連通器高效節能管道輸水系統研究

顧 雯朱 梅汪小波何 凡林茂林

連通器高效節能管道輸水系統研究

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一、引言

高效節水灌溉是對除土渠輸水和地表漫灌之外所有輸、灌水方式的統稱。輸水方式在土渠的基礎上大致經過防滲渠和管道輸水兩個階段，灌水方式則在地表漫灌的基礎上發展為噴灌、微灌直至地下滴灌等。

目前的高效節水灌溉實踐，主要集中于推廣管道輸水方法、使用先進的灌溉技術和灌溉設備，核心都是設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格，沒有方便、廉價的水源，高效節水灌溉將難以推廣。本文認為要實現高效節水灌溉，除了輸水和灌水（用水）兩種技術的發展有利于實現高效節水灌溉以外，水源系統建設不容忽視。

二、連通器高效節能管道輸水系統基本介紹

連通器高效節能管道輸水系統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連接組成的大型網格狀連通器系統，可以將區域內的所有水源按合適的取水距離要求進行轉移和復制，形成一個均勻的、網格狀布置的水源網，可以用靜壓輸送的方式提供灌溉用水，不僅不需要消耗動力，而且和暗渠式輸水管道相比，管內流速較高，可大大提高輸水能力。

圖1 系統功能示意圖

圖2 多功能取水裝置結構圖

連通器的工作原理是當取水時，打開容器上的取水閥，容器中的水被取出，導致容器內的液面下降，這時，其他容器中的水將自動向該容器流動，導致其他容器的水位也隨之下降。此時，如果通過進水閥向某容器中補進與被取出量相等的水，則所有容器的液面將恢復原有的高度并保持相等。如果連續注水，則可以連續從任一容器中中取出與注入量相同的水。利用這一原理，就實現了水源位置的轉移以及水源點的復制。

該系統首先利用提水設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。根據連通器原理，來自水源的水將通過管網自動流向遠離水源的其他蓄水池和多功能取水裝置，直至系統的每個蓄水池和多功能取水裝置的水位相等，形成系統水位，并與地面形成需要的水位差。當灌溉設備需要從某一個多功能取水裝置取水灌溉時，會引起這個多功能取水裝置的水位下降，這時，根據連通器原理，其他蓄水池和多功能取水裝置的水就會自動向這個多功能取水裝置流動，以使其保持與系統相同的水位。當系統的水位下降到一定范圍時，系統將啟動提水設備，提取水源的水來恢復系統水位，以保證灌溉持續進行。

圖1是由一個圓柱形蓄水池及多個取水點組成的灌溉水源系統，利用蓄水池蓄能輸水、調水，一般保持蓄水池內的水位高于地面水位1.5～2.0m，由此可為連通器高效節能管道輸水系統提供需要的水位差，當打開任意一個取水柱取水時，由于水位差的作用，不需要動能就可以讓水通過放射狀輸水管道流向取水點。

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

每個多功能取水裝置都是系統的一個節點，既可以提供灌溉用水，也可以接入水源點的來水。當多功能取水裝置距水源地較遠，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接口接受系統來水保持水位并提供灌溉用水；當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，并通過管網接口向系統輸水，保持系統水位。

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，當需要從灌溉取水閥引出灌溉用水時，虹吸出水管在向外吸出灌溉用水的同時，自動將沉淀箱內的泥沙一同吸出，實現自動排泥沙。

由上述可知，系統整體的工程實施方法是先按系統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；其次鋪設地下管網將蓄水池和多功能取水裝置進行連接。通過以上步驟，便可形成一個由管網、蓄水池和多功能取水裝置組成的大型網格狀連通器高效節能管道輸水系統。

三、連通器高效節能管道輸水系統的優勢

1.供水范圍大

系統由獨立的系統單元組成，每個系統單元占地面積2.88km2（4320畝）；灌溉控制面積3.645km2（5467.5畝）。多個系統單元相互連接，可組成規模龐大的灌溉水源網，可實現在數十乃至數百平方公里的范圍里，將灌溉最遠取水距離控制在150m以內。

通過該系統，可以將現有水源的有效灌溉半徑延長十倍以上，即在不增加現有水利設施的條件下，大幅度提高現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%以上的灌溉設備動力消耗。該系統可以支持所有節水灌溉技術大面積推廣，可大幅度節約灌溉用水。

3.維護費用低

系統埋置于地面以下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象。與此同時，系統通過自動虹吸排沙技術，能有效阻止泥沙進入系統，將進入系統的泥沙自動排出，可大幅度減少系統的維護量和維護費用。

4.可集中管控

大規模管網狀的系統上可以承載很多數控系統，讓大田灌溉得以實現自動化和機械化，為農業生產過程中的水肥管理和控制提供有效手段。

四、結語

通過以上分析可知，連通器高效節能管道輸水系統具有非常高的社會效益和經濟效益。該系統可以為高效節水灌溉提供充分廉價的水源，為提高灌溉用水的使用效率創造條件，為在大面積節水灌溉、降低節水灌溉成本提供充分、廉價的水源保障。同時，該系統為實現大面積灌溉自動化提供硬件基礎，在多功能取水裝置上加裝流量計、控制閥和用戶識別器，結合現代控制技術，便可實現大面積灌溉和水肥管理的自動控制，極大提高灌溉和水肥管理過程的勞動生產率，消除制約農業勞動生產率提高的瓶頸。系統以強大的灌溉供水能力充分保證大型農機的高效作業，從而大幅度提高農業勞動生產率。進一步來說，灌溉條件的改善和灌溉作業勞動生產率的大幅度提高，可為實現灌溉作業和水肥管理的社會化服務創造必要的條件，這將對中國的農業現代化進程產生積極的影響

（專欄編輯：張 婷）

1.安徽農業大學工學院 230036 2.安徽省德恒貿易有限公司 230036）