本發(fā)明涉及一種無閘控制的分層取水裝置和方法，是一種水工裝置和方法，是一種對水庫不同深度的水層取水的裝置和方法。

背景技術(shù)：

水庫建成運行后，庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)大多呈季節(jié)性分層狀態(tài)，水溫具有明顯的沿深度分層分布的特點。水庫上層為表溫層，水體與空氣直接進(jìn)行熱交換，吸收熱能多，溫度高，層內(nèi)水溫相互摻混，全層溫度基本均一；下層為溫躍層，存在于水面以下4~15m范圍內(nèi)，全層上下水溫變化劇烈，溫度梯度較大；最下為深水層，受外界熱能影響較小，水溫幾乎無變化，常年維持在較穩(wěn)定的低溫狀態(tài)。多個工程實測水溫分布顯示，分層型水庫表層水溫和底層水溫最大垂向溫差可達(dá)15~20°左右?？紤]到水庫的溫度分層對庫區(qū)及下游的生態(tài)環(huán)境有著巨大的影響，特別是對水生生態(tài)的影響，目前工程中多采用分層取水的方法來實現(xiàn)提取不同溫度或水質(zhì)的水體，以適應(yīng)下游生態(tài)需求。

現(xiàn)有的一些分層取水方法包括一些專利和文獻(xiàn)，如：公告號為cn203373809的“一種豎井式分層取水結(jié)構(gòu)”，呈階梯狀在不同高程水平布置取水口，實現(xiàn)分層取水效果。公告號為cn103498445的《一種采用伸縮套管式分層取水的中低水頭大壩》，利用伸縮套管控制取水高程，以提取不同高程水溫。根據(jù)文獻(xiàn)資料可知，目前分層取水措施通常為多個取水口或疊梁門分層取水措施，試驗研究表明，多個取水口方案的每個取水口其取水效果單一，無法同時滿足多種生態(tài)需求條件，疊梁門分層取水雖通過調(diào)節(jié)取水高程滿足不同生態(tài)需求，但不適用于已建工程改造，且后期運行造價較高。傳統(tǒng)分層取水結(jié)構(gòu)常采用多層取水口或疊梁門取水，均屬于橫向取水方式，該取水方式取水水溫單一，當(dāng)下游生態(tài)需求復(fù)雜時，需要設(shè)置更多層取水口或減小疊梁門單節(jié)高度，由此產(chǎn)生的后果是工程造價增加，工程結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等，且可調(diào)控性差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種無閘控制的分層取水裝置和方法。所述裝置和方法通過分層取水機(jī)構(gòu)，可滿足下游生態(tài)系統(tǒng)對水溫的各種需求，同時實現(xiàn)了分層取水的無閘門控制。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種無閘控制的分層取水裝置，包括：與水庫連接的導(dǎo)流道，所述的導(dǎo)流道上設(shè)有多塊分層并呈輻射狀設(shè)置的整流板，所述的整流板與進(jìn)水通道兩側(cè)的導(dǎo)墻固定連接，所述的導(dǎo)流道盡頭設(shè)置支墩，所述的支墩上輻射狀整流板所指向的輻射中心設(shè)有帶有圓柱形筒體的轉(zhuǎn)筒，所述的筒體外圓面上相差180度設(shè)置進(jìn)水孔和出水孔，所述的轉(zhuǎn)筒通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)與控制器連接。

進(jìn)一步的，所述的整流板的數(shù)量為3~5個。

進(jìn)一步的，所述的整流板沿水流方向的縱向長度為5~10m。

進(jìn)一步的，所述的轉(zhuǎn)筒包括：圓柱形筒體，所述圓柱形筒體內(nèi)通過至少三根龍骨支架與圓柱形筒體中心的轉(zhuǎn)軸固定連接。

進(jìn)一步的，所述的圓柱形筒體為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，外圓面設(shè)置止水橡膠材料。

進(jìn)一步的，所述的進(jìn)水孔和出水孔為形狀和大小相同的矩形，所述矩形的寬度等于或略大于兩塊整流板接近轉(zhuǎn)筒處的寬度，長度為轉(zhuǎn)筒兩個端面之間的距離。

進(jìn)一步的，所述的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括：減速器和與減速器連接的電機(jī)，所述的轉(zhuǎn)軸穿過導(dǎo)流道一側(cè)的導(dǎo)墻與所述的減速器連接。

