地下水灌抽兩用設備研制探討

高印軍，張保祥

（山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

地下水灌抽兩用設備研制探討

高印軍，張保祥

（山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

上世紀80年代以來，西方發達國家已經實施了許多的ASR（含水層存儲和回采）和MAR（可管理的含水層補給）工程。在這方面國內起步較晚，特別是在相關設備研發方面進展緩慢。本文介紹了ASR設備計算原理、內部結構及地面控制系統設計，利用研發產品進行了室內試驗并對其運行效果進行了評估，抽水-回灌效果良好，可對國內地下水回灌及超采區治理工作提供裝備支持。

ASR；地下水回灌；地下水灌抽兩用井

地下水資源是水資源的重要組成部分，由于其水質良好、開采方便、分布廣泛的特性，長期以來在供水及維系生態地質環境穩定等方面發揮著重要作用。超量開采地下水資源，區域地下水位大幅下降，局部地下水開采漏斗不斷擴大，嚴重破壞了地下水系統的自然平衡狀態，引發一系列的生態環境地質問題。因此對超采地區進行地下水人工回灌，對提升地下水位、改善地下水環境等，具有十分重要的作用和意義，同時會產生巨大的經濟效益、社會效益和環境效益。

本文結合國內外先進技術，自主研發了地下水灌抽兩用井系統，主要包括水源子系統、輸水管道子系統、水處理子系統、控制子系統、地下水回灌流量調節子系統。在任意工況時均可運行地下水灌抽兩用井系統，采用智能化管理，使用簡單高效。

1 閥體開孔數計算

閥體開孔數是地下水回灌兩用閥設計的重要參數，開孔數數量、直徑大小與回灌壓力、管徑等參數相關，是衡量地下水回灌流量大小的表征指標。閥體開孔設計斷面如圖1所示，本次設計過程中以回灌流量最大為Q計算，1-1斷面的壓力為 P1，管道內徑為 D，管長 L1（井外）、L2（井外）。閥體開孔數計算步驟如下：

設主管道流速為V1，底部開孔的流速為V2，總流量為Q。1-1斷面和2-2斷面的能量方程式如下：

圖1 閥體開孔設計斷面圖

其中：L2=Z1-Z2；hf為主管道的沿程損失。當L1+L2≤10 m，hf可忽略不計，即 hf=0。

當 L1+L2≥10 m，hf=λ （L1+L2）/D v12/2g，λ 為沿程阻力系數，由雷諾數Re和Δ/D查莫迪圖得，Re=v1D/γ，γ是水的運動粘度，Δ為管材的粗糙度，v1=4Q/πD2。hw為局部損失。主管道 90°彎頭hw主和開孔 90°彎流 hW孔，即 hW=hW主+hW孔。

