水利工程建設(shè)節(jié)能降耗的意義和途徑

施炳利

持續(xù)的霧霾天氣日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，造成霧霾天氣的主要因素之一是能源特別是化石能源（煤炭、石油等）消耗量過大。減少霧霾天氣，重點(diǎn)是節(jié)能降耗，降低化石能源消耗量，主要是降低用煤、用油、用電大戶，即鋼鐵、水泥、發(fā)電、玻璃、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的耗能量。若要減少上述行業(yè)的耗能量，就要節(jié)約能源、資源、減少鋼鐵、水泥等材料的用量，各行各業(yè)都要注重節(jié)能減排，走節(jié)約型可持續(xù)發(fā)展之路。

1. 水利工程建設(shè)節(jié)能降耗的意義

隨著國家對水利的重視程度不斷加強(qiáng)，水利工程建設(shè)的投入和規(guī)模也在不斷加大。2012年全國水利投資4000億元，我省水利固定資產(chǎn)投資達(dá)137億元。水利工程建設(shè)牽扯面廣，工程形式多樣，投資大，動(dòng)用土石方量相對較大，耗材特別是水泥和鋼材消耗量較大，各種施工機(jī)械耗油、耗電量多；各類水利機(jī)電設(shè)備運(yùn)行需消耗大量電力。因此，注重水利工程建設(shè)中的節(jié)能降耗，對降低能源、資源消耗、改善環(huán)境具有重要意義。一是緩解能源供給的緊缺局面，我國人均能源資源約為世界平均數(shù)的50%，資源分布不均，缺乏優(yōu)質(zhì)能源，以煤炭為主，給交通運(yùn)輸和環(huán)境造成巨大壓力。石油、天然氣進(jìn)口依存度高，能源地緣政治日趨復(fù)雜，能源安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如不采取控制措施，將對我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來重大挑戰(zhàn)。水利工程建設(shè)節(jié)約能源大有可為，特別是大型水利工程能源、資源用量大，節(jié)能潛力巨大。如南水北調(diào)中線總干渠工程，僅邯邢段172km，動(dòng)用土石方總量 14962萬 m3，用混凝土 272萬 m3、水泥 125.4萬 t、鋼筋、鋼材 26萬 t、汽、柴油19.6萬t。二是有利于改善大氣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我國能源結(jié)構(gòu)以煤炭和石油為主，化石能源的使用是PM2.5、氮?dú)浠衔锖投趸虻却髿馕廴疚锏闹饕欧旁?，不僅損害人體健康，還會(huì)形成對土壤、水體、建筑物危害嚴(yán)重的酸雨。造成溫室氣體大量排放。如不控制化石能源的消耗并降低排放強(qiáng)度，按照目前的發(fā)展，大氣質(zhì)量將達(dá)到難以承受的程度。水利工程建設(shè)降低能源和建材消耗，對減少化石能源的消耗，改善大氣質(zhì)量有重要意義。三是重視水利工程建設(shè)節(jié)約能源和資源，減少建筑材料的消耗，有利于保護(hù)耕地和改善生態(tài)環(huán)境。

2. 水利工程建設(shè)節(jié)能降耗的途徑

2.1 水利工程總體布置節(jié)能降耗

水利工程總體布置要從節(jié)能降耗角度，優(yōu)化工程布置方案?？紤]工程交通運(yùn)輸條件盡量便利，能源供應(yīng)、電力供應(yīng)距離短，材料供應(yīng)盡量方便。根據(jù)建筑物組成，施工組織設(shè)計(jì)，對施工用能進(jìn)行分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低施工用電、用油，優(yōu)化總體布置，減少工程土石方開挖和回填量，盡量做到土石方挖填平衡，合理選擇土料場，減少土石方運(yùn)量和運(yùn)距；減少大宗材料用量和運(yùn)距。樞紐布置要充分利用地形、地質(zhì)條件，各建筑物布置緊湊，減少連接建筑物。水庫壩址、壩軸線選擇，要進(jìn)行多方案比選，優(yōu)化布置方案，降低混凝土、建筑材料用量、土石方動(dòng)用量。對各類過水建筑物布置和斷面選擇，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)、地形條件，考慮水頭損失和斷面尺寸的相互關(guān)系，合理選擇。對引調(diào)水、供水工程線路布置要結(jié)合地形、地質(zhì)條件，避開高挖、高填地段，盡量利用水庫水位、地形高差，能自流盡量自流，盡量減少平面和豎向折彎，減少水頭損失和能量損失。