進(jìn)一步的，所述支墩的厚度大于進(jìn)水孔的寬度。

進(jìn)一步的，所述的水庫中設(shè)有能夠測量水庫各層水位的桿式溫度計，所述的轉(zhuǎn)軸上設(shè)有角位移傳感器，所述的桿式溫度計、角位移傳感器與控制器電連接。

一種使用上述裝置的分層取水的方法，所述方法描述如下：

分層取水裝置初始狀態(tài)時，進(jìn)水孔與出水口之間的連線位于垂直狀態(tài)，進(jìn)水孔和出水孔都在支墩內(nèi)，水流不能流過支墩，分層取水裝置處于關(guān)閉狀態(tài)；

收到分層取水指令以及取水溫度的指令，根據(jù)取水溫度的指令，控制器獲取桿式溫度計對水庫深度尺度的水溫進(jìn)行測量，計算取水深度，并根據(jù)取水深度計算轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)角度；

啟動電機(jī)，通過減速器帶動轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動，經(jīng)過角位移傳感器的檢測，達(dá)到所計算的旋轉(zhuǎn)角度，然后停止，進(jìn)行取水，取水狀態(tài)如下：

當(dāng)需要提取水庫最上層水體時，進(jìn)水孔位于最上層整流板與支墩之間，水庫表層水體通過導(dǎo)流板與支墩之間的流道進(jìn)入轉(zhuǎn)筒，并通過轉(zhuǎn)筒上的出水孔流出，流向下游；

當(dāng)需要提取水庫最下層水體時，進(jìn)水孔位于最下層整流板與支墩之間，水庫底層水體通過導(dǎo)流板與支墩之間的流道進(jìn)入轉(zhuǎn)筒，并通過轉(zhuǎn)筒上的出水孔流出，流向下游；

當(dāng)需要提取水庫中層水體時，進(jìn)水孔位于中間兩層整流板之間，使兩塊整流板所指向的水庫中層水體通過兩塊導(dǎo)流板之間的流道進(jìn)入轉(zhuǎn)筒，并通過轉(zhuǎn)筒上的出水孔流出，流向下游；

或者進(jìn)水孔停留在一塊整流板的位置上，使該塊整流板上下的水體能夠按照分水比例進(jìn)入轉(zhuǎn)筒，并通過轉(zhuǎn)筒上的出水孔流出，流向下游；

當(dāng)收到停止取水指令時，轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)，使進(jìn)水孔和出水孔之間的連線垂直，取水孔和出水孔都在支墩內(nèi)，則取水裝置處于關(guān)閉狀態(tài)。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明輻射狀設(shè)置的整流板對準(zhǔn)各個不同的水體分層，使用轉(zhuǎn)筒形成可以任意轉(zhuǎn)換的流道，實現(xiàn)在同一取水口高程可實現(xiàn)多目標(biāo)分層取水效果，且具有連續(xù)性。整流板和轉(zhuǎn)筒構(gòu)成的分層取水機(jī)構(gòu)可提前預(yù)制，然后安裝于傳統(tǒng)取水口上游，根據(jù)水庫類型，可同時設(shè)置多個，適用于各種類型水庫的分層取水，尤其適用于已建取水口的分層取水改造工程。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，僅依靠簡單的傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)分層取水裝置的工作和關(guān)閉狀態(tài)，與傳統(tǒng)分層取水設(shè)施相比，大大降低了工程造價。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的實施例一所述裝置的平面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的實施例一所述裝置的立面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的實施例一、四所述的裝置處于關(guān)閉狀態(tài)的示意圖，是圖1中的a點放大圖；

圖4是本發(fā)明的實施例一、四所述的裝置處于打開狀態(tài)的示意圖，是圖1中的a點放大圖。

具體實施方式

實施例一：

本實施例是一種無閘控制的分層取水裝置，如圖1、2、3、4所示。本實施例包括：與水庫1連接的導(dǎo)流道2，所述的導(dǎo)流道上設(shè)有多塊分層并呈輻射狀設(shè)置的整流板3，所述的整流板與進(jìn)水通道兩側(cè)的導(dǎo)墻4固定連接，所述的導(dǎo)流道盡頭設(shè)置支墩5，所述的支墩上輻射狀整流板所指向的輻射中心設(shè)有帶有圓柱形筒體的轉(zhuǎn)筒6，所述的筒體外圓面上相差180度設(shè)置進(jìn)水孔601和出水孔602，所述的轉(zhuǎn)筒通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)7與控制器連接。

