚固绳6对库中库即软膜坝体1的水平移动范围实现约束，顶部浮体3和底部锚固绳5共同约束软膜坝体1在水库中的悬浮深度。补水软管10连接软膜坝体1和水库水体，补水阀8和补水泵9串联位于补水软管10与软膜坝体1连接位置，排水软管13连接软膜坝体1和排水渠道14，排水阀11和排水泵12串联位于软膜坝体1和排水软管13连接的位置。排水渠道14一侧连接排水软管13，一侧连接输水渠道。漂浮式太阳能15板位于库中库即软膜坝体1上方水面，将太阳能转化为软膜坝体1中水体的热能。

该实施例中软膜坝体1为半径10米的球体，容积约4186.7立方米，锚固于水库设计水位下方5米深度，距离库岸约10米。底部锚固绳长12米，两根侧向锚固绳长15米。

该实施例的锚固库中库系统方案，利用太阳能给相对较小的库中库供能升温。同时利用水库深层温度较高的特点，结合柔性保温层，降低库中库即软膜坝体1中水体热量的散失速度。升温后的高温水体通过排水泵和排水阀，经排水渠道将高温水混合到输水渠道中，补充的高温水由于水流的紊动作用，可以快速提高整个输水断面的平均水温，避免输水渠道中产生大量冰凌而危害工程输水安全。

运行过程中宜选择在白天太阳辐射较强时，通过打开补水阀和补水泵给软膜坝体1进行补水。软膜坝体1上方水面的漂浮太阳能板持续将太阳能转化为水体的热能，从而该库中库系统方案可以实现补水、升温、供给高温水的可持续性同步进行。

实施例2：

一种冬季输水水温调控的悬挂库中库系统方案，如图2a至图2c所示，在水库与输水渠道连接一侧的水下设置库中库，库中库由底部压重3和顶部锚固绳103共同作用固定在水下。库中库内部的水体由漂浮在库中库上方水面的太阳能板15将太阳能转化为热能进行加热。具体来说，该库中库系统由软膜坝体1、柔性保温层2、底部压重101、顶部浮体102、顶部锚固绳103、侧向锚固桩6、侧向锚固绳7、补水阀8、补水泵9、补水软管10、排水阀11、排水泵12、排水软管13、排水渠道14、漂浮式太阳能板15组成。软膜坝体1为双层结构，在两层软膜坝体1中间是柔性保温层2，底部压重101位于软膜坝体1底面中心点，顶部浮体102位于软膜坝体1上方水面，顶部锚固绳103连接顶部浮体102和软膜坝体1，侧向锚固绳7连接侧向锚固桩6和软膜坝体1，在本例中安装两条侧向锚固绳7。补水软管10连接软膜坝体1内水体和水库水体，补水阀8和补水泵9串联位于补水软管10与软膜坝体1连接位置，排水软管13连接软膜坝体1内水体和排水渠道14，排水阀11和排水泵12串联位于软膜坝体1和排水软管13连接的位置。排水渠道14一侧连接排水软管13，一侧连接输水渠道。浮式太阳能板15位于顶部浮体102上方，将太阳能转化为软膜坝体1中水体的热能。

该实施例中库中库即软膜坝体1为半径10米的球体，容积约4186.7立方米，悬挂于水库水位下方3米深度，距离库岸约10米。顶锚固绳长3米，两根侧向锚固绳长15米。

该实施例的悬挂库中库系统方案利用底部压重维持软膜坝体在水中的悬浮姿态，侧向锚固绳对软膜坝体的移动范围实现约束，顶部浮体和顶部锚固绳则共同约束软膜坝体在水库中的悬浮深度。利用太阳能给相对较小的软膜坝体供能升温。同时利用水库深层温度较高的特点，结合柔性保温层，降低库中库即软膜坝体水体热量的散失速度。升温后的高温水体通过排水泵和排水阀，经排水渠道将高温水混合到输水渠道中，补充的高温水由于水流的紊动作用，可以快速提高整个输水断面的平均水温，避免输水渠道中产生大量冰凌而危害工程输水安全。

运行过程中宜选择在白天太阳辐射较强时，通过打开补水阀和补水泵给软膜坝体进行补水。软膜坝体上方水面的漂浮太阳能板持续将太阳能转化为水体的热能，从而该库中库系统方案可以实现补水、升温、供给高温水的可持续性同步进行。

实施例3：

一种冬季输水水温调控的气囊式库中库系统方案，如图3a至图3c所示，在水库与输水渠道连接一侧的水下设置库中库，库中库由底部压重201和顶部气囊202共同作用下在水下悬浮。库中库内部的水体由漂浮在库中库上方水面的太阳能板18将太阳能转化为热能进行加热。具体来说，该库中库由软膜坝体1、柔性保温层2、底部压重201、顶部气囊202、气囊水阀203、漂浮工作台204、空气泵205、导气软管206、侧向锚固桩6、侧向锚固绳7、补水阀8、补水泵9、补水软管10、排水阀11、排水泵12、排水软管13、排水渠道14、漂浮式太阳能板15组成。软膜坝体1为双层结构，在两层软膜坝体1中间是柔性保温层2，漂浮工作台204位于库中库即软膜坝体1上方水面，顶部气囊202位于软膜坝体1顶面中心点，气囊水阀203位于顶部气囊202上，空气泵205位于漂浮工作台204上，导气软管206连接空气泵205和顶部气囊202，侧向锚固绳7连接侧向锚固桩6和软膜坝体1，本例中选择安装两条侧向锚固绳7。补水软管10连接软膜坝体1内的水体和水库水体，补水阀8和补水泵9串联位于补水软管10与软膜坝体1连接的位置，排水软管13连接软膜坝体1和排水渠道14，排水阀11和排水泵12串联位于软膜坝体1和排水软管13连接的位置。排水渠道14一侧连接排水软管13，另一侧连接输水渠道。漂浮式太阳能板15位于漂浮工作台204上，将太阳能转化为软膜坝体1水体的热能。

