專利名稱：水力浮動選擇性取水裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于水庫取水技術領域，具體是一種可在建成水庫安裝的具有自調節水箱和浮動套筒的水力浮動選擇性取水裝置。
背景技術：
深水型湖庫受太陽輻射傳熱，湖庫縱深向的溫度差引起湖庫在縱深向的密度分層。在春末、夏及秋初，湖庫表層水受到強烈太陽輻射和大氣傳熱，溫度升高密度降低，中下層水受熱傳導速率和太陽輻射衰減限制，溫度低、穩定密度較大，形成上輕下重的正向水體穩定分層；湖庫逆向分層則與正向分層相反，一般在冬季出現，湖庫表層水在低氣溫下散熱，導致其溫度低于中下層溫度，形成上重下輕的不穩定分層。湖庫密度及溫度分層阻礙了縱深向水層之間的傳質過程，湖庫在縱深向水質分層。春夏季太陽輻射增強，近年國內多數湖庫表層范圍內大量繁殖藻類，表層一定范圍內藻類等水生生物含量大增；深水性湖庫或表層藻類生長限制了氧傳質，湖庫底層溶氧常年較低，沉積底質在低溶氧影響下釋放營養鹽、鐵及錳，使底層污染物濃度較高；現場監測和理論證實，湖庫洪水入流潛入同密度層，受入流攜帶的濁質、天然腐殖質及合成有機物等外來污染物影響，該層污染物濃度較重。因此在不同深度湖庫的水，包括溫度、密度、鐵、錳及不同污染物濃度的水質參數不相同，即湖庫在縱深向水質分層。以凈化飲用水為目的的湖庫水源，采用傳統的表層取水存在明顯不足。以安全和經濟為目標飲用水凈化，要求進廠原水易于凈化，并借助常規工藝可凈化徹底，水廠出水中細菌及藻類相關藻毒素、濁質、有機及金屬類等無機污染物濃度低。一般，湖庫水在長停留時間下自然沉降，表層水中濁質顆粒濃度較低，開啟取水塔上層固定取水口，取一定范圍的表層水是傳統的主要取水方式。表層取水在冬春季常出現原水低溫低濁，水廠凈化困難和成本高；夏秋季湖庫表層藻類繁殖，導致原水藻含量增加，水廠凈水費用增加，供水水質安全性降低。湖庫縱深向水質分層特性決定了湖庫水源縱深向選擇性取水。現有調查和研究表明，湖庫不同深度的水所含有機污染物量、浮游生物量、鐵錳等金屬污染濃度、濁度、水溫、 PH等水質特性不同，且其水質分層是隨季節和水庫運行水位變化。根據季節和水庫運行水位，變取水深度可解決固定高度取水口的存在明顯的不足，可規避湖庫水源的高污染和凈化費用高的原水，取不同深度混合水可獲得與水處理藥劑(混凝劑)相匹配的水溫、PH和濁質原水。因此，利用湖庫水質分層特性，變深度取水或取不同深度混合水可獲得優質原水， 從而降低凈水費用和提高供水水質。固定式機控取水塔是目前國內外最常見的深水型湖庫分層取水構筑物。取水塔上一般設置3飛個取水口，通過卷揚機調控取水口閘門的開啟，取得庫底以上固定高度范圍內原水，存在如下的幾個不足