分層取水的目的是當(dāng)庫區(qū)為水溫分層型水庫時，采用分層取水裝置提取一定溫度的水，以適應(yīng)下游生態(tài)需求。通常情況下，下游生態(tài)的需求水溫為一范圍值，下泄水溫過高或過低均對生態(tài)產(chǎn)生不利影響，因此應(yīng)保證分層取水的水溫在需求范圍之內(nèi)。本實施例所述的無閘控制的分層取水裝置，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，造價低，適用于各種類型的水庫分層取水，尤其適用于已建工程的分層取水改造。

本實施例的具體工作原理如下：在能夠深入到水庫深處的位置設(shè)置導(dǎo)流道，在導(dǎo)流道上設(shè)置輻射狀的多層整流板，通過這種輻射狀的整流板將水庫不同水層分開。輻射狀的整流板指向一個中心，在這個中心上設(shè)置筒形閥門。在這個筒形閥門上設(shè)置進(jìn)水孔和出水孔，當(dāng)進(jìn)水孔對準(zhǔn)兩塊整流板之間的空隙時，水流就可以從進(jìn)水孔和出水孔穿過轉(zhuǎn)筒，流向下游。圖3為分層取水裝置處于關(guān)閉狀態(tài)示意圖。進(jìn)水孔和出水孔的連線處于垂直位置，分層取水裝置處于關(guān)閉狀態(tài)。啟動控制器，通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)筒，當(dāng)下游生態(tài)需要提取表層水體時，逆時針轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)筒（以圖3紙面的方向為準(zhǔn)，圖3中的箭頭b），進(jìn)水孔位于兩塊整流板之間，水庫表層水體通過導(dǎo)流流道進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)，并通過出水孔流出，水體流向下游。圖4為分層取水裝置處于工作狀態(tài)示意圖。

當(dāng)需要提取中層水體時，則繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)筒，水庫中層水體通過新的導(dǎo)流流道對應(yīng)的進(jìn)水孔進(jìn)入轉(zhuǎn)筒，并通過出水孔，流向下游。

以此類推，根據(jù)不同取水需求，轉(zhuǎn)動進(jìn)水孔位置。進(jìn)水孔也可位于兩個導(dǎo)流流道之間，根據(jù)需求調(diào)整每個導(dǎo)流流道的分流比。當(dāng)需要停止工作時，繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)筒，進(jìn)水孔和出水孔之間的連線位于垂直位置，則取水裝置處于關(guān)閉狀態(tài)。

筒體上的進(jìn)水孔和出水孔可以設(shè)計得大小和形狀完全相同，當(dāng)取水裝置需要從關(guān)閉狀態(tài)提取底層水體時，可順時針轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)筒（圖3中箭頭c），快速達(dá)到需要的位置。

本實施例可以設(shè)置在已經(jīng)建成的傳統(tǒng)的取水口8之前（見圖1），構(gòu)建導(dǎo)流道兩側(cè)的導(dǎo)墻和支墩，并在支墩上設(shè)置旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒，以最少的工程量實現(xiàn)分層取水。

實施例二：

本實施例是實施例一的改進(jìn)，是實施例一關(guān)于整流板的細(xì)化。本實施例所述的整流板的數(shù)量為3~5個。

整流板根據(jù)需要可以設(shè)置多塊，其立面排布為圓周排布，呈輻射狀態(tài)，在半圓內(nèi)均勻的排布多塊整流板。整流板的數(shù)量可以根據(jù)水庫的深度而定，如果水庫深度較深，可以設(shè)置較多的整流板，相反則設(shè)置較少的整流板。

整流板設(shè)置在導(dǎo)流道上，導(dǎo)流道可以設(shè)置在水深較深的位置，導(dǎo)流道的盡頭設(shè)置支墩，輻射狀設(shè)置的整流板所指向的輻射中心應(yīng)當(dāng)為整個水深深度一半的位置，使各層水流都能夠以最短的路線進(jìn)入轉(zhuǎn)筒中。

