CN110715749A - 适用于复杂水域的三维水温智能监测装置、***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于复杂水域的三维水温智能监测装置、***和方法，该***包括三维水温智能监测装置和分布式数据分析***；三维水温智能监测装置对水体三维水温进行智能监测；分布式数据分析***包括通信单元、数据库、温跃层判定单元、垂向监测控制单元和三维水温模拟单元，通信单元接收多个三维水温智能监测装置发送的监测数字信息并储存至数据库中，温跃层判定单元通过计算相邻监测点垂向温跃层强度从而判定温跃层位置，垂向监测控制单元实现温跃层区间的加密测量，三维水温模拟单元模拟测量区域乃至整个水域的温度分布。本发明可有效实现不同边界和使用条件的复杂水域的水温自动化监测，并提供监测水域长序列、连续的温度场分布情况。
Description
技术领域
本发明涉及三维水温监测技术领域，具体涉及一种适用于复杂水域的三维水温智能监测装置、***及方法。
技术背景
温度是水体重要的物理因子，将直接影响水体中其他水质参数以及生物群落的生存与发展。以湖泊为例，水温升高会加快浮游植物、动物等的生长繁殖，易发生富营养化问题；以水库大坝为例，高水头水库在建成蓄水后会改变原有河道的水力学、热力学条件，发生温度分层现象，而因发电需求进水口一般偏低，因此在电站泄水过程中会造成下泄底层低温水，导致坝下河道鱼类产卵延迟、沿岸农作物遭遇“冷害”等不利影响。综上，对水体进行温度进行监测、研究及科学管理对保护生态环境、改善水体水质有着重要作用。
目前对江河湖库等水域的水温研究主要通过有现场监测和数学模型两种，数学模型通过数值模拟等技术对水体水温进行模拟计算和分析预测。然而，水温结构具有纵向、横向和垂向三维空间以及时间维的四维复杂变化特性，数学模型的准确性难以保证，对于大规模复杂水域的温度场求解不易。此外，数学模型是基于实测水温数据进行模拟和补充，获取准确、翔实的水温数据是进行水温模型研究的基础和前提。
已有学者对水体水温及温度分层的现场监测技术进行了探索，如一种高坝大库水温分层自动监测装置(专利申请号201510895969.4)，利用分布式、可移动水温传感器记录任意水深的温度；又如一种大型深水库坝前垂向水温实时监测装置及方法(专利申请号201810348817.6)，将温度链安装在库区的浮岛上，通过改变温度链上水温探头的分布从而实现大型深水库坝前垂向水温的实时监测。
分析现有类似技术可知，当前手段基本只能人为安装和调整温度探头的位置，导致监测数据不连续，不能对具有温度分层情况的复杂水域进行智能监测，自动化程度低；同时，装置仅能监测水温垂向变化情况。因此，需要研发适用于复杂水域的三维水温智能监测***和方法，准确监测水体垂向、横向和纵向的温度，模拟水温的时空分布规律，为水体取水、用水提供科学指导。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种适用于不同边界条件及特殊利用情况的复杂水域的三维水温智能监测装置。
本发明的另一目的在于提供一种适用于不同边界条件及特殊利用情况的复杂水域的三维水温智能监测***。
本发明的又一目的在于提供一种适用于不同边界条件及特殊利用情况的复杂水域的三维水温智能监测方法。
技术方案：本发明的适用于复杂水域的三维水温智能监测装置包括：控制单元，包括圆柱形浮体、锚链、沉石和可伸缩导轨；所述圆柱形浮体、锚链和所述沉石使得所述控制单元能够投放在待监测水域任意一点；所述可伸缩导轨能够沿所述圆柱形浮体的外表面作圆周运动；一或多个漂浮平台，每一漂浮平台包括设于下部的贯穿的导轨凹槽、设于底部的钢缆、数据采集装置和信号发射装置；所述数据采集装置将采集到的水温数据传输至所述信号发射装置以向外发射；及与所述一或多个漂浮平台一一对应的一或多个监测单元，每一监测单元包括多个浮力驱动测温器；每一浮力驱动测温器包括水温检测单元和重力控制单元；所述水温检测单元内设有水深探测器、水温传感器、流速监测器和通讯电缆；浮力驱动测温器由所述通讯电缆连接于对应漂浮平台的钢缆上，以将监测到的数据传送至对应漂浮平台的数据采集装置上；所述重力控制单元通过排水或进水来调节对应浮力驱动测温器的垂向位置。