2.2 水利工程建筑物結(jié)構(gòu)形式節(jié)能降耗

水利工程建筑物結(jié)構(gòu)形式在保證工程安全可靠的前提下，應(yīng)選擇節(jié)能、節(jié)材等新型結(jié)構(gòu)形式和材料。水庫大壩，壩型有混凝土重力壩、碾壓混凝土重力壩、漿砌石重力壩、拱壩、支墩壩、土石壩（黏土心墻、黏土斜墻、混凝土面板等）等；壩型和結(jié)構(gòu)選擇應(yīng)結(jié)合地形、地質(zhì)條件，當(dāng)?shù)刂尾牧?，?dǎo)流、施工條件等進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能比較。如河谷狹窄、地質(zhì)條件良好，可優(yōu)選拱壩，有利于發(fā)揮混凝土的抗壓強(qiáng)度，大大降低壩體厚度，大量節(jié)省混凝土工程量；如河谷寬闊，地質(zhì)條件較好，可修建重力壩，采用碾壓混凝土壩，比混凝土重力壩可節(jié)省大量水泥，提高施工效率；河谷寬闊，地質(zhì)條件較差，河床覆蓋層較厚，沙土料儲(chǔ)量豐富，適于建土石壩，可采用混凝土面板砂礫石壩，可節(jié)省大量土料運(yùn)輸。水工建筑物像水閘、溢洪道、隧洞、渡槽、倒虹吸、橋梁、廠房等大量使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼材和水泥消耗量大。這些建筑物中，具備條件的，應(yīng)優(yōu)先選用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮鋼筋和混凝土的各自特性，提高鋼筋和混凝土構(gòu)件剛度、抗裂性和耐久性；可有效利用高強(qiáng)度鋼筋和高強(qiáng)度等級混凝土。與普通混凝土相比，在相同條件下，構(gòu)件截面小、自重輕、材料?。晒?jié)省鋼材40%～50%，混凝土20%～40%），南水北調(diào)中線工程中大型渡槽、倒虹吸、橋梁等建筑物，大量使用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，取得了明顯的節(jié)能、節(jié)材等經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。經(jīng)計(jì)算僅南沙河倒虹吸工程，使用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，節(jié)省鋼筋43%，減少混凝土用量27.1%；節(jié)省混凝土12萬 m3、鋼筋2萬t，節(jié)省投資3213萬元。水利工程各類閘門、管道、橋梁使用大量鋼材，在設(shè)計(jì)施工中應(yīng)注重節(jié)約，采用CAD技術(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)節(jié)約鋼材，采用CAM技術(shù)加工制作，優(yōu)化加工下料、采用新型焊接和安裝技術(shù)，降低鋼材耗量；做好鋼結(jié)構(gòu)防火涂料和防火保護(hù)層;做好鋼結(jié)構(gòu)的防腐，降低鋼材腐蝕量。水利工程各類廠房建筑應(yīng)采用新型節(jié)能技術(shù)；新型墻體材料，主要有蒸壓加氣混凝土砌塊、輕集料混凝土小型空心砌塊、混凝土夾心砌塊等，具有重量輕、力學(xué)性能好、保溫隔熱性能好等特點(diǎn)。采用節(jié)能門窗，如斷橋型門窗、中空玻璃門窗、低輻射率玻璃等，降低室內(nèi)能耗。加強(qiáng)外墻保溫設(shè)施，使用膨脹聚苯板薄抹灰外墻保溫技術(shù)、擠塑型聚苯乙烯板保溫技術(shù)、現(xiàn)澆混凝土模板內(nèi)置聚苯板外墻保溫技術(shù)等，可保護(hù)主體結(jié)構(gòu)、延長建筑物壽命，保持室溫穩(wěn)定，降低能耗。做好屋面節(jié)能設(shè)施，像白色屋面、隔熱屋面、通風(fēng)屋面、種植屋面、蓄水屋面等。

