高原高寒地區(qū)管井不凍供水系統(tǒng)的研究與實(shí)際應(yīng)用

劉春鵬 張亮

對(duì)于環(huán)境極為惡劣的高原高寒環(huán)境，管井供水尤為困難。在低溫環(huán)境下，因?yàn)闇囟忍蜔o法排空供水管道而易凍結(jié)。深層挖掘地層水的供水管道保溫措施不符合日常的緊急供水需求。為此我們研制了可以解決現(xiàn)有潛水單向旋轉(zhuǎn)的一種正反轉(zhuǎn)井用潛水異步電動(dòng)機(jī)。為了減緩反向旋轉(zhuǎn)對(duì)電極的損害，同時(shí)研發(fā)了一種能在高原高寒地區(qū)適應(yīng)的特質(zhì)潛水泵，符合我國北方冬季漫長、晝夜溫差大和川藏高原高寒地區(qū)的管井供水系統(tǒng)。

我國西北內(nèi)陸地區(qū)晝夜溫差大，干旱少雨是困擾我國千百年的問題，生活用水主要依賴于地下水管井供給。北方川藏地區(qū)冬季以及寒夜漫長，管井水無法及時(shí)排除而容易凍結(jié)堵塞是高原高寒地區(qū)構(gòu)筑管井的最大難題，采用了種種保溫措施來保障其管道能正常工作流通，但結(jié)果都不盡人意。

1高原高寒地區(qū)管井凍結(jié)以及供水系統(tǒng)分析

1.1高原高寒管井供水系統(tǒng)分析

因我國地形特殊，國外無同等環(huán)境可借為參考，因此我國對(duì)新疆南疆地區(qū)、西藏阿里地區(qū)供水單位現(xiàn)狀進(jìn)行專項(xiàng)調(diào)研考察，發(fā)現(xiàn)普通潛水泵的供水系統(tǒng)中存水為了避免回流過快，形成重力水柱損壞電機(jī)，而是通過逆止閥的回流孔較慢的倒流回水井中，因?yàn)楦咴吆貐^(qū)冬季漫長，導(dǎo)致慢水流凍結(jié)，影響了供水系統(tǒng)的正常工作，未解決此問題泵房井口架火爐生活保暖的方法，并不能有效地融化深埋供水系統(tǒng)的結(jié)凍問題。

1.2普通潛水泵結(jié)構(gòu)分析

普通潛水泵的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其只能逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，不能正反雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過導(dǎo)軸承承受潛水電機(jī)工作中轉(zhuǎn)動(dòng)的徑向力，電機(jī)底座上的下止推軸承承受軸向力，大功率潛水電機(jī)組成是由轉(zhuǎn)子上的滑板總成和多塊金屬扇形塊的下止推軸承，扇形塊背后支點(diǎn)是偏心結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致下止推軸承承載力高，電機(jī)不能反向轉(zhuǎn)，下降下止推軸承承載力，若長時(shí)間或快速反向運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致軸承損壞，電機(jī)損傷，潛水泵無法工作。因此在普通潛水泵安裝逆止閥，防止回流水過快形成水柱造成電機(jī)倒轉(zhuǎn)而損壞，逆止閥阻止水流過快沖擊葉輪是普通潛水泵水流慢的主要原因。

1.3供水管路存水回流管井的不良分析

除了上述因水流過快形成水柱沖擊葉輪造成電機(jī)反轉(zhuǎn)損傷之外，還會(huì)因?yàn)楣┧芄苈愤^長、動(dòng)水位離管井口過近，管井含水層無法快速吸納管道內(nèi)因大量、快速回流的存水，導(dǎo)致管井口水大量溢出，造成井口四周、管井和泵房結(jié)冰，這兩種不利情況是導(dǎo)致普通潛水泵控制回流速度的原因。高寒高原地區(qū)凍土層會(huì)傷害管井和泵管，所以應(yīng)提升管井短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存回流水能力，凍土層到靜水位的距離也是影響潛水泵或管井出水的重要原因之一。必須保證管路存水回流井內(nèi)靜水位不超過凍土層的高度，否則管井內(nèi)的存水會(huì)很快凍結(jié)于凍土層的供水管內(nèi)。