进一步地，所述控制单元还包括锚链舱、第一驱动装置、电源、滑移支座及轨道；所述圆柱形浮体下表面设有吊耳连接所述锚链；所述锚链预先存放在所述锚链舱中；所述滑移支座和轨道水平设于所述圆柱形浮体的外侧，用于在所述第一驱动装置和电源的作用下带动所述可伸缩导轨沿所述圆柱形浮体的外表面进行圆周运动。
进一步地，每一漂浮平台还包括：泡沫浮筒、太阳能电池板、防水隔板、GPS 定位装置、钢缆舱、第二驱动装置和配重；所述泡沫浮筒内部空心，且空心部分由上至下布设所述信号发射装置、所述太阳能电池板、所述防水隔板、所述数据采集装置、所述GPS定位装置、所述钢缆舱和所述第二驱动装置；所述太阳能电池板固定在所述泡沫浮筒表面，为所述信号发射装置、所述数据采集装置、所述GPS定位装置、所述第二驱动装置提供电能；所述数据采集装置将监测到的数据转换成数字信号，并转发至所述信号发射装置；所述配重连接在所述钢缆末端；所述导轨凹槽开设于所述泡沫浮筒下部；所述漂浮平台能够在所述第二驱动装置的作用下沿所述可伸缩导轨做径向运动，或带动所述可伸缩导轨沿切向做圆周运动。
进一步地，每一浮力驱动测温器还包括壳体；所述壳体上侧安装有碰撞感应器和报警***，防止相邻测温器在投放过程中碰撞；每一浮力驱动测温器中的所述水温检测单元四周设置多个进水口，待检测水域的水体可通过进水口自由进入所述水温检测单元，经所述水深探测器、所述水温传感器和所述流速监测器用于测得水深、水温和流速数据；所述水温检测单元中的所述通讯电缆采用RS-485 串行总线，包裹在磷化涂层钢丝绳之中；每一浮力驱动测温器中的所述重力控制单元包括水舱、进水阀门、出水阀门、阀门驱动装置及进水过滤***；每一漂浮平台中的所述信号发射装置采用ZigBee无线通讯网络。
本发明的适用于复杂水域的三维水温智能监测***包括：上述适用于复杂水域的三维水温智能监测装置以及分布式数据分析装置；所述分布式数据分析装置包括：通信单元、数据库、温跃层判定单元、垂向监测控制单元和三维水温模拟单元；所述通信单元接收三维水温智能监测装置发送的实时水温及位置数据，并将其转发至数据库；所述数据库以矩阵格式储存监测数据文件，并接受温跃层判定单元、垂向监测控制单元和三维水温模拟单元的数据调用；所述温跃层判定单元调取同一垂向上的水温分布数据，计算各监测单元中相邻浮力驱动测温器间水体的温跃层强度，采用垂向梯度法对温跃层进行判定，计算出同一垂向上的多个示性特征量，包括跃层深度、跃层强度及跃层厚度；所述垂向监测控制单元调取温跃层判定单元计算出的同一垂向上的所述多个示性特征量，调动重力控制单元对跃层深度范围内的测温器进行加密，进而综合控制监测单元的整体分布；所述三维水温模拟单元调取数据库同一时间的水库水体垂向、横向和纵向的水温数据，利用Kriging插值法对测得的三维温度场进行内插和外推运算，模拟测量区域乃至整个水域的温度分布。
本发明的适用于复杂水域的三维水温智能监测方法包括以下步骤：
(S1)监测准备阶段：(S1-1)复杂水体识别：获取目标水域的实际尺寸、边界条件及实时环境温度等基础数据，设定温度梯度阈值gradtthr和测量温差阈值tthr，并输入至所述分布式数据分析***；(S1-2)控制单元投放：根据目标水域的实际尺寸、边界条件，将所述三维水温智能监测装置中的控制单元投放在库区进水口中轴线处、岸坡边或海中任意位置，利用锚链及沉石的重力作用将所述控制单元中的圆柱形浮体固定在特定位置O，伸展可伸缩导轨；(S1-3)监测点布置：将所述一或多个漂浮平台安装在所述可伸缩导轨上，根据获取的所述实时环境温度、水体流速等条件，按相等间隔d0投放监测单元的多个浮力驱动测温器，并通过重力控制单元调节浮力驱动测温器的垂向位置；
(S2)实际水温监测：(S2-1)初始水温监测：通过各浮力驱动测温器获取对应位置的水深和水温数据，通过通讯电缆传输至对应漂浮平台；各个漂浮平台通过无线信号发射装置将各数据合并发送至所述分布式数据分析***；所述数据分析***的通信单元接收所述矩阵相关的信号，构建库区水温空间分布数据并存入所述数据库中；(S2-2)温跃层定位：所述分布式数据分析***中的温跃层判定单元调取所述数据库中同一垂向上的水温分布数据，计算相邻浮力驱动测温器间水体的温度梯度，并与设定的温度梯度阈值比较，采用垂向梯度法对温跃层进行判定，并将判定结果传输至所述垂向监测控制单元，进而调用重力控制单元综合控制各浮力驱动测温器的垂向位置，实现温跃层的准确定位；(S2-3)三维水温监测：所述可伸缩导轨带动所有漂浮平台及0监测单元绕所述控制单元中所述圆柱形浮体所在点O做圆周运动，每间隔一定角度测量一次所处水域的水体温度，并保存至所述数据库中；