式中：ζ1、ζ2為局部阻力系數，可查《水力學》等表得。 也可根據經驗取值，ζ1=1.0；ζ2=1.5。

將以上各項代入（1）式得：

由于式中 L2、L1、P1、v1已知，λ、ζ1、ζ2可由上述方法確定，所以由（2）式求出小孔的v2。

根據已知Q及上式求出的v2，計算開孔的總面積A：

A=Q/εv2，ε 為收縮系數，可取 0.64。

設在管道上所開小孔的個數為n，則小孔的直徑d可由下式計算：

πD2/4=A/D，d=，n個小孔均為圓孔，螺旋狀分布，可提高控制出水孔開度的靈敏性。

小孔的個數n可根據經驗確定或由試驗確定；未計小孔間的干擾。

2 閥體內部結構與地面控制系統設計

2.1 閥體內部結構控制

閥體主要包括缸體、活塞、活塞法蘭盤、推桿、油缸接口、端部密封壓蓋等。主要部件設計功能如下：

缸體：與頂部法蘭盤和端部法蘭盤組成灌抽兩用閥殼體，缸體上設置出水孔，設計。

頂部法蘭盤：連通上部的水管并與之密封、固定。

端部法蘭盤：連通下部的水管與潛水泵相連。

活塞：上下滑動，控制塑料套環的位置。

塑料套環：與活塞相連，通過活塞的滑動改變位置，從而控制出水孔的開度。

活塞處法蘭與套環處法蘭：限制活塞上下運動的范圍。

密封壓蓋：封堵腔體，防止回灌時水流穿過兩用閥底部，以保證回灌水從缸體的出水孔出流，同時也可以防止回灌水對潛水泵的損害。

2.2 地面控制系統設計

PLC控制系統包括觸摸屏、模式轉換開關、電磁接觸器、PLC、及其動力電纜及控制電纜組成，液壓油管路上的油壓力傳感器、油壓力傳感器、位移傳感器、水壓力傳感器通過采集傳輸信息數據電纜與PLC智能控制箱上的PLC連接；限位開關、限位開關、模式轉換開關，通過信號傳輸電纜與PLC輸入端子連接；PLC采集的信息通過信號線傳輸到觸摸屏，實現現場手動控制；PLC輸出端電纜連接電磁接觸器，電磁接觸器電纜連接抽水泵、液壓泵、電磁閥控制接通或斷開。

PLC實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為：電源、中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊。本次設計采用標準化編程語言梯形圖（LD）進行系統軟件設計。軟件操作界面包括自動模式、調試模式、油泵運行、油泵停止、油缸啟動、油缸停止、參數調校、參數設定、回首頁等模式和檔位。

3 系統裝配

地下水灌抽兩用井系統包括：智能控制裝置、動力裝置、傳感器裝置、灌抽兩用閥、輸水管路、止回閥。其中，智能控制包括可編程控制器、繼電器、觸控操作裝置；動力裝置包括抽水泵、液壓泵、三通電磁閥、液壓油缸、液壓管路；傳感器裝置包括位移傳感器、壓力傳感器、限位開關；灌抽兩用閥包括環形閥體、套環、閥桿、密封壓蓋、內管、活塞、進油孔。地下水灌抽兩用井設備關鍵零部件設計、加工后，與采購的傳感器等零部件裝配成樣機。地下水灌抽兩用井系統裝配示意圖如圖2所示。

地下水灌抽兩用井系統，其特征在于通過地下水灌抽兩用井系統進行智能控制的手動運行可以開、停任意按鈕使系統在任意工況運行。其運行方式分為兩種，一種為抽水工況模式，一種為回灌工況模式。

圖2 地下水灌抽井系統裝配示意圖

3.1 抽水工況

人工開啟抽水工況按鈕，抽水-回灌智能系統即自動智能控制運行：首先通過限位開關的開閉判斷抽水—回灌兩用閥的回灌孔是否關閉。

若抽水—回灌兩用閥未關閉，則啟動液壓泵、同時控制電磁閥動作，液壓油向著抽水-回灌兩用閥關閉的方向流動，同時液壓油缸緩緩動作，抽水-回灌兩用閥緩緩關閉，關閉到位后液壓油缸觸動限位開關，限位開關發信號給抽水—回灌智能系統，同時壓力傳感器的壓力感應到設定的壓力最大值，抽水—回灌智能系統智能判斷壓力傳感器壓力達到最大值，此刻關閉電磁閥、停止液壓泵運轉；接著抽水—回灌智能系統啟動抽水泵運轉，系統處于抽水工況。若抽水—回灌兩用閥關閉，抽水—回灌智能系統直接啟動抽水泵運轉，系統處于抽水工況。