1)取水深度調節有限。傳統取水構筑物的取水口是固定的，其只能取得固定高度上的水，水庫分層是隨季節、水位和入流等因素影響而改變，3飛個固定取水口與湖庫水質分層特性變化不相適應，經常出現難以取得湖庫某一深度上的優質水。2)選擇性取水塔建設結構復雜及費用昂貴。取水塔一般建在水庫最深、距離大壩一定距離處，由過水塔井、數道隔水門、工作閘門及大壩至取水塔高空工作橋組成，主體結構全部由鋼筋混凝土構成，體積龐大，建設復雜且周期長，費用昂貴。3)取水塔建設期受時間限制。常規水庫分層取水裝置需要與水庫大壩同期施工修建。當水庫建成蓄水后，將深孔取水設施改建為分層取水則受水庫水位、地質地形、施工、水庫功能需要等限制，因而困難重重。國外成功改造經驗表明工程費用大，難以有效推廣。4)取水機械控制復雜，耗電不節能。機械控制取水塔動力機控裝置結構復雜，閘門的開閉由卷揚機拉動，卷揚機裝機容量大，啟動電流大，瞬間能耗大，非啟閉期間變壓器容量及設備閑置，維護工作量大，成本高。5)混層取水實現困難。機控式取水塔的工作過程是通過單卷揚機開啟并懸吊其中 1個取水口閘門，其它取水口閘門在重力作用下，保持關閉狀態。同時開啟2個不同深度取水口間門，由于卷揚機設置及調控復雜，實現困難，因此現有的機控式取水塔難以獲得水廠易處理的混層水。6)取水塔在湖庫面上點式取水的限制。已有的調查及研究表明，受風、湖庫入流及大壩折射等作用，湖庫平面上各點的水質不相同。尤其在夏秋季，湖庫表面上的藻類隨風飄移，經常出現取水塔周邊表層富集藻類的現象，導致取水水質下降及水廠凈化困難(如2007 年5月太湖藍藻爆發引起的無錫供水中斷的事件)。
發明內容
針對現有的取水設施以鋼筋混凝土結構為主，難以在建成水庫實施，已建的分層取水塔存在平面及縱深向取水水質調節不靈活等缺陷，本發明的目的在于，提供一種結構簡單、主體現場外加工運輸、可在建成湖庫現場方便安裝的水力浮動選擇性取水裝置。為了實現上述任務，本發明采取如下的技術解決方案
一種水力浮動選擇性取水裝置，其特征在于，包括水箱，水箱內安裝有潛水泵，潛水泵連接出水管，出水管一端通過電動三通閥分別與進水管和共用管連通，其中，共用管一端穿出水箱側壁，進水管和出水管的另一端均懸空在水箱內；
水箱底部通過法蘭連接取水管，且水箱與取水管互不連通，取水管上開設有格柵式取水口，取水管的底部與伸縮套筒的最內節上端相連，伸縮套筒最外節下端與錐形放水管通過法蘭連接，伸縮套筒最外節的外徑上安裝有浮箱，錐形放水管上設有吊環，該吊環通過鋼絲繩與混凝土錨固墩固定，放水管下端通過法蘭依次連接金屬波紋管和PE塑料管，PE塑料管間隔一定距離用管卡和混凝土墜塊連接，該PE塑料管與提岸上固定式輸水管連接，固定式輸水管連接真空泵接口和真空破壞器。本發明的水力浮動選擇性取水裝置，其顯著效果是取水高度調節靈活、結構簡單、安裝方便、配套動力設施裝機容量小、節能，取水裝置安裝不受湖庫水位限制。具體為
1)能取到湖庫優質水層的原水。利用便攜式水質現場分析儀器或分層取樣實驗室分析水質，確定湖庫優質水層高度，通過改動調節水箱中儲水量，上下浮動調節水箱及取水管在湖庫縱深方向任意高度，帶動伸縮套筒伸縮，即可在一定范圍內的取湖庫任意高度上優質水層水。如在夏秋季，湖庫表層藻類較高，而下層污染物和濁質濃度較高，下沉調節水箱及取水管及套筒伸縮，可取湖庫中間層的優質原水；在洪水期，洪水潛流入湖庫，導致湖庫一定范圍內中間層污染物及濁質濃度很高，降雨同時也使表層藻類下沉，可上浮調節水箱及取水管及套筒伸縮，取表層原水。2)能取到湖庫平面區域內優質原水。基于上述的現場調查確定湖庫常年優質水所在范圍，按照取水規模安裝多個本發明的水力浮動選擇性取水裝置。