(S3)空间温度场构建：(S3-1)监测区温度场构建：所述分布式数据分析***中所述三维水温模拟单元调取所述数据库中水库水体垂向、横向和纵向的水温数据，利用Kriging插值法对测得的三维温度场进行内插和外推运算，模拟并重建监测区域内的温度场；(S3-2)复杂水域温度场构建：移动三维水温智能监测装置的位置，沿目标水域上游或绕岸坡一周进行实际水温监测，将采集到的水温及位置信息保存在所述数据库中，重复步骤(S3-1)，得到目标水域的整体温度场。
有益效果：与现有技术相比，本发明能够实现水体垂向温跃层的自动判定及水温检测点的加密，并在不干扰水工建筑物正常运用的情况下，提供监测水域长序列、连续的温度场分布情况。
附图说明
图1为本发明的一种适用于复杂水域的三维水温智能监测***的组成结构示意图；
图2为本发明的三维水温智能监测装置的侧视图；
图3为本发明的三维水温智能监测装置中控制单元的主体结构示意图；
图4三维水温智能监测装置的监测轨迹俯视图；
图5为本发明的三维水温智能监测装置中漂浮平台的主体结构示意图；
图6为本发明的三维水温智能监测装置中浮力驱动测温器的剖面结构示意图；
图7为本发明的一种适用于复杂水域的三维水温智能监测***和方法所采集到的某水库库区4月份的水温垂向分布图。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于该实施例。
如图1和图2所示，本实施例的适用于复杂水域的三维水温智能监测***包括三维水温智能监测装置和分布式数据分析***2。三维水温智能监测装置置于水库进水口前，用于采集研究区域内的实时水温数据，三维水温智能监测装置包括控制单元11、一或多个漂浮平台12、与该一或多个漂浮平台12一一对应的一或多个监测单元13。分布式数据分析装置2包括通信单元21、数据库22、温跃层判定单元23、垂向监测控制单元24和三维水温模拟单元25。
图3所示为三维水温智能监测装置中的控制单元11的主体结构示意图，控制单元11包括浮体1101、锚链1102、锚链舱1103、沉石1104、可伸缩导轨1105、第一驱动装置1106及电源1107，其中浮体1101为半径100cm，高150cm的圆柱体实心泡沫浮筒，固定在某水库库区进水口3垂向上，外侧水平设有一组耐腐蚀的滑移支座1108和轨道1109，用于连接并驱动所述可伸缩导轨1105沿水平方向做360°圆周运动，电源1107为其提供电能。其中，可伸缩导轨1105的伸缩范围为5-50m，可针对不同水体要求沿径向改变长度。浮体1101下表面设有吊耳连接锚链1102，控制单元11由锚链1102及10t沉石1104锚定在固定位置，初始时刻，锚链1102可存放在锚链舱1103中。
图5所示为三维水温智能监测装置中的漂浮平台12，漂浮平台12外部为泡沫浮筒1201。浮筒1201内部空心，下部开有导轨凹槽，由上到下布设信号发射装置1202、太阳能电池板1203、防水隔板1204、数据采集装置1205、GPS定位装置1206、钢缆舱1207和驱动装置1208，漂浮平台底部设有钢缆1209。钢缆1209末端连接有配重1210。其中，太阳能电池板1203固定在浮筒1201表面，为信号发射装置1202、数据采集装置1205、GPS定位装置1206和驱动装置1208 提供电能。数据采集装置1205将监测数据转换成数字信号，并转发至信号发射装置1202。信号发射装置1202采用ZigBee无线通讯网络，将数据发送至数据分析***2，构成分布式数据采集***。漂浮平台12可在驱动装置1208的作用下沿导轨做径向运动，或带动导轨沿切向做圆周运动，运动轨迹如图4所示。
图6所示，每一监测单元13包括多个浮力驱动测温器130。每一测温器130 包括壳体131、水温监测单元132和重力控制单元133。壳体131上侧安装有碰撞感应器1311和报警***1312，防止相邻测温器130在投放过程中碰撞。水温监测单元132四周设置多个进水口，内部分别设置两组水深探测器1321、水温传感器1322，一组流速监测器1323以及一组通讯电缆1324。其中，水深探测器 1321采用TX1420型水深探测器，水深测量精度为0.01m，水温传感器1322采用电阻式温度检测器(RTDs)，温度测量精度0.005℃，流速监测器1323采用WHS-300kHz型声学多普勒流速仪，流速测量精度为0.001m2/s，每个监测点测量时长控制在5min。