2.3 水利工程中的各類管道節(jié)能降耗

水利工程的各類輸水管道選擇，一是管徑選擇，應(yīng)考慮節(jié)能和節(jié)材，在一定流量下，管徑與管內(nèi)流速、水頭損失、造價(jià)、材等因素有關(guān)，管徑大，管內(nèi)流速小，能量損失小，但管道材料增加，反之亦然；因此，管徑選擇是一個(gè)多目標(biāo)決策問題，應(yīng)進(jìn)行動(dòng)能經(jīng)濟(jì)比較，經(jīng)多方案比選，選擇最優(yōu)方案。二是管材選擇，常用管材有鋼管、鑄鐵管、PVC管、PE管、預(yù)應(yīng)力混凝土管、PCCP管等，管材選擇結(jié)合地形、地質(zhì)條件，考慮管道內(nèi)外壓力、結(jié)構(gòu)、運(yùn)輸、安裝、維護(hù)、造價(jià)等條件，管材選擇還要考慮不同管材沿程損失系數(shù)不同，它與管徑選擇有關(guān)，也關(guān)系到材料的用量，應(yīng)擬定不同管材，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能綜合比較選擇。

2.4 水利工程建設(shè)節(jié)能降耗應(yīng)推廣使用土工合成材料

土工合成材料是以高分子聚合物為原料制成的各種用于土木工程的產(chǎn)品，土工合成材料的聚合物主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚酯（PET）、聚酰胺（PA）、聚氯乙烯（PVC）等，制成的合成材料品種和用途主要有：一是土工織物，如有紡?fù)凉げ?、無紡?fù)凉げ?，主要用于堤壩、水閘反濾、排水和地基加固，也可做成土工袋、土工枕用于堤壩，降低工程量。二是土工膜，有加筋土工膜、復(fù)合土工膜，又分一布一膜、二布一膜、三布二膜等，主要用于水利工程防滲，如堤壩垂直鋪塑、水庫、河道等水平防滲等。三是土工格柵，抗拉強(qiáng)度大，與土的摩擦系數(shù)高達(dá)0.8～1.0，是良好的加筋材料，廣泛用于水閘、堤壩等地基、坡面加固、檔墻、翼墻填土加筋；加筋墻限制土體側(cè)向位移，可減小建筑物結(jié)構(gòu)尺寸。四是土工網(wǎng)，石龍網(wǎng)用于堤壩防護(hù)，防沖。五是土工膜袋，內(nèi)充混凝土或砂漿，作為護(hù)坡，節(jié)省模板。土工合成材料用于水利工程，可節(jié)省投資，降低工程量，具有很好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，應(yīng)大力推廣使用。

2.5 水利工程建設(shè)施工中的節(jié)能降耗

水利工程施工使用大量的施工機(jī)械，耗用大量電力、汽、柴油，節(jié)能降耗大有潛力可挖。要根據(jù)對外交通、工程布置特點(diǎn)、資源供應(yīng)、氣象、水文、地形、地質(zhì)等條件，安排施工方案。做好施工導(dǎo)流方案和導(dǎo)流、截流時(shí)機(jī)；合理選擇料場位置和開采方案；主體工程施工，合理選擇施工方案和施工機(jī)械；挖掘機(jī)和自卸汽車應(yīng)根據(jù)容量、運(yùn)距、臺班、工期等進(jìn)行最佳經(jīng)濟(jì)組合，提高效率、降低跑空和能耗；混凝土攪拌、運(yùn)輸、澆筑系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)施工強(qiáng)度，合理選擇位置、容量、設(shè)備和輸送方式；施工工廠、機(jī)械修配及綜合加工廠布置盡量緊湊，靠近施工現(xiàn)場，減少運(yùn)輸和二次搬運(yùn)。風(fēng)、水、電供應(yīng)，要合理選擇供應(yīng)方式、容量和線路，選擇節(jié)能產(chǎn)品。施工進(jìn)度安排，要盡量避開雨季、冬季、高溫天氣、夜間施工，降低防洪、保溫、降溫、照明等能耗。推廣和使用節(jié)能施工新技術(shù)、新設(shè)備。如深基坑支護(hù)新技術(shù)有預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)、復(fù)合土釘墻支護(hù)技術(shù)、型鋼水泥土復(fù)合攪拌樁支護(hù)技術(shù)、組合內(nèi)支撐技術(shù)、凍結(jié)排樁法支護(hù)技術(shù)等均有保證基坑安全，降低開挖量等作用，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際積極采用。

