连通器高效节能管道输水系统研究

顾 雯朱 梅汪小波何 凡林茂林

连通器高效节能管道输水系统研究

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一、引言

高效节水灌溉是对除土渠输水和地表漫灌之外所有输、灌水方式的统称。输水方式在土渠的基础上大致经过防渗渠和管道输水两个阶段，灌水方式则在地表漫灌的基础上发展为喷灌、微灌直至地下滴灌等。

目前的高效节水灌溉实践，主要集中于推广管道输水方法、使用先进的灌溉技术和灌溉设备，核心都是设法提高水的使用效率，但提高水的使用效率，并不能改善取水条件和降低水的价格，没有方便、廉价的水源，高效节水灌溉将难以推广。本文认为要实现高效节水灌溉，除了输水和灌水（用水）两种技术的发展有利于实现高效节水灌溉以外，水源系统建设不容忽视。

二、连通器高效节能管道输水系统基本介绍

连通器高效节能管道输水系统是由蓄水水平面高于地面的蓄水池和多功能取水装置通过地下管网连接组成的大型网格状连通器系统，可以将区域内的所有水源按合适的取水距离要求进行转移和复制，形成一个均匀的、网格状布置的水源网，可以用静压输送的方式提供灌溉用水，不仅不需要消耗动力，而且和暗渠式输水管道相比，管内流速较高，可大大提高输水能力。

图1 系统功能示意图

图2 多功能取水装置结构图

连通器的工作原理是当取水时，打开容器上的取水阀，容器中的水被取出，导致容器内的液面下降，这时，其他容器中的水将自动向该容器流动，导致其他容器的水位也随之下降。此时，如果通过进水阀向某容器中补进与被取出量相等的水，则所有容器的液面将恢复原有的高度并保持相等。如果连续注水，则可以连续从任一容器中中取出与注入量相同的水。利用这一原理，就实现了水源位置的转移以及水源点的复制。

该系统首先利用提水设备将水源的水通过距离最近的蓄水池或多功能取水装置注入系统。根据连通器原理，来自水源的水将通过管网自动流向远离水源的其他蓄水池和多功能取水装置，直至系统的每个蓄水池和多功能取水装置的水位相等，形成系统水位，并与地面形成需要的水位差。当灌溉设备需要从某一个多功能取水装置取水灌溉时，会引起这个多功能取水装置的水位下降，这时，根据连通器原理，其他蓄水池和多功能取水装置的水就会自动向这个多功能取水装置流动，以使其保持与系统相同的水位。当系统的水位下降到一定范围时，系统将启动提水设备，提取水源的水来恢复系统水位，以保证灌溉持续进行。

图1是由一个圆柱形蓄水池及多个取水点组成的灌溉水源系统，利用蓄水池蓄能输水、调水，一般保持蓄水池内的水位高于地面水位1.5～2.0m，由此可为连通器高效节能管道输水系统提供需要的水位差，当打开任意一个取水柱取水时，由于水位差的作用，不需要动能就可以让水通过放射状输水管道流向取水点。

该系统的另一个重要组成部分是多功能取水装置（见图2），该装置水位与系统水平面一致，并由系统维持。由于多功能取水装置内的水位高于灌溉取水阀，这样通过灌溉取水阀可以从系统内直接引出灌溉用水。

每个多功能取水装置都是系统的一个节点，既可以提供灌溉用水，也可以接入水源点的来水。当多功能取水装置距水源地较远，可将水位保持管上端的注水接口法兰用盲板盲死，多功能取水装置通过管网接口接受系统来水保持水位并提供灌溉用水；当多功能取水装置与水源地较近，可将水位保持管上端的盲板打开，通过注水接口法兰接入水源地来水保持装置水位和提供灌溉用水，并通过管网接口向系统输水，保持系统水位。

除此之外，特别重要的是在排泥沙方面，多功能取水装置配备了虹吸出水管，当需要从灌溉取水阀引出灌溉用水时，虹吸出水管在向外吸出灌溉用水的同时，自动将沉淀箱内的泥沙一同吸出，实现自动排泥沙。

由上述可知，系统整体的工程实施方法是先按系统水位差要求和缓冲蓄水量要求确定蓄水池和多功能取水装置的高度及蓄水池的容量，再按取水距离要求确定多功能取水装置的间隔和位置；其次铺设地下管网将蓄水池和多功能取水装置进行连接。通过以上步骤，便可形成一个由管网、蓄水池和多功能取水装置组成的大型网格状连通器高效节能管道输水系统。

三、连通器高效节能管道输水系统的优势

1.供水范围大

系统由独立的系统单元组成，每个系统单元占地面积2.88km2（4320亩）；灌溉控制面积3.645km2（5467.5亩）。多个系统单元相互连接，可组成规模庞大的灌溉水源网，可实现在数十乃至数百平方公里的范围里，将灌溉最远取水距离控制在150m以内。

通过该系统，可以将现有水源的有效灌溉半径延长十倍以上，即在不增加现有水利设施的条件下，大幅度提高现有水源的有效灌溉面积，提高水资源的利用率。

2.供水能耗低

使用大管道静压输水，可降低96%以上的输水能耗。使用大功率混流泵集中提水，可降低40%以上的提水能耗。通过缩短取水距离，加大输水管径，可降低50%以上的灌溉设备动力消耗。该系统可以支持所有节水灌溉技术大面积推广，可大幅度节约灌溉用水。

3.维护费用低

系统埋置于地面以下60cm处，采用的是HDPE双壁波纹输水管，理论寿命可达50年，管道采用热缩套接的连接方式，可基本杜绝输水过程的跑冒滴漏现象。与此同时，系统通过自动虹吸排沙技术，能有效阻止泥沙进入系统，将进入系统的泥沙自动排出，可大幅度减少系统的维护量和维护费用。

4.可集中管控

大规模管网状的系统上可以承载很多数控系统，让大田灌溉得以实现自动化和机械化，为农业生产过程中的水肥管理和控制提供有效手段。

四、结语

通过以上分析可知，连通器高效节能管道输水系统具有非常高的社会效益和经济效益。该系统可以为高效节水灌溉提供充分廉价的水源，为提高灌溉用水的使用效率创造条件，为在大面积节水灌溉、降低节水灌溉成本提供充分、廉价的水源保障。同时，该系统为实现大面积灌溉自动化提供硬件基础，在多功能取水装置上加装流量计、控制阀和用户识别器，结合现代控制技术，便可实现大面积灌溉和水肥管理的自动控制，极大提高灌溉和水肥管理过程的劳动生产率，消除制约农业劳动生产率提高的瓶颈。系统以强大的灌溉供水能力充分保证大型农机的高效作业，从而大幅度提高农业劳动生产率。进一步来说，灌溉条件的改善和灌溉作业劳动生产率的大幅度提高，可为实现灌溉作业和水肥管理的社会化服务创造必要的条件，这将对中国的农业现代化进程产生积极的影响

（专栏编辑：张 婷）

1.安徽农业大学工学院 230036 2.安徽省德恒贸易有限公司 230036）