待检测水域的水体可通过进水口自由进入检测单元132，经水深探测器1321、水温传感器1322和流速监测器1323测得水深、水温和流速数据，各监测单元的数据采用通讯电缆1323传输至数据采集装置1205。重力控制单元133包括水舱1331、进水阀门1332、出水阀门1333、阀门驱动装置1334 及进水过滤***1335组成。进水阀门1332、出水阀门1333为单项阀门，对称设置在水舱1331的下部，驱动装置1334为其提供动力，装置下潜向水舱1331 注水时，进水阀门1332开启，水体进入水舱1331，增加水舱的重力，浮力驱动测温器130下潜。检测结束后，出水阀门1333开启，向外排水，减小水舱重力，使浮力驱动测温器130浮起。进水过滤***1335由三组目数不同的尼龙过滤网组成，防止水中泥沙、水草等污物堵塞进、出水口。
以下介绍基于上述三维水温监测***的适用于复杂水域的三维水温监测方法。该方法的具体步骤如下：
(S1)监测准备阶段：
(S1-1)复杂水体识别：选取某水库上游库区水体作为研究对象，根据某水库利用数据，正常蓄水位高程Z正＝745m，死水位Z死＝600m，水体为理想水温分层状态，即水温分布由水面至水底为：混合层、温跃层、滞温层三层，监测范围为进水口前水体，获取目标水域的水深、边界条件及环境温度等基础数据，人为设定温度梯度阈值gradtthr和测量温差阈值tthr，并输入至分布式数据分析***中的温跃层判定单元。其中，夏季gradtthr不宜大于0.2℃/m，tthr不宜大于2℃，冬季gradtthr不宜大于0.1℃/m，tthr不宜大于1℃。
(S1-2)控制单元投放：根据某水库的实际尺寸、边界条件，将三维水温智能监测装置中的控制单元投放在目标水域进水口中轴线处，岸坡边或海中任意位置，开启锚链舱释放锚链，利用锚链和沉石的重力作用可将控制单元固定在某一特定位置O，伸展折叠导轨，此时控制单元所在特定位置O为极点，导轨的指向为极轴。
(S1-3)监测点布置：将若干个漂浮平台安装在导轨上，打开钢缆舱，根据目标水域实时的环境温度、水体利用情况等条件，按相等间隔投放监测单元的若干个浮力驱动测温器，其中，浮力驱动测温器的垂向位置通过重力控制单元排进水调节。
(S2)实际水温监测：
(S2-1)初始水温监测：浮力驱动测温器获取对应位置的水深和水温数据，通过通讯电缆传输至漂浮平台，各个漂浮平台通过无线信号发射装置将数据及坐标信息合并且以矩阵
的形式发送至分布式数据分析***中的通信单元，并构建库区水温空间分布数据，存入数据库22中。其中，和
分别为各个漂浮平台12所在点到特定位置O的距离和极角合成的矢量，
和
分别为各漂浮平台12对应的监测单元13中各测温器130到水面的垂向距离(即各测温器 130的水深)和水温合成的矢量。
该步骤具体包括：以控制单元11中的浮体1101所在特定位置O为极点，以导轨的初始指向为极轴，建立水平面方向的极坐标系ρ-O-θ，同一时刻T，对于任一极坐标为(ρ，θ)的特定漂浮平台12，检测对应监测单元13中各浮力驱动测温器130所在点的水温数据ti及水深数据hi，i＝1,2,…,n，其中，ρ和θ分别为对应漂浮平台12所在点到特定位置O的距离和极角，n为每个监测单元13所设置的浮力驱动测温器130的个数。
(S2-2)温跃层定位：分布式数据分析***2中的温跃层判定单元23调取数据库中同一垂向上的水温分布数据，计算相邻监测单元13间水体的温度梯度，并与设定的温度梯度阈值比较，采用垂向梯度法对温跃层进行判定，并将数据传输至垂向监测控制单元，进而重力控制单元综合控制监测单元的垂向位置，实现温跃层的准确定位。图7为其中一组漂浮平台12所监测得到的某水库4月份垂向水温分布结果。
该步骤具体包括如下子步骤：
(S2-2-1)计算第i个浮力驱动测温器所在点与第i-1个浮力驱动测温器所在点之间温度场的温跃层强度
其中i＝2,3,…,n；，对于i＝1，即接近水面的第1个测点，一般给定其垂向坐标h1＝0.5m；
(S2-2-2)比较第i个浮力驱动测温器130所在点与第i-1个浮力驱动测温器(130)所在点之间温度场的温跃层强度gradti与温度梯度阈值gradtthr的大小， i＝2,3,…,n，当gradti>gradtthr时，区间h∈(hi-1，hi)判定为温跃层，其中hi-1和 hi分别为第i-1个和第i个浮力驱动测温器所在点到水面的垂向距离；通过逐段比较，判断出温跃层所在区间，记为(hj，hk)，hj和hk分别为温跃层底部和顶部到水面的垂向距离，将hk作为跃层深度，将hk-hj作为跃层厚度，并将温跃层所在区间内整体垂向温度梯度
