虹吸井抽取潮間帶井鹽水應(yīng)用技術(shù)

陳旭東，趙 鵬

(1.葫蘆島市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，遼寧 葫蘆島 125000；2.建昌縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 建昌 125300)

遼寧葫蘆島市是我國大菱鲆主要養(yǎng)殖區(qū)，年產(chǎn)鲆鰈魚4萬噸。大菱鲆工廠化養(yǎng)殖主要采用“井鹽水＋大棚”的養(yǎng)殖模式，初期利用海水倒灌區(qū)提取倒灌海水(井鹽水)，規(guī)模擴(kuò)大后井鹽水資源不足，養(yǎng)殖業(yè)主在海上打井，用動(dòng)力泵抽取潮間帶地下25～30米處經(jīng)過濾、升溫的海水，需要業(yè)主自己解決打井、輸電、提水、輸水等諸多問題。由于取水距離較長、電損大且有安全隱患；動(dòng)力泵提水時(shí)單位面積取水量較大，海水未經(jīng)充分過濾升溫快速、匯集流向井底，所抽水?dāng)y帶泥沙，水質(zhì)濁度、潔度、溫度不適宜工廠化養(yǎng)殖，水運(yùn)動(dòng)裹挾的泥沙需要淘井、洗井去泥沙，致使海洋底土表層塌陷(抽漏了)，水井使用周期僅能維持3～5年。虹吸井抽取潮間帶井鹽水技術(shù)可解決上述問題，該技術(shù)是在距離海岸線1 000米以內(nèi)的潮間帶打井，井深30米，依據(jù)虹吸原理，抽取水位-25～-30米經(jīng)沙層過濾的井鹽水，用于工廠化養(yǎng)殖鲆鰈魚。這種取水方式與動(dòng)力泵提水比較有3個(gè)優(yōu)勢：一是節(jié)約電力成本，二是水質(zhì)清新、溫度恒定，三是取水時(shí)滲取平順，延長了鹽水井的使用周期。

一、條件要求

1.底質(zhì)要求

海域底質(zhì)要求沙泥底，沙質(zhì)占比在50%～70%，既要保證井下透水性與黏固性平衡，又要有一定的強(qiáng)度支持鉆井設(shè)備。

2.環(huán)境要求

虹吸抽水裝置距離動(dòng)力提水井500米以上，防止動(dòng)力提水造成的低水位影響虹吸動(dòng)力。

3.管線要求

管線工作壓力為4個(gè)大氣壓，考慮水錘效應(yīng)，輸水管材強(qiáng)度要保證10個(gè)大氣壓，防止爆裂。

4.高程參數(shù)

以海平面為基準(zhǔn)(0米)，蓄水井倉距地平面為1.5米；大潮汐高潮線為1.5米，平均高潮線為1米，虹吸井取水點(diǎn)灘涂平面(底土)為-0.5米，平均低潮線為-1米，潮差為2米；輸水管(埋深)最高點(diǎn)為0.3米，埋深輸水管取水端為-1.7米；儲(chǔ)水端蓄水井倉與取水端虹吸井等深，為-30米。

二、設(shè)計(jì)施工

1.虹吸井吸水管

虹吸井抽水管為雙層PE套管，管長30米，外層套管直徑90毫米、內(nèi)層吸管直徑75毫米；外層套管底端8米以下用5厘米碎石混粗沙與海底土層隔開200毫米，使海水能夠自由滲透，保持井內(nèi)水位高度；外層管壁下端6米以下開10毫米的透水孔，內(nèi)層虹吸管在下端2米以下開5毫米吸水孔。內(nèi)外管上頂端封閉，井上端距海底土平面1.2米(埋深)，防航海、捕撈、風(fēng)暴潮以及脹縮影響。

2.虹吸吸水管單元

虹吸吸水管行距50米、間距30米；10個(gè)吸水管為1個(gè)虹吸抽水單元(此單元占用海域面積約2畝、占用海域和取水效率與1眼動(dòng)力井相當(dāng)，故稱為1眼虹吸井)，用直徑0.24米管串聯(lián)成輸水管；抽水管的截面積總和與連接的輸水管截面積相當(dāng)；輸水管向陸地方向蓄水池輸水。

3.輸水與輸水效率

輸水管線直徑為0.24米，管線穿越濱海公路(圖1)。實(shí)際輸水距離1 000米時(shí)，抽水管單元(1眼虹吸井)每小時(shí)輸水30米3，此時(shí)輸水流速0.06米/秒，1 000米輸送距離動(dòng)能損失約相當(dāng)于2.4米揚(yáng)程勢能；效率與9.2千瓦動(dòng)力泵提水距離500米相當(dāng)。