實施例三：

本實施例是上述實施例的改進(jìn)，是上述實施例關(guān)于整流板的細(xì)化。本實施例所述的整流板沿水流方向的縱向長度為5~10m。

整流板與導(dǎo)流道的兩側(cè)側(cè)壁實際形成了管道，引導(dǎo)水流進(jìn)入，多層的整流板形成了沿水深深度的多層進(jìn)水口。各個整流板實際可以形成從水深深處到水表層的多個通道，而不是單純的圓形。

實施例四：

本實施例是上述實施例的改進(jìn)，是上述實施例關(guān)于轉(zhuǎn)筒的細(xì)化。本實施例所述的轉(zhuǎn)筒包括：圓柱形筒體，所述圓柱形筒體內(nèi)通過至少三根龍骨支架603與圓柱形筒體中心的轉(zhuǎn)軸604固定連接，如圖3、4所示。

筒體是空心的，以便水流通過，為使筒體旋轉(zhuǎn)，空心的筒體中設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸與筒體之間通過龍骨支架連接。龍骨支架類似于自行車的輻條，支撐筒體。筒體直徑越大，所需要的龍骨支架的根數(shù)越多。

實施例五：

本實施例是上述實施例的改進(jìn)，是上述實施例關(guān)于筒體的細(xì)化。本實施例所述的圓柱形筒體為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，外圓面設(shè)置止水橡膠材料。

為使圓柱形的筒體和中間的龍骨和轉(zhuǎn)軸，均采用鋼材或其他金屬材料構(gòu)成，使圓柱形筒體具有足夠的強(qiáng)度，抵抗水流的沖擊，同時滿足能夠輕巧旋轉(zhuǎn)的要求。

圓柱形筒體的外圓面設(shè)置的止水材料，與支墩形成水密，防止水流從筒體和支墩之間泄露。

實施例六：

本實施例是上述實施例的改進(jìn)，是上述實施例關(guān)于筒體上的進(jìn)水孔和出水孔的細(xì)化。本實施例所述的進(jìn)水孔和出水孔為形狀和大小相同的矩形，所述矩形的寬度等于或略大于兩塊整流板接近轉(zhuǎn)筒處的寬度，長度為轉(zhuǎn)筒兩個端面之間的距離。

本實施例中的筒體實際是兩個相差180度的半瓢。兩個半瓢之間形成兩個長狹縫，即進(jìn)水孔和出水孔。進(jìn)水孔和出水孔的位置也相差180度。兩個半瓢有兩端的端蓋和中間的龍骨支撐。

實施例七：

本實施例是上述實施例的改進(jìn)，是上述實施例關(guān)于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的細(xì)化。本實施例所述的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括：減速器和與減速器連接的電機(jī)，所述的轉(zhuǎn)軸穿過導(dǎo)流道一側(cè)的導(dǎo)墻與所述的減速器連接。

轉(zhuǎn)軸穿過導(dǎo)墻需要設(shè)置止水設(shè)施，防止水流的滲透。

實施例八：

本實施例是上述實施例的改進(jìn)，是上述實施例關(guān)于支墩的細(xì)化。本實施例所述支墩的厚度大于進(jìn)水孔的寬度。

支墩的厚度當(dāng)然應(yīng)當(dāng)由所承受的水壓和周圍的地質(zhì)環(huán)境所決定，但厚度應(yīng)當(dāng)大于進(jìn)水孔或出水孔的寬度，即：進(jìn)水孔或出水孔能夠完全隱蔽在支墩中，在多數(shù)情況下這完全可以做到。換句話說，進(jìn)水孔或出水孔的寬度應(yīng)當(dāng)小于支墩的厚度。

實施例九：

本實施例是上述實施例的改進(jìn)，是上述實施例關(guān)于控制系統(tǒng)的細(xì)化。本實施例所述的水庫中設(shè)有能夠測量水庫各層水位的桿式溫度計，所述的轉(zhuǎn)軸上設(shè)有角位移傳感器，所述的桿式溫度計、角位移傳感器與控制器電連接。

為使整個系統(tǒng)自動化，可以設(shè)置桿式溫度計，測量水庫沿水深方向（豎直方向）的溫度梯度。通過測量水深的溫度梯度給予控制器以取水深度的參考，到要求獲取水溫的溫度時，根據(jù)這一溫度梯度決定取那一層深度的水。而角位移傳感器則是度量轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)位置，以達(dá)到分層取水的目的?？刂破魇蔷哂袛?shù)字運算和存儲能力電子裝置，可以是程序控制器，工控計算機(jī)等。