作为跃层强度；
(S2-2-3)所述垂向监测控制单元24调取温跃层数据以及监测单元13中每个浮力驱动测温器130的当前水深数据，计算处于温跃层范围内各个测温器的允许测量水深
m为处于温跃层范围内的第m个测温器；比较 hm′与当前水深hm，若相等，则保持原监测距离，若h′m<hm，为使检测结果更准确，则调动对应重力控制单元133，使对应浮力驱动测温器130下潜；
(S2-2-4)重复步骤(S2-2-2)、(S2-2-3)，以得到更为精确的温跃层范围，并实现温跃层范围内的测温点的自动密布。
(S2-3)三维水温监测：折叠导轨带动漂浮平台及监测单元绕监测装置(1) 所在点O做圆周运动，每间隔45°测量一次所处水域的水体温度，并将数据保存至空间数据库中。每个监测点测量时长控制在5min，装置旋转一周测量时长控制在1h。
(3)空间温度场构建：
(3-1)监测区温度场构建：分布式数据分析***中三维水温模拟单元调取数据库中水库水体垂向、横向和纵向的水温数据，利用Kriging插值法对测得的三维温度场进行内插和外推运算，模拟并重建监测区域内的温度场。
该步骤具体包括如下子步骤：
(S3-1-1)在步骤(S2-1)建立的极坐标的基础上，增加自水面至水底的垂向坐标轴z，从而建立三维坐标系；
(S3-1-2)调取数据库22中ρ-O-z平面内所测得的水温数据以及浮力驱动测温器130的位置信息
其中N为可伸缩导轨1105所牵引的一或多个漂浮平台12的数量，n为每个漂浮平台12所对应的监测单元中浮力驱动测温器130 的个数，tij和xij分别表示第i个漂浮平台对应的监测单元13中第j个浮力驱动测温器130的水温数据和位置数据；
(S3-1-3)针对Kriging的无偏条件求解待定权系数λi的方程组：
其中，η为ρ-O-z平面内的浮力驱动测温器130总数量，μ为拉格朗日常数， C(xi,xj)为测量区域内任意两点xi,xj处水温t(xi)和t(xj)的自协方差函数， i＝1,2,…,N,j＝1,2,…,N，且有：
C(xi,xj)＝E[t(xi)t(xj)]-E[t(xi)]E[t(xj)]
(S3-1-4)基于求解的待定权系数λi计算ρ-O-z平面内待插点(ρ0，h0)的水温插值结果
并将计算出的垂向水温插值结果t0(ρ0，h0)储存至数据库22中以更新数据库22；
(S3-1-5)调取更新后的数据库22中的ρ-O-θ平面内的水温数据
其中，Ω为可伸缩导轨1105在圆周运动过程中按预定间隔角度测量时的测量次数；
表示第u个漂浮平台对应的监测单元13中各浮力驱动测温器130在圆周运动过程中第v次测量的水温数据合成的水温矢量数据；
(S3-1-6)重复步骤(S3-1-3)-(S3-1-5)，得到ρ-O-θ平面内任一点(ρ0,θ0)的水温插值结果t0(ρ0，θ0)，并更新数据库22，三维温度场构建完毕。
(S3-2)复杂水域温度场构建：移动三维水温智能监测装置的位置，沿库区上游或绕岸坡一周进行实际水温监测，将采集到的水温及位置信息保存在数据库中，重复步骤(S3-1)，构建目标水域的整体温度场。
在步骤(S1)-(S3)的基础上，针对复杂水域的不同应用条件，特别是高坝大库进水口前流速大的情况，还需要不影响水工建筑物正常使用。为了实现该目的，当同一垂向的监测单元13中有三个及以上的浮力驱动测温器130检测到水流流速超过5m/s时，打开所有浮力驱动测温器130的出水阀门，等待其上升至初始状态，接着控制所有漂浮平台12沿可伸缩导轨1105向控制单元11移动，收回可伸缩导轨1105，以使三维水温智能监测装置1依附于控制单元11锚定在特定位置O，进而降低对进水口水流的影响；待水库闸门再次关闭，依据步骤 (S1-2)至(S1-3)重新投放监测装置。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (10)
1.一种适用于复杂水域的三维水温智能监测装置(1)，其特征在于，包括：控制单元(11)，包括圆柱形浮体(1101)、锚链(1102)、沉石(1104)和可伸缩导轨(1105)；所述圆柱形浮体(1101)、锚链(1102)和所述沉石(1104)使得所述控制单元(11)能够投放在待监测水域任意一点；所述可伸缩导轨(1105)能够沿所述圆柱形浮体(1101)的外表面作圆周运动；