由于水力浮動選擇性取水裝置位于湖庫平面上的不同點，風作用下藻類漂浮等引起的湖庫平面上水質不均，可通過關閉或調節一個或部分水力浮動選擇性取水裝置，來實現取湖庫平面區域優質原水的目的。3)能取到湖庫不同高度層間混合原水。通過在湖庫平面設置多個小規模的水力浮動選擇性取水裝置，在湖庫不同高度上運行取水，混合多個水力浮動選擇性取水裝置的原水，可提高原水水質，降低水廠凈化難度及成本。如冬季湖庫表層水溫低、濁質少，中下層水溫較高、濁質較多，多個水力浮動選擇性取水裝置在不同高度取水，可降低冬季原水凈化難度，提高處理效率。4)裝置裝機容量小，節能。通過調節水箱內置的電動三通閥和潛水泵來實現調整調節水箱儲水量，達到改變調節水箱受力條件，實現調節水箱帶動取水管上下浮動及伸縮套管伸縮。裝置無需使用卷揚機等大容量的機控設備，有效降低了變壓器的裝機容量，小流量的潛水泵和進水閥用電量很小，因此本發明的水力浮動選擇性取水裝置與傳統機控取水塔相比，能有效降低維護、動力費用。5)安裝簡單且不受時間限制。現有水庫的機控取水塔一般與水庫大壩同期建成， 在水庫蓄水之前需建設完畢，施工復雜。在建成水庫或湖泊中建設水下混凝土取水設施，施工過程復雜且受時間限制。本發明的水力自動選擇性取水裝置，結構簡單，可實現裝置分段加工，現場組裝，在湖庫不同高度水位條件下，均可在湖庫表面從裝置底部——混凝土錨固墩依次向上分段組裝和逐漸下沉等安裝設備，與設備相連的水下取水管利用墜塊將其下沉至湖庫底部，施工過程簡單快捷，不需要圍堰或排水，不受施工時間、季節等影響。
圖1是本發明的水力浮動選擇性取水裝置的結構示意圖。圖2是高水位時的水力浮動選擇性取水裝置工況示意圖。圖3是低水位時的水力浮動選擇性取水裝置工況示意圖。圖4是水下任意深度時的水力浮動選擇性取水裝置工況示意圖。圖5是水箱結構示意圖。圖6是圖3中的伸縮套筒的1一1剖面圖。圖7是伸縮套筒連接側面圖。圖8是格柵式取水口的橫剖面圖和縱剖面圖。圖9是采用多個水力浮動選擇性取水裝置取水示意圖。圖中的標號分別表示1、水箱，2、潛水泵，3、共用管，4、電動三通閥，5、出水管，6、 格柵式取水口，7、上卡板，8、密封裝置，9、取水管，10、錐形放水管，11、混凝土錨固墩，12、金屬波紋管，13、管卡，14、混凝土墜塊，15、真空泵接口，16、真空破壞器，17、進水管，18、金屬波紋輸水管與PE塑料輸水管的連接法蘭，19、PE塑料管與壩上固定式輸水管的法蘭，20、伸縮套筒，21、PE塑料輸水管，22、連接法蘭，23、壩上固定式輸水管，M、環形浮箱，25、電源線， 26、電源控制開關，27、下卡板，28、滑道，29、聚四氟乙烯滑片，30固定螺栓。下面結合說明書附圖對本發明的結構和工作原理作進一步說明。