3.2 回灌工況

人工開啟回灌工況按鈕，抽水-回灌智能系統即自動智能控制運行。首先判斷水壓力傳感器的壓力，水壓力傳感器的壓力與設定壓力是否相等。若不相等，則繼電器接通，啟動液壓泵、同時PLC判斷水壓力傳感器的壓力＜設定壓力？若是，則繼電器接通，電磁閥打開，液壓油缸緩緩頂出，抽水—回灌兩用閥緩緩關閉，水壓力傳感器壓力增大，水壓力傳感器的壓力信號不斷傳輸給PLC，PLC隨時判斷判斷水壓力傳感器的壓力是否等用戶設定壓力？若是，則繼電器斷開，液壓泵停止；若不是，則繼續循環，直至限位開關頂開，限位開關發信號給PLC，同時壓力傳感器的壓力感應到設定的壓力最大值，PLC判斷壓力傳感器壓力達到了最大值，此時油壓力傳感器到最大值，則繼電器斷開，液壓泵停止；回灌水向回灌管道流入，當回灌水進入回灌管道后，壓力傳感器感應到壓力值大于設定壓力范圍值時，則啟動液壓泵、繼電器接通、同時控制電磁閥打開，液壓油向著抽水—回灌兩用閥開啟的方向流動，同時液壓油缸緩緩動作，抽水-回灌兩用閥緩緩開啟，水壓力傳感器壓力減小、當水壓力傳感器感應到壓力值等于設定壓力范圍值時、繼電器斷開，液壓泵停止運轉，抽水-回灌兩用閥開啟度停在當前位置；若回灌水流量增大導致壓力傳感器感應到壓力值大于設定壓力范圍值時，則重復該過程；若回灌水流量減小導致壓力傳感器感應到壓力值小于設定壓力范圍值時，則反向地重復該過程；若回灌水流量增大導致壓力傳感器感應到壓力值大于設定壓力范圍值時，則重復動作過程時，抽水-回灌兩用閥開啟度達到最大時，則液壓油缸觸動限位開關，同時油壓力傳感器的感應壓力達到了最大設定值，兩者同時給PLC發信號，此刻繼電器斷開、液壓泵停止運轉，抽水-回灌兩用閥開啟度停在最大開度運行。

回灌工況，回灌水在輸水管內向下流動，當流動到止回閥時，由于止回閥是關閉狀態，回灌水在輸水管內逐漸集累，當積累到一定高度，回灌管內開始有壓力，回灌水流按回灌工況回灌，回灌管內從此始終有壓力，回灌水從抽水-回灌兩用閥的開孔中流出，水流是有壓流，而不是自由落水流。

4 效果評估

ASR裝配完成后，分別在自動控制狀態下、手動全開狀態下、手動半開狀態下，對國產化系統壓力、回灌流量、活塞開度、靈敏性等進行測試。

1）自動狀態下試驗目的是測定在穩定回灌水管內壓力的前提條件下，看回灌流量是否存在變化，且與活塞開度是否成正比變化；

2）手動全開狀態下試驗目的是測定活塞開度為100%條件下，看回灌流量是否存在變化，且與壓力是否成正比變化；

3）手動全開狀態下試驗目的是測定活塞開度為50%條件下，看回灌流量是否存在變化，且與壓力是否成正比變化。

自動狀態下試驗數據如表1所示，試驗各參數變化過程如圖3所示；手動全開狀態下試驗數據如表2所示，試驗各參數變化過程如圖4所示；手動半開狀態下試驗數據如表3所示，試驗各參數變化過程如圖5所示。

5 結語

通過實驗研究，在自動狀態下，活塞開度可以隨著回灌流量增大而成正比例調整，以便穩定回灌水管內壓力；在手動全開狀態下和半開狀態下，活塞開度一定，回灌流量越大則回灌水管內壓力越大，但活塞開度50%條件下，回灌流量與回灌水壓力正比例關系更加明顯，這也說明，開度越小，控制調節回灌流量和壓力越靈敏。總體而言，國產設備各項指標符合設計要求，與實際試驗結論相吻合。

表1 自動狀態下試驗數據表

表2 手動全開狀態下試驗數據表

表3 手動半開狀態下試驗數據表

圖3 自動狀態下試驗各參數變化過程

圖4 手動全開狀態下試驗各參數變化過程

圖5 手動半開狀態下試驗各參數變化過程

地下水灌抽兩用井的研制與應用，效果良好，對于優化地下水含水層開發利用，提高水資源調蓄能力，緩解供需矛盾，保護地下水環境等具有重要的實用價值及現實意義。其一井兩用的特性，經濟科學，如今又輔以智能化，值得在水資源短缺地區、海水入侵區域及地下水超采區進行推廣應用，可有效的緩解水資源緊張的狀態，提高水資源綜合利用率，涵養地下水資源，恢復地下水生態環境。

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（責任編輯 遲明春）

P641.8

B

1009-6159（2017）-10-0019-04

高印軍（1967—），男，副院長，研究員

水利部“948”計劃項目（201227）資助