一或多个漂浮平台(12)，每一漂浮平台(12)包括设于下部的贯穿的导轨凹槽、设于底部的钢缆(1209)、数据采集装置(1205)和信号发射装置(1202)；所述数据采集装置(1205)将采集到的水温数据传输至所述信号发射装置(1202)以向外发射；及
与所述一或多个漂浮平台(12)一一对应的一或多个监测单元(13)，每一监测单元(13)包括多个浮力驱动测温器(130)；每一浮力驱动测温器(130)包括水温检测单元(132)和重力控制单元(133)；所述水温检测单元(132)内设有水深探测器(1321)、水温传感器(1322)、流速监测器(1323)和通讯电缆(1324)；浮力驱动测温器(130)由所述通讯电缆(1324)连接于对应漂浮平台(12)的钢缆(1209)上，以将监测到的数据传送至对应漂浮平台(12)的数据采集装置(1205)上；所述重力控制单元(133)通过排水或进水来调节对应浮力驱动测温器(130)的垂向位置。
2.根据权利要求1所述的适用于复杂水域的三维水温智能监测装置(1)，其特征在于，所述控制单元(11)进一步包括锚链舱(1103)、第一驱动装置(1106)、电源(1107)、滑移支座(1108)及轨道(1109)；所述圆柱形浮体(1101)下表面设有吊耳连接所述锚链(1102)；所述锚链(1102)预先存放在所述锚链舱(1103)中；所述滑移支座(1108)和轨道(1109)水平设于所述圆柱形浮体(1101)的外侧，用于在所述第一驱动装置(1106)和电源(1107)的作用下带动所述可伸缩导轨(1105)沿所述圆柱形浮体(1101)的外表面进行圆周运动。
3.根据权利要求1所述的适用于复杂水域的三维水温智能监测装置(1)，其特征在于，每一漂浮平台(12)进一步包括：泡沫浮筒(1201)、太阳能电池板(1203)、防水隔板(1204)、GPS定位装置(1206)、钢缆舱(1207)、第二驱动装置(1208)和配重(1210)；所述泡沫浮筒(1201)内部空心，且空心部分由上至下布设所述信号发射装置(1202)、所述太阳能电池板(1203)、所述防水隔板(1204)、所述数据采集装置(1205)、所述GPS定位装置(1206)、所述钢缆舱(1207)和所述第二驱动装置(1208)；所述太阳能电池板(1203)固定在所述泡沫浮筒(1201)表面，为所述信号发射装置(1202)、所述数据采集装置(1205)、所述GPS定位装置(1206)、所述第二驱动装置(1208)提供电能；所述数据采集装置(1205)将监测到的数据转换成数字信号，并转发至所述信号发射装置(1202)；所述配重连接在所述钢缆(1209)末端；所述导轨凹槽开设于所述泡沫浮筒(1201)下部；所述漂浮平台(12)能够在所述第二驱动装置(1208)的作用下沿所述可伸缩导轨(1105)做径向运动，或带动所述可伸缩导轨(1105)沿切向做圆周运动。
4.根据权利要求1所述的适用于复杂水域的三维水温智能监测装置(1)，其特征在于，每一浮力驱动测温器(130)进一步包括壳体(131)；所述壳体(131)上侧安装有碰撞感应器(1311)和报警***(1312)，防止相邻测温器(130)在投放过程中碰撞；
每一浮力驱动测温器(130)中的所述水温检测单元(132)四周设置多个进水口，待检测水域的水体可通过进水口自由进入所述水温检测单元(132)，经所述水深探测器(1321)、所述水温传感器(1322)和所述流速监测器(1323)用于测得水深、水温和流速数据；所述水温检测单元(132)中的所述通讯电缆(1323)采用RS-485串行总线，包裹在磷化涂层钢丝绳之中；
每一浮力驱动测温器(130)中的所述重力控制单元(133)包括水舱(1331)、进水阀门(1332)、出水阀门(1333)、阀门驱动装置(1334)及进水过滤***(1335)。
5.根据权利要求1所述的适用于复杂水域的三维水温智能监测装置(1)，其特征在于，每一漂浮平台(12)中的所述信号发射装置(1202)采用ZigBee无线通讯网络。
6.一种适用于复杂水域的三维水温监测***，包括根据权利要求1-4中任一者所述的适用于复杂水域的三维水温智能监测装置，其特征在于，还包括分布式数据分析装置(2)；所述分布式数据分析装置(2)包括：通信单元(21)、数据库(22)、温跃层判定单元(23)、垂向监测控制单元(24)和三维水温模拟单元(25)；