具體實施例方式參見圖1，圖1給出了一種水力浮動選擇性取水裝置的結構示意圖。該水力浮動選擇性取水裝置采用了基于浮力自調節和伸縮管調節取水口高度的原理。該水力浮動選擇性取水裝置包括水箱1，水箱1內安裝有潛水泵2，潛水泵2連接出水管5，出水管5 —端通過電動三通閥4分別與進水管17和共用管3連通；其中，共用管 3—端穿出水箱1側壁，進水管17的進水口 17'和出水管5的另一端的吸水端口 5'均懸空，且進水口 17 ‘在水箱1的位置高于吸水端口 5 ‘。取水管9與水箱1底部通過法蘭相連接，且取水管9與水箱1互不連通，取水管9 上開設有格柵式取水口 6，取水管9的底部與伸縮套筒20的最內節上端相連，伸縮套筒20 最外節下端與錐形放水管10通過法蘭22連接，伸縮套筒20最外節的外徑上安裝有環形浮箱對，錐形放水管10設有吊環，該吊環通過鋼絲繩與混凝土錨固墩11固定，放水管10下端通過法蘭依次連接金屬波紋管12和PE塑料管21，PE塑料管21間隔一定距離用管卡13 和混凝土墜塊14固定連接，PE塑料管21與壩上固定式輸水管23連接，壩上固定式輸水管 23上連接真空泵接口 15和真空破壞器16。其中，水箱1、潛水泵2、格柵式取水口 6、取水管9、密封裝置8、伸縮套筒20、錐形放水管10、環形浮箱M共同構成了水力浮動選擇性取水裝置的主體一水力浮動選擇性取水器；而金屬波紋輸水管12、管卡13、混凝土墜塊14、金屬波紋輸水管與PE塑料輸水管的連接法蘭18、PE塑料輸水管21、PE塑料管與壩上固定式輸水管的法蘭19、壩上固定式輸水管23、真空泵接口 15、真空破壞器16構成了作為水的傳輸與控制裝置。水箱1位于取水管9的上端，水箱1可以隨著水位及凈浮力(即水箱的浮力與包括水箱及其內裝水在內的重力之差)變化而上下移動，調節取水口 6的高度。取水管9開設的格柵式取水口 6如附圖8所示，取水管9與伸縮套筒20的最內節相連，伸縮套筒20是由直徑不同的多節管套接組成，管徑從上到下(從內到外)依次增加，其總節數與湖庫最大水深相關。最外節套筒外側設有浮箱24，當伸縮套筒20全部收縮時，浮箱M可提供全部伸縮套筒所需的浮力，水箱1的凈浮力僅需保證其自身和取水管9在水中的懸浮，使得裝置整體在水中懸浮平衡。伸縮套筒20最外節下端與錐形放水管10通過法蘭連接，錐形放水管10的下端用鋼絲繩連接在混凝土錨固墩11上固定，并依次與金屬波紋管12、PE塑料管輸水21，PE塑料輸水管21和壩上固定式輸水管23連接，金屬波紋管12和 PE塑料管21每隔一段距離用管卡13和混凝土墜塊14固定。在壩上固定式輸水管23終端設有電源控制開關26、電源線25、真空泵接口 15和真空破壞器16，作為取水的控制裝置。其電源線25沿著取水管9、伸縮套筒20和輸水管(金屬波紋管12、PE塑料輸水管21和壩上固定式輸水管23)布置，并在各輸水管下的鋼絲繩上固定。參見圖5，圖5是水箱1的結構示意圖。所述的水箱1為具有一定真空度的密封水箱，在其內設有潛水泵2、進水管17、出水管5、共用管3和電動三通閥4。電動三通閥4內部閥芯在不同位置時，進水口不同，如內部閥芯在出水管5時，進水管17和共用管3相通； 閥芯在進水管17時，出水管5和共用管3相通。當水箱1需要充水時，開啟電動三通閥4， 使出水管5和共用管3相通，通過內外壓差作用對水箱1進行充水；當水箱1排水時，開啟電動三通閥4，使進水管17和共用管3相通，用潛水泵2對水箱1排水。水箱1的容積由保證產生除伸縮套筒20的最外節伸縮套管之外的所有套管、取水管9及水箱1自身懸浮的浮力決定，而浮箱M的容積可保證伸縮套管20全部收縮時整個裝置能在水中懸浮直立并達到平衡。