1.4供水管安裝不當(dāng)造成存水凍結(jié)分析

會(huì)造成高原高寒地區(qū)管井的供水管發(fā)生凍結(jié)主要由以下兩種情況：一是對(duì)管路保溫做的工作不足;二是管路內(nèi)存水過多、時(shí)間過長。因此過多的水存于管路中會(huì)導(dǎo)致管路凍結(jié)，管路因凍結(jié)會(huì)對(duì)供水系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，保溫措施是保證供水管正常工作的重要工作，但因?yàn)樵诠苈钒惭b忽視了出水口到用水點(diǎn)位之間的位差，會(huì)造成因?yàn)闅鉁剡^低或保溫工作未到位二引發(fā)存水凍結(jié)，一樣會(huì)影響到供水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2針對(duì)高原高寒地區(qū)管井不凍供水系統(tǒng)的研究

因高原高寒地區(qū)晝夜溫差大，冬季漫長寒冷，應(yīng)研究專門供北方和川藏使用的管井不凍供水系統(tǒng)，保障這些地區(qū)人民的正常用水。

2.1技術(shù)要求

（1）供水潛水機(jī)停止工作后，迅速排空供水管路內(nèi)的存水，快速通過潛水泵的逆止閥流入井內(nèi)。

（2）設(shè)計(jì)研發(fā)一種適應(yīng)高原高寒地區(qū)的新型潛水泵，可實(shí)現(xiàn)正反雙向旋轉(zhuǎn)，通過正向旋轉(zhuǎn)正常向管道輸水，通過反向旋轉(zhuǎn)，使得回流水與工作方向相同，在不損害潛水泵葉輪，造成電機(jī)損傷的情況下使在存留在管路之內(nèi)的存水排出。

（3）管井供水系統(tǒng)快速回流的管路設(shè)計(jì)。

（4）研究供水管管路存水因回流過快產(chǎn)生的負(fù)面影響以及避免其發(fā)生的方案。

2.2技術(shù)方案的簡要探討

通過對(duì)潛水泵逆止閥的改進(jìn)，增加逆止閥上的回流孔數(shù)或增加回流孔孔洞大小，增加水流的流通面積，此方法在回流中水流過大、水速過快的沖擊逆止閥，有效提高逆水閥材質(zhì)保證其正常工作。另外不凍供水系統(tǒng)的供水管路需改進(jìn)設(shè)計(jì)，一是供水管路從井口到用水點(diǎn)位之間要設(shè)計(jì)一個(gè)上坡，來令管路中因存水通過自身重量流回到井內(nèi)，防止發(fā)生管路積水凍結(jié);二是在供水系統(tǒng)停止工作時(shí)，管路的水回流到井內(nèi)的過程中，供水管路不應(yīng)關(guān)閉，應(yīng)該保持開放的狀態(tài)。因?yàn)殚_放供水管路情況下回比管路封閉排空時(shí)間更快，對(duì)于高原高寒的特殊情況更適用;其次要計(jì)算管井可“吸容”供水管路回流存水量，在使用可快速回流供水管存水的特殊潛水泵與普通潛水泵不同，應(yīng)充分考慮管井的靜水位、動(dòng)水位、管路長度以及降深，以保證管路水流回流入井的水量小于管井動(dòng)水位與井口之間的容積大小，依據(jù)用水量來選擇合適的管徑，減少供水管存水。

綜上所述，為了防止供水管線因低溫寒冷凍結(jié)，提供新型特殊的潛水泵以供高寒高原地區(qū)日常生活迫不及待，如果供水問題發(fā)生在災(zāi)時(shí)或戰(zhàn)時(shí)，高寒高原地區(qū)本身不能滿足供應(yīng)用水，應(yīng)急供水保障行動(dòng)因管路凍結(jié)等問題出現(xiàn)供給不足，后果極為嚴(yán)重，屆時(shí)會(huì)威脅到戰(zhàn)時(shí)或?yàn)?zāi)時(shí)的戰(zhàn)斗力以及普通人的生命。因此管井不凍供水系統(tǒng)的研究成功，最大意義是保障了高寒高原地區(qū)在緊急狀況之中應(yīng)急供水的穩(wěn)定提供，為我國高原高寒地區(qū)經(jīng)濟(jì)、邊防軍事和社會(huì)民生有效護(hù)航。