所述通信单元(21)接收三维水温智能监测装置(1)发送的实时水温及位置数据，并将其转发至数据库(22)；
所述数据库(22)以矩阵格式储存监测数据文件，并接受温跃层判定单元(23)、垂向监测控制单元(24)和三维水温模拟单元(25)的数据调用；
所述温跃层判定单元(23)调取同一垂向上的水温分布数据，计算各监测单元(13)中相邻浮力驱动测温器(130)间水体的温跃层强度，采用垂向梯度法对温跃层进行判定，计算出同一垂向上的多个示性特征量，包括跃层深度、跃层强度及跃层厚度；
所述垂向监测控制单元(24)调取温跃层判定单元(23)计算出的同一垂向上的所述多个示性特征量，调动重力控制单元(133)对跃层深度范围内的测温器进行加密，进而综合控制监测单元的整体分布；
所述三维水温模拟单元(24)调取数据库(22)同一时间的水库水体垂向、横向和纵向的水温数据，利用Kriging插值法对测得的三维温度场进行内插和外推运算，模拟测量区域乃至整个水域的温度分布。
7.一种基于权利要求6所述的三维水温监测***的适用于复杂水域的三维水温智能监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)监测准备阶段：
(S1-1)复杂水体识别：获取目标水域的实际尺寸、边界条件及实时环境温度等基础数据，设定温度梯度阈值gradtthr和测量温差阈值tthr，并输入至所述分布式数据分析***(2)；
(S1-2)控制单元投放：根据目标水域的实际尺寸、边界条件，将所述三维水温智能监测装置(1)中的控制单元(11)投放在库区进水口中轴线处、岸坡边或海中任意位置，利用锚链及沉石(1104)的重力作用将所述控制单元(11)中的圆柱形浮体(1101)固定在特定位置O，伸展可伸缩导轨(1105)；
(S1-3)监测点布置：将所述一或多个漂浮平台(12)安装在所述可伸缩导轨(1105)上，根据获取的所述实时环境温度、水体流速等条件，按相等间隔d0投放监测单元(13)的多个浮力驱动测温器(130)，并通过重力控制单元(133)调节浮力驱动测温器(130)的垂向位置；
(S2)实际水温监测：
(S2-1)初始水温监测：通过各浮力驱动测温器(130)获取对应位置的水深和水温数据，通过通讯电缆(1323)传输至对应漂浮平台(12)；各个漂浮平台(12)通过无线信号发射装置(1202)将各数据合并发送至所述分布式数据分析***(2)；所述数据分析***(2)的通信单元(21)接收所述矩阵相关的信号，构建库区水温空间分布数据并存入所述数据库(22)中；
(S2-2)温跃层定位：所述分布式数据分析***(2)中的温跃层判定单元(23)调取所述数据库(22)中同一垂向上的水温分布数据，计算相邻浮力驱动测温器(130)间水体的温度梯度，并与设定的温度梯度阈值比较，采用垂向梯度法对温跃层进行判定，并将判定结果传输至所述垂向监测控制单元(24)，进而调用重力控制单元(133)综合控制各浮力驱动测温器(130)的垂向位置，实现温跃层的准确定位；
(S2-3)三维水温监测：所述可伸缩导轨(1105)带动所有漂浮平台(12)及0监测单元(13)绕所述控制单元(11)中所述圆柱形浮体(1101)所在点O做圆周运动，每间隔一定角度测量一次所处水域的水体温度，并保存至所述数据库(22)中；
(S3)空间温度场构建：
(S3-1)监测区温度场构建：所述分布式数据分析***(2)中所述三维水温模拟单元(25)调取所述数据库(22)中水库水体垂向、横向和纵向的水温数据，利用Kriging插值法对测得的三维温度场进行内插和外推运算，模拟并重建监测区域内的温度场；
(S3-2)复杂水域温度场构建：移动三维水温智能监测装置(1)的位置，沿目标水域上游或绕岸坡一周进行实际水温监测，将采集到的水温及位置信息保存在所述数据库(22)中，重复步骤(S3-1)，得到目标水域的整体温度场。
8.根据权利要求7所述的适用于复杂水域的三维水温智能监测方法，其特征在于，步骤(S2-1)具体包括：