圖6、7為伸縮套筒20連接詳圖。伸縮套管20內側上端用密封裝置8封口，防止大量的水從套筒的縫隙間進入，同時避免在拉伸套筒時，內外套筒脫節。套管內側下端安裝下卡板27，外側下端設有上卡板7，為防止套管伸縮時脫節。在上卡板7外邊緣加一層聚四氟乙烯滑片30，聚四氟乙烯滑片30在外套管內壁的滑道觀上滑動。在安裝伸縮套筒20時， 由外向內依次組裝，最后用固定螺栓30固定環狀的密封裝置8。水下布置的金屬波紋管12和PE塑料管21用相應的法蘭連接。金屬波紋管12是取水管9的第一個連接管，選用其目的是為防止取水管9在湖庫水流波動下導致位移進而造成輸水路的變形、破壞。PE塑料管21具有高撓曲性，其作用為了避免庫底及大壩水下部分的輸水路在安裝、沉降過程以及水流沖刷產生的管道損壞。本發明的水力浮動選擇性取水裝置有4個運行工況
第一工況當水位上升或下降時，水箱1隨水位上下移動，同時對水箱排出或沖入適當的水量，以保證水力浮動選擇性取水器力學平衡，使其取得水面以下固定深度的水；
第二工況對水箱1充排水，改變水箱1重量，隨著水箱1重量的增加，改變取水口 6的高度，使取水口 6調節到適宜水層；
第三工況需要取混合原水時，改變水箱1在水中的深度，實現多個不同深度水層的混合取水；
第四種工況需要取湖庫平面范圍內的優質水，關閉或調節處于非優取水區的水力浮動選擇性取水裝置，達到規避污染和實現平面區取優質水的目的。參見圖1和圖3，圖1和圖3中的水力浮動選擇性取水裝置處于第一種取水工況， 即取得水面以下固定深度的水。已收縮套管的浮力由環形浮箱M提供，未收縮套管和充水水箱1的重量與水箱1提供的凈浮力到達平衡。當湖庫在高水位運行時，第一種工況的運行狀態如附圖2所示，水力浮動選擇性取水裝置的伸縮套管20全部伸出。環形浮箱M僅為最外節(即最底端)的套管提供所需浮力，環形浮箱M的多余浮力由混凝土錨固墩11提供的重力抵消。此時水箱1排空水，提供最大的凈浮力，保證其它所有伸出伸縮套管、取水管9及水箱1自身在水中的懸浮平衡。如附圖4所示，水力浮動選擇性取水裝置處于第二種取水工況，即通過水箱1的充排水，改變水箱1凈浮力，調整伸縮套管20的伸出節數，達到在水下一定深度調節格柵式取水口 6高度的目的。如當對水箱1充水，增加水箱1的重力，降低水箱1凈浮力，使得伸縮套筒(20)的伸出套筒重力與水箱1凈浮力平衡破壞，伸出套管在重力作用下收縮，帶動格柵式取水口 6下沉，直至建立新的伸出套筒與水箱1凈浮力平衡。新收縮的套管在水中懸浮平衡所需的浮力，由水箱1提供變為由環形浮箱M提供。附圖9為水力浮動選擇性取水裝置處于第三種工況，即在湖庫平面設置多個本發明的水力浮動選擇性取水裝置，輸水管匯集到同一個集水池中。各水力浮動選擇性取水裝置可在湖庫的不同高度上運行取水，也可通過關閉或調節不同水力浮動選擇性取水裝置的取水量，實現混合多個水力浮動選擇性取水裝置的原水，到達取湖庫優質原水的目的。
該水力浮動選擇性取水裝置可在建成的湖庫安裝，不需要圍堰或排水，不受水位、 施工時間、季節等影響，關鍵的安裝步驟如下
