連通器高效節(jié)能管道輸水系統(tǒng)研究

顧 雯朱 梅汪小波何 凡林茂林

連通器高效節(jié)能管道輸水系統(tǒng)研究

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一、引言

高效節(jié)水灌溉是對(duì)除土渠輸水和地表漫灌之外所有輸、灌水方式的統(tǒng)稱。輸水方式在土渠的基礎(chǔ)上大致經(jīng)過防滲渠和管道輸水兩個(gè)階段，灌水方式則在地表漫灌的基礎(chǔ)上發(fā)展為噴灌、微灌直至地下滴灌等。

目前的高效節(jié)水灌溉實(shí)踐，主要集中于推廣管道輸水方法、使用先進(jìn)的灌溉技術(shù)和灌溉設(shè)備，核心都是設(shè)法提高水的使用效率，但提高水的使用效率，并不能改善取水條件和降低水的價(jià)格，沒有方便、廉價(jià)的水源，高效節(jié)水灌溉將難以推廣。本文認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水灌溉，除了輸水和灌水（用水）兩種技術(shù)的發(fā)展有利于實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水灌溉以外，水源系統(tǒng)建設(shè)不容忽視。

二、連通器高效節(jié)能管道輸水系統(tǒng)基本介紹

連通器高效節(jié)能管道輸水系統(tǒng)是由蓄水水平面高于地面的蓄水池和多功能取水裝置通過地下管網(wǎng)連接組成的大型網(wǎng)格狀連通器系統(tǒng)，可以將區(qū)域內(nèi)的所有水源按合適的取水距離要求進(jìn)行轉(zhuǎn)移和復(fù)制，形成一個(gè)均勻的、網(wǎng)格狀布置的水源網(wǎng)，可以用靜壓輸送的方式提供灌溉用水，不僅不需要消耗動(dòng)力，而且和暗渠式輸水管道相比，管內(nèi)流速較高，可大大提高輸水能力。

圖1 系統(tǒng)功能示意圖

圖2 多功能取水裝置結(jié)構(gòu)圖

連通器的工作原理是當(dāng)取水時(shí)，打開容器上的取水閥，容器中的水被取出，導(dǎo)致容器內(nèi)的液面下降，這時(shí)，其他容器中的水將自動(dòng)向該容器流動(dòng)，導(dǎo)致其他容器的水位也隨之下降。此時(shí)，如果通過進(jìn)水閥向某容器中補(bǔ)進(jìn)與被取出量相等的水，則所有容器的液面將恢復(fù)原有的高度并保持相等。如果連續(xù)注水，則可以連續(xù)從任一容器中中取出與注入量相同的水。利用這一原理，就實(shí)現(xiàn)了水源位置的轉(zhuǎn)移以及水源點(diǎn)的復(fù)制。

該系統(tǒng)首先利用提水設(shè)備將水源的水通過距離最近的蓄水池或多功能取水裝置注入系統(tǒng)。根據(jù)連通器原理，來自水源的水將通過管網(wǎng)自動(dòng)流向遠(yuǎn)離水源的其他蓄水池和多功能取水裝置，直至系統(tǒng)的每個(gè)蓄水池和多功能取水裝置的水位相等，形成系統(tǒng)水位，并與地面形成需要的水位差。當(dāng)灌溉設(shè)備需要從某一個(gè)多功能取水裝置取水灌溉時(shí)，會(huì)引起這個(gè)多功能取水裝置的水位下降，這時(shí)，根據(jù)連通器原理，其他蓄水池和多功能取水裝置的水就會(huì)自動(dòng)向這個(gè)多功能取水裝置流動(dòng)，以使其保持與系統(tǒng)相同的水位。當(dāng)系統(tǒng)的水位下降到一定范圍時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)提水設(shè)備，提取水源的水來恢復(fù)系統(tǒng)水位，以保證灌溉持續(xù)進(jìn)行。

圖1是由一個(gè)圓柱形蓄水池及多個(gè)取水點(diǎn)組成的灌溉水源系統(tǒng)，利用蓄水池蓄能輸水、調(diào)水，一般保持蓄水池內(nèi)的水位高于地面水位1.5～2.0m，由此可為連通器高效節(jié)能管道輸水系統(tǒng)提供需要的水位差，當(dāng)打開任意一個(gè)取水柱取水時(shí)，由于水位差的作用，不需要?jiǎng)幽芫涂梢宰屗ㄟ^放射狀輸水管道流向取水點(diǎn)。

該系統(tǒng)的另一個(gè)重要組成部分是多功能取水裝置（見圖2），該裝置水位與系統(tǒng)水平面一致，并由系統(tǒng)維持。由于多功能取水裝置內(nèi)的水位高于灌溉取水閥，這樣通過灌溉取水閥可以從系統(tǒng)內(nèi)直接引出灌溉用水。