以所述控制单元(11)中的所述圆柱形浮体(1101)所在特定位置O为极点，以导轨的初始指向为极轴，建立水平面方向的极坐标系ρ-O-θ，同一时刻T，对于任一极坐标为(ρ，θ)的特定漂浮平台(12)，检测对应监测单元(13)中各浮力驱动测温器(130)所在点的水温数据ti及水深数据hi，i＝1,2,…,n，其中，ρ和θ分别为所述特定漂浮平台(12)所在点到所述特定位置O的距离和极角，h为所述特定漂浮平台(12)所在点到水面的垂向距离，n为每个监测单元(13)所设置的浮力驱动测温器(130)的个数；
步骤(S2-2)具体包括：
(S2-2-1)计算第i个浮力驱动测温器所在点与第i-1个浮力驱动测温器所在点之间温度场的温跃层强度
其中i＝2,3,…,n；
(S2-2-2)比较第i个浮力驱动测温器(130)所在点与第i-1个浮力驱动测温器(130)所在点之间温度场的温跃层强度gradti与温度梯度阈值gradtthr的大小，i＝2,3,…,n，当gradti>gradtthr时，区间h∈(hi-1，hi)判定为温跃层，其中hi-1和hi分别为第i-1个和第i个浮力驱动测温器所在点到水面的垂向距离；通过逐段比较，判断出温跃层所在区间，记为(hj，hk)，hj和hk分别为温跃层底部和顶部到水面的垂向距离，将hk作为跃层深度，将hk-hj作为跃层厚度，并将温跃层所在区间内整体垂向温度梯度
作为跃层强度；
(S2-2-3)所述垂向监测控制单元(24)调取温跃层数据以及监测单元(13)中每个浮力驱动测温器(130)的当前水深数据，计算处于温跃层范围内各个测温器的允许测量水深
m为处于温跃层范围内的第m个测温器；比较hm′与当前水深hm，若相等，则保持原监测距离，若h′m<hm，为使检测结果更准确，则调动对应重力控制单元(133)，使对应浮力驱动测温器(130)下潜；
(S2-2-4)重复步骤(S2-2-2)、(S2-2-3)，以得到更为精确的温跃层范围，并实现温跃层范围内的测温点的自动密布。
9.根据权利要求8所述的适用于复杂水域的三维水温智能监测方法，其特征在于，步骤(S3-1)具体包括：
(S3-1-1)在步骤(S2-1)建立的极坐标的基础上，增加自水面至水底的垂向坐标轴z，从而建立三维坐标系；
(S3-1-2)调取所述数据库(22)中ρ-O-z平面内所测得的水温数据
以及浮力驱动测温器(130)的位置信息其中N为所述可伸缩导轨(1105)所牵引的一或多个漂浮平台(12)的数量，n为每个漂浮平台(12)所对应的监测单元中浮力驱动测温器(130)的个数，tij和xij分别表示第i个漂浮平台对应的监测单元(13)中第j个浮力驱动测温器(130)的水温数据和位置数据；
(S3-1-3)针对Kriging的无偏条件求解待定权系数λi的方程组：
其中，η为ρ-O-z平面内的浮力驱动测温器(130)总数量，μ为拉格朗日常数，C(xi,xj)为测量区域内任意两点xi,xj处水温t(xi)和t(xj)的自协方差函数，i＝1,2,…,N,j＝1,2,…,N，且有：
C(xi,xj)＝E[t(xi)t(xj)]-E[t(xi)]E[t(xj)]
(S3-1-4)基于求解的待定权系数λi计算ρ-O-z平面内待插点(ρ0，h0)的水温插值结果
并将计算出的垂向水温插值结果t0(ρ0，h0)储存至所述数据库(22)中以更新所述数据库(22)；
(S3-1-5)调取更新后的数据库(22)中的ρ-O-θ平面内的水温数据
其中，Ω为可伸缩导轨(1105)在圆周运动过程中按预定间隔角度测量时的测量次数；
表示第u个漂浮平台对应的监测单元(13)中各浮力驱动测温器(130)在圆周运动过程中第v次测量的水温数据合成的水温矢量数据；
(S3-1-6)重复步骤(S3-1-3)、(S3-1-4)，得到ρ-O-θ平面内任一点(ρ0,θ0)的水温插值结果t0(ρ0，θ0)，并更新所述数据库(22)，三维温度场构建完毕。
10.根据权利要求7所述的适用于复杂水域的三维水温智能监测方法，其特征在于，还包括：
当同一垂向的监测单元(13)中有三个及以上的浮力驱动测温器(130)检测到水流流速超过5m/s时，打开所有浮力驱动测温器(130)的出水阀门，等待其上升至初始状态，接着控制所有漂浮平台(12)沿所述可伸缩导轨(1105)向所述控制单元(11)移动，收回所述可伸缩导轨(1105)，以使所述三维水温智能监测装置(1)依附于所述控制单元(11)锚定在所述特定位置O，进而降低对进水口水流的影响；待水库闸门再次关闭，依据步骤(S1-2)至(S1-3)重新投放监测装置。
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