该实施例中软膜坝体为半径10米的球体，容积约4186.7立方米，由顶部气囊控制可以改变悬浮深度，距离库岸约10米，两根侧向锚固绳长15米。

该实施例的气囊式库中库系统方案利用顶部气囊维持库中库在水中的悬浮姿态，通过向顶部气囊补气和排气，控制库中库即软膜坝体在水中的悬浮深度，侧向锚固绳对软膜坝体的平面移动范围实现约束，利用太阳能给相对较小的软膜坝体供能升温。同时利用水库深层温度较高的特点，结合柔性保温层，降低软膜坝体水体热量的散失速度。升温后的高温水体通过排水泵和排水阀，经排水渠道将高温水混合到输水渠道中，补充的高温水由于水流的紊动作用，可以快速提高整个输水断面的平均水温，避免输水渠道中产生大量冰凌而危害工程输水安全。

该冬季输水水温调控的气囊式库中库在运行过程中，需要调整库中库即软膜坝体悬浮深度时，打开气囊水阀，利用空气泵向顶部气囊充气，顶部气囊中原有水体经气囊水阀排出，库中库上浮；反之利用空气泵将顶部气囊中的气体抽出，外部水体经气囊水阀进入顶部气囊，库中库下沉。相应的，通过调整顶部气囊气压使得顶部气囊中的水量足以克服浮力时，关闭气囊水阀，库中库深度将维持不变。补水时机宜选择在白天太阳辐射较强时，通过打开补水阀和补水泵给库中库进行补水。库中库上方水面的漂浮太阳能板持续将太阳能转化为水体的热能，从而该库中库方案可以实现补水、升温、供给高温水的可持续性同步进行。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种冬季输水水温调控的水下库中库系统，其特征在于，包括软膜坝体、柔性保温层、侧向锚固桩、侧向锚固绳、补水阀、补水泵、补水软管、排水阀、排水泵、排水软管、排水渠道和漂浮式太阳能板；软膜坝体为双层结构，在两层软膜坝体中间是柔性保温层，软膜坝体的上方或下方设置有悬浮升降装置，用于约束软膜坝体在水库中的悬浮深度；所述侧向锚固桩设置于水库一侧，侧向锚固绳连接侧向锚固桩和软膜坝体，侧向锚固绳对软膜坝体的移动范围实现约束，所述补水软管连接软膜坝体和水库水体，补水阀和补水泵串联设置于补水软管与软膜坝体的连接位置，排水软管连接软膜坝体和排水渠道，排水阀和排水泵串联设置于软膜坝体和排水软管连接的位置；所述排水渠道一侧连接排水软管，另一侧连接输水渠道；浮式太阳能板设置于软膜坝体上方的水面，用以将太阳能转化为软膜坝体内水体的热能。

2.根据权利要求1所述一种冬季输水水温调控的水下库中库系统，其特征在于，所述悬浮升降装置其中一种型式是由设置于软膜坝体上表面中心位置的顶部浮体和设置于软膜坝体下方的底部锚固桩组成，所述底部锚固桩与软膜坝体通过底部锚固绳连接；所述底部锚固绳与电机连接，实现对软膜坝体悬浮深度的动态调整。

3.根据权利要求1所述一种冬季输水水温调控的水下库中库系统，其特征在于，所述悬浮升降装置的另一种型式由设置于软膜坝体下表面中心位置的底部压重和设置于软膜坝体上方水面的浮体装置，所述浮体装置与软膜坝体之间通过顶部锚固绳连接，所述顶部锚固绳与电机连接，实现对软膜坝体悬浮深度的动态调整。

4.根据权利要求1所述一种冬季输水水温调控的水下库中库系统，其特征在于，所述悬浮升降装置最后一种型式由底部压重、顶部气囊、空气泵、气囊水阀和漂浮工作台组成；所述底部压重设置于软膜坝体下表面中心位置，漂浮工作台设置于软膜坝体上方的水面，顶部气囊设置于软膜坝体上表面中心位置，气囊水阀设置于顶部气囊上，空气泵设置于漂浮工作台上，空气泵和顶部气囊之间通过导气软管连接；需要调整软膜坝体悬浮深度时，打开气囊水阀，利用空气泵向顶部气囊充气，顶部气囊中原有水体经气囊水阀排出，软膜坝体上浮；反之利用空气泵将顶部气囊中的气体抽出，外部水体经气囊水阀进入顶部气囊，库中库下沉；相应的，通过调整顶部气囊气压使得顶部气囊中的水量和能够克服浮力时，关闭气囊水阀，软膜坝体深度维持不变。