實施例十：

本實施例是一種使用上述裝置的分層取水的方法。所述方法的基本思路是：

進(jìn)水孔出水孔的連線位于垂直，分層取水裝置處于關(guān)閉狀態(tài)。啟動控制器，通過傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)筒，當(dāng)下游生態(tài)需要提取表層水體時，逆時針轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)筒，進(jìn)水孔位于兩塊整流板之間，水庫表層水體通過導(dǎo)流流道進(jìn)入轉(zhuǎn)筒，并通過另一進(jìn)水孔流出，水體通過取水口流向下游。當(dāng)需要提取中層水體時，則繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)筒，水庫中層水體通過新的導(dǎo)流流道對應(yīng)的進(jìn)水孔進(jìn)入轉(zhuǎn)筒，并依次通過另一進(jìn)水孔、取水口流向下游。以此類推，根據(jù)不同取水需求，轉(zhuǎn)動進(jìn)水孔位置。進(jìn)水孔也可位于兩個導(dǎo)流流道之間，根據(jù)需求調(diào)整每個導(dǎo)流流道的分流比。當(dāng)需要停止工作時，繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)筒，進(jìn)水孔位于垂直位置，則取水裝置處于關(guān)閉狀態(tài)。此外，當(dāng)取水裝置需要從關(guān)閉狀態(tài)提取底層水體時，可順時針轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)筒。

本實施例所述方法的具體描述如下：

分層取水裝置初始狀態(tài)時，進(jìn)水孔與出水口之間的連線位于垂直狀態(tài)，進(jìn)水孔和出水孔都在支墩內(nèi)，水流不能流過支墩，分層取水裝置處于關(guān)閉狀態(tài)。進(jìn)水孔與出水口之間的連線位于垂直狀態(tài)這是一種初始狀態(tài)，即可以認(rèn)為是原始狀態(tài)，也可以認(rèn)為是開啟后的關(guān)閉。

收到分層取水指令以及取水溫度的指令，根據(jù)取水溫度的指令，控制器獲取桿式溫度計對水庫深度尺度的水溫進(jìn)行測量，計算取水深度，并根據(jù)取水深度計算轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)角度。這是一個測控過程，即要進(jìn)行水溫梯度的測量，又要計算轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)角度。

下面是取水的四種狀態(tài)，

啟動電機(jī)，通過減速器帶動轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動，經(jīng)過角位移傳感器的檢測，達(dá)到所計算的旋轉(zhuǎn)角度，然后停止，進(jìn)行取水，下面是取水的四種狀態(tài)，取最上層水體、卻最下層水體，取中間水層的水體。取中間水層的水體也有兩種情況：完全取一條水流通道中的出水，或者按分水比例同時取兩個水流通道中的水體。

1）當(dāng)需要提取水庫最上層水體時，進(jìn)水孔位于最上層整流板與支墩之間，水庫表層水體通過導(dǎo)流板與支墩之間的流道進(jìn)入轉(zhuǎn)筒，并通過轉(zhuǎn)筒上的出水孔流出，流向下游。

2）當(dāng)需要提取水庫最下層水體時，進(jìn)水孔位于最下層整流板與支墩之間，水庫底層水體通過導(dǎo)流板與支墩之間的流道進(jìn)入轉(zhuǎn)筒，并通過轉(zhuǎn)筒上的出水孔流出，流向下游。

3）當(dāng)需要提取水庫中層水體時，進(jìn)水孔位于中間兩層整流板之間，使兩塊整流板所指向的水庫中層水體通過兩塊導(dǎo)流板之間的流道進(jìn)入轉(zhuǎn)筒，并通過轉(zhuǎn)筒上的出水孔流出，流向下游。

4）或者進(jìn)水孔停留在一塊整流板的位置上，使該塊整流板上下的水體能夠按照分水比例進(jìn)入轉(zhuǎn)筒，并通過轉(zhuǎn)筒上的出水孔流出，流向下游。

當(dāng)收到停止取水指令時，轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)，使進(jìn)水孔和出水孔之間的連線垂直，取水孔和出水孔都在支墩內(nèi)，則取水裝置處于關(guān)閉狀態(tài)。

最后應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案（比如導(dǎo)流道的形式、轉(zhuǎn)筒取水的形式、轉(zhuǎn)筒取水的運動方式、整體水工設(shè)施的形式等）進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。