圖1 輸水管跨越濱海公路示意

4.蓄水池(蓄水井倉)

蓄水池(蓄水井倉)設(shè)置于濱海公路向陸地一側(cè)(圖2)，距離海岸線100米。蓄水池為圓柱形，池深33米，與吸水管等深，內(nèi)徑視虹吸抽水管單元數(shù)量而定。葫蘆島地區(qū)集水池內(nèi)徑為8米，蓄水池容積為1 500米3。配置15眼虹吸井(輸水單元)，日供水10 000米3。

圖2 蓄水池

5.水錘效應(yīng)與真空泵

輸水管陸地部分埋深不少于1.5米，保證進(jìn)入蓄水池點(diǎn)為輸水管最高點(diǎn)，向上連接外置真空泵，再安裝水錘效應(yīng)氣囊；向下部分為進(jìn)水管。

從海底25米以下進(jìn)入吸水管的井鹽水溶氧為8毫克/升，溫度為11～14℃(此處井鹽水夏、冬季溫差不超過3℃)，井鹽水輸送至蓄水池溶氧為6毫克/升，溶氧減少系大氣壓降低及水流運(yùn)動(dòng)匯聚所致，故在輸水管最高點(diǎn)裝置安全氣囊，防止水錘效應(yīng)。

水錘效應(yīng)產(chǎn)生于輸水管線最高點(diǎn)，在此處設(shè)置防爆氣囊，吸收儲(chǔ)存水運(yùn)動(dòng)溢出釋放的氣體，定期用真空泵抽出。

6.供水管

供水管是由蓄水井倉動(dòng)力提水向養(yǎng)殖場供水管線，供水管進(jìn)水端高于蓄水井倉底3米(保證蓄水池有3米水深，閉合虹吸水循環(huán)系統(tǒng))，前置潛水泵、單向截止閥(防止回流)。啟動(dòng)潛水泵，即可為養(yǎng)殖場供水。

三、裝置工作原理

大潮汐高潮水為自啟動(dòng)：裝置首次啟動(dòng)選擇大潮汐高潮水位，此時(shí)地平面略高于海平面，輸水管最高點(diǎn)(埋深1.5米)也處在高潮海平面以下，裝置可自動(dòng)工作。

平潮或低潮啟動(dòng)：平潮時(shí)，輸水管最高點(diǎn)略高于海平面(0.3米)，啟動(dòng)抽氣泵，抽空輸水管內(nèi)空氣使之形成真空狀態(tài)，此時(shí)蓄水井倉的水位約為-27米(供水管下端閉合位置)，吸水管水位為海平面(0米)，兩端壓差約為2.7個(gè)大氣壓，閉合系統(tǒng)內(nèi)井鹽水在2.7個(gè)大氣壓作用下高速流入蓄水井倉，直至兩端壓力平衡。

四、效益分析

1.經(jīng)濟(jì)效益

以3 000米3養(yǎng)殖池、日需供水1 000米3為例，動(dòng)力井距海岸線200米，距供水養(yǎng)殖場500米，采用9.2千瓦水泵，供水效率30米3/時(shí)，動(dòng)力電價(jià)0.5元/千瓦時(shí)。

100米3水的電力成本：9.2×0.5/30×100≈15元；日供水1 000米3電力成本約為150元，年約需電力成本150×365＝54 750元。

虹吸井供水成本：虹吸井輸送距離1 000米，效率是30米3/時(shí)，無動(dòng)力成本，但需要從蓄水井倉二次動(dòng)力供水。配套功率3千瓦潛水泵向離此200～300米的養(yǎng)殖場供水，供水效率為30米3/時(shí)。

二次供水100米3折合電力成本：3×0.5/30×100＝5元；日供水1 000米3電力成本為50元，年需電力成本50×365＝18 250元。

年節(jié)約電力成本36 500元。

2.綜合經(jīng)濟(jì)效益

考慮動(dòng)力井使用周期、打井、維護(hù)各項(xiàng)成本，每100米3采用動(dòng)力井提水綜合成本為20～25元，采用虹吸井取水綜合成本可控制在7～8元。日需供水1 000米3，年可節(jié)約供水成本5萬～6萬元。

以上取水?dāng)?shù)據(jù)均為中位數(shù)，無論是動(dòng)力井還是虹吸井，其供水效率均受潮汐影響。

綜上，筆者認(rèn)為在合適海域采用該技術(shù)抽取井鹽水會(huì)大大降低用水成本，從而提高工廠化養(yǎng)殖效益，而且該技術(shù)自2016年試驗(yàn)成功已平穩(wěn)運(yùn)行5年，值得推廣應(yīng)用。