2.6 水利工程中的機(jī)電設(shè)備節(jié)能降耗

水利工程建設(shè)和運(yùn)行中，大量使用各類機(jī)電設(shè)備，像水泵、電動(dòng)機(jī)、變壓器、起重機(jī)、各類施工機(jī)械等。在設(shè)備選擇和使用中應(yīng)注重節(jié)能。一是水泵節(jié)能。水利供水、排澇中大量使用水泵，水泵選擇要根據(jù)不同的流量、揚(yáng)程組合，合理選擇泵型和臺數(shù)，使其多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在高效區(qū)。二是電動(dòng)機(jī)節(jié)能。電動(dòng)機(jī)容量應(yīng)與動(dòng)力設(shè)備匹配，選用高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)，一般應(yīng)選效能二級產(chǎn)品，像YX3等系列，比普通Y系降耗20%。三是變壓器節(jié)能。變壓器的損失包括空載損失和短路損失，根據(jù)變壓器的效率公式可以推導(dǎo)出變壓器最高效率時(shí)的負(fù)荷率β，中小型變壓器約為0.5左右，也就是說變壓器的負(fù)荷率在0.5左右時(shí)，效率最高。按效率最高選擇變壓器容量，勢必造成容量過大，耗材和投資大，因此，變壓器容量選擇應(yīng)根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)、大小、年運(yùn)行小時(shí)數(shù)、電能損耗、造價(jià)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選擇，一般負(fù)載率在80%左右既節(jié)能又經(jīng)濟(jì)。同時(shí)應(yīng)選擇節(jié)能型變壓器，像S13、SH15型空載損耗降50%～80%。四是推廣使用變頻調(diào)速裝置。通過改變頻率，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，使電機(jī)和水泵等在不同負(fù)載、流量等參數(shù)變化下，保持運(yùn)行在高效區(qū)，節(jié)能效果達(dá)20%～30%。五是無功功率補(bǔ)償。水利工程大量使用異步電動(dòng)機(jī)、變壓器等，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)進(jìn)行無功補(bǔ)償，以提高功率因數(shù)，減少無功電流的傳輸，降低電能損耗；一般應(yīng)就地分散補(bǔ)償，節(jié)能效果最好。六是電線電纜節(jié)能。線路電能的損失隨導(dǎo)線截面的增大而減小，但耗料和造價(jià)增加。因此，選擇導(dǎo)線的截面在滿足電壓、電流、敷設(shè)等條件下，應(yīng)進(jìn)行電能損耗，耗材，經(jīng)濟(jì)等綜合比較選擇。

3. 結(jié)語

水利工程建設(shè)點(diǎn)多、面廣，耗能、耗材量大。目前行業(yè)節(jié)能環(huán)保意識相對較弱，節(jié)能措施還須進(jìn)一步完善和落實(shí)。節(jié)能關(guān)乎我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和生態(tài)平衡，要不斷更新觀念，進(jìn)一步完善節(jié)能降耗標(biāo)準(zhǔn)和體制，在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等各環(huán)節(jié)，大力開發(fā)、引進(jìn)、推廣使用節(jié)能降耗新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料。推動(dòng)水利建設(shè)快速健康發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。