每個(gè)多功能取水裝置都是系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，既可以提供灌溉用水，也可以接入水源點(diǎn)的來水。當(dāng)多功能取水裝置距水源地較遠(yuǎn)，可將水位保持管上端的注水接口法蘭用盲板盲死，多功能取水裝置通過管網(wǎng)接口接受系統(tǒng)來水保持水位并提供灌溉用水；當(dāng)多功能取水裝置與水源地較近，可將水位保持管上端的盲板打開，通過注水接口法蘭接入水源地來水保持裝置水位和提供灌溉用水，并通過管網(wǎng)接口向系統(tǒng)輸水，保持系統(tǒng)水位。

除此之外，特別重要的是在排泥沙方面，多功能取水裝置配備了虹吸出水管，當(dāng)需要從灌溉取水閥引出灌溉用水時(shí)，虹吸出水管在向外吸出灌溉用水的同時(shí)，自動(dòng)將沉淀箱內(nèi)的泥沙一同吸出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排泥沙。

由上述可知，系統(tǒng)整體的工程實(shí)施方法是先按系統(tǒng)水位差要求和緩沖蓄水量要求確定蓄水池和多功能取水裝置的高度及蓄水池的容量，再按取水距離要求確定多功能取水裝置的間隔和位置；其次鋪設(shè)地下管網(wǎng)將蓄水池和多功能取水裝置進(jìn)行連接。通過以上步驟，便可形成一個(gè)由管網(wǎng)、蓄水池和多功能取水裝置組成的大型網(wǎng)格狀連通器高效節(jié)能管道輸水系統(tǒng)。

三、連通器高效節(jié)能管道輸水系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

1.供水范圍大

系統(tǒng)由獨(dú)立的系統(tǒng)單元組成，每個(gè)系統(tǒng)單元占地面積2.88km2（4320畝）；灌溉控制面積3.645km2（5467.5畝）。多個(gè)系統(tǒng)單元相互連接，可組成規(guī)模龐大的灌溉水源網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)在數(shù)十乃至數(shù)百平方公里的范圍里，將灌溉最遠(yuǎn)取水距離控制在150m以內(nèi)。

通過該系統(tǒng)，可以將現(xiàn)有水源的有效灌溉半徑延長(zhǎng)十倍以上，即在不增加現(xiàn)有水利設(shè)施的條件下，大幅度提高現(xiàn)有水源的有效灌溉面積，提高水資源的利用率。

2.供水能耗低

使用大管道靜壓輸水，可降低96%以上的輸水能耗。使用大功率混流泵集中提水，可降低40%以上的提水能耗。通過縮短取水距離，加大輸水管徑，可降低50%以上的灌溉設(shè)備動(dòng)力消耗。該系統(tǒng)可以支持所有節(jié)水灌溉技術(shù)大面積推廣，可大幅度節(jié)約灌溉用水。

3.維護(hù)費(fèi)用低

系統(tǒng)埋置于地面以下60cm處，采用的是HDPE雙壁波紋輸水管，理論壽命可達(dá)50年，管道采用熱縮套接的連接方式，可基本杜絕輸水過程的跑冒滴漏現(xiàn)象。與此同時(shí)，系統(tǒng)通過自動(dòng)虹吸排沙技術(shù)，能有效阻止泥沙進(jìn)入系統(tǒng)，將進(jìn)入系統(tǒng)的泥沙自動(dòng)排出，可大幅度減少系統(tǒng)的維護(hù)量和維護(hù)費(fèi)用。

4.可集中管控

大規(guī)模管網(wǎng)狀的系統(tǒng)上可以承載很多數(shù)控系統(tǒng)，讓大田灌溉得以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和機(jī)械化，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的水肥管理和控制提供有效手段。

四、結(jié)語

通過以上分析可知，連通器高效節(jié)能管道輸水系統(tǒng)具有非常高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)可以為高效節(jié)水灌溉提供充分廉價(jià)的水源，為提高灌溉用水的使用效率創(chuàng)造條件，為在大面積節(jié)水灌溉、降低節(jié)水灌溉成本提供充分、廉價(jià)的水源保障。同時(shí)，該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)大面積灌溉自動(dòng)化提供硬件基礎(chǔ)，在多功能取水裝置上加裝流量計(jì)、控制閥和用戶識(shí)別器，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)，便可實(shí)現(xiàn)大面積灌溉和水肥管理的自動(dòng)控制，極大提高灌溉和水肥管理過程的勞動(dòng)生產(chǎn)率，消除制約農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率提高的瓶頸。系統(tǒng)以強(qiáng)大的灌溉供水能力充分保證大型農(nóng)機(jī)的高效作業(yè)，從而大幅度提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率。進(jìn)一步來說，灌溉條件的改善和灌溉作業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率的大幅度提高，可為實(shí)現(xiàn)灌溉作業(yè)和水肥管理的社會(huì)化服務(wù)創(chuàng)造必要的條件，這將對(duì)中國(guó)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程產(chǎn)生積極的影響

（專欄編輯：張 婷）

1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 230036 2.安徽省德恒貿(mào)易有限公司 230036）