在湖庫水面上組裝本發明的水力浮動選擇性取水裝置的水面安裝平臺，依次從裝置底部混凝土錨固墩11開始，逐個向上安裝，并向下沉降。金屬波紋輸水管12 —端與錐形放水管10連接，隨取水器逐節由底部向上安裝，并緩慢下沉，另一端在安裝平臺與PE塑料輸水管21連接，在PE塑料輸水管21下相隔一定距離裝混凝土墜塊14，將已連接好PE塑料輸水管21緩慢均勻的沉降到庫底。
權利要求
1.一種水力浮動選擇性取水裝置，其特征在于，包括水箱(1)，水箱(1)內安裝有潛水泵(2)，潛水泵(2)連接出水管(5)，出水管(5)—端通過電動三通閥(4)分別與進水管(17) 和共用管(3)連通，其中，共用管(3)—端穿出水箱(1)側壁，進水管(17)和出水管(5)的另一端均懸空在水箱(1)內；水箱(1)底部通過法蘭連接取水管(9 )，且水箱(1)與取水管(9 )互不連通，取水管(9 ) 上開設有格柵式取水口(6)，取水管(9)的底部與伸縮套筒(20)的最內節上端相連，伸縮套筒(20)最外節下端與錐形放水管(10)通過法蘭連接，伸縮套筒(20)最外節的外徑上安裝有環形浮箱(24)，錐形放水管(10)上設有吊環，該吊環通過鋼絲繩與混凝土錨固墩(11)固定，放水管(10)下端通過法蘭依次連接金屬波紋管(12)和PE塑料管(21)，PE塑料管(21) 間隔一定距離用管卡(13)和混凝土墜塊(14)連接，該PE塑料管(21)與壩上固定式輸水管 (23)連接，壩上固定式輸水管(23)連接真空泵接口(15)和真空破壞器(16)。
2.如權利要求1所述的水力浮動選擇性取水裝置，其特征在于，所述的壩上固定式輸水管(23 )終端還設有電源控制開關(26 )。
3.如權利要求1所述的水力浮動選擇性取水裝置，其特征在于，所述的水箱(1)是具有一定真空度的密封水箱。
4.如權利要求1所述的水力浮動選擇性取水裝置，其特征在于，所述的伸縮套筒(20) 是由直徑不同的多節套管組成，伸縮套筒(20)除最里面的管之外，其它管的管壁內有滑道 (28)，伸縮套管(20)內側上端用密封裝置(8)，套管內側下端安裝下卡板(27)，外側下端設有上卡板(7 )，上卡板(7 )外邊緣有一層聚四氟乙烯滑片(29 )，聚四氟乙烯滑片(29 )在滑道 (28)上滑動。
全文摘要
本發明公開了一種水力浮動選擇性取水裝置，包括水箱，水箱內安裝潛水泵，潛水泵連接出水管，出水管通過電動三通閥分別與進水管和共用管連通；取水管與水箱底部通過法蘭連接，取水管上有格柵式取水口，取水管底部與伸縮套筒最內節上端法蘭相連，伸縮套筒最外節下端與錐形放水管通過法蘭連接，并在其外徑上有環形浮箱；錐形放水管上設置吊環，吊環通過鋼絲繩與混凝土錨固墩固定，放水管下端通過法蘭依次連金屬波紋管和PE塑料管，PE塑料管間隔一定距離用管卡和混凝土墜塊連接，PE塑料管與堤岸上固定式輸水管相連，固定式輸水管連接真空泵接口和真空破壞器。結構簡單、安裝方便，取水高度靈活、配套動力裝機容量小、節能、不受湖庫水位限制。
文檔編號E03B3/04GK102261108SQ20111017930
公開日2011年11月30日 申請日期2011年6月29日 優先權日2011年6月29日
發明者丁艷萍, 盧金鎖, 張博, 黃廷林 申請人:西安建筑科技大學