地下水灌抽两用设备研制探讨

高印军，张保祥

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

地下水灌抽两用设备研制探讨

高印军，张保祥

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

上世纪80年代以来，西方发达国家已经实施了许多的ASR（含水层存储和回采）和MAR（可管理的含水层补给）工程。在这方面国内起步较晚，特别是在相关设备研发方面进展缓慢。本文介绍了ASR设备计算原理、内部结构及地面控制系统设计，利用研发产品进行了室内试验并对其运行效果进行了评估，抽水-回灌效果良好，可对国内地下水回灌及超采区治理工作提供装备支持。

ASR；地下水回灌；地下水灌抽两用井

地下水资源是水资源的重要组成部分，由于其水质良好、开采方便、分布广泛的特性，长期以来在供水及维系生态地质环境稳定等方面发挥着重要作用。超量开采地下水资源，区域地下水位大幅下降，局部地下水开采漏斗不断扩大，严重破坏了地下水系统的自然平衡状态，引发一系列的生态环境地质问题。因此对超采地区进行地下水人工回灌，对提升地下水位、改善地下水环境等，具有十分重要的作用和意义，同时会产生巨大的经济效益、社会效益和环境效益。

本文结合国内外先进技术，自主研发了地下水灌抽两用井系统，主要包括水源子系统、输水管道子系统、水处理子系统、控制子系统、地下水回灌流量调节子系统。在任意工况时均可运行地下水灌抽两用井系统，采用智能化管理，使用简单高效。

1 阀体开孔数计算

阀体开孔数是地下水回灌两用阀设计的重要参数，开孔数数量、直径大小与回灌压力、管径等参数相关，是衡量地下水回灌流量大小的表征指标。阀体开孔设计断面如图1所示，本次设计过程中以回灌流量最大为Q计算，1-1断面的压力为 P1，管道内径为 D，管长 L1（井外）、L2（井外）。阀体开孔数计算步骤如下：

设主管道流速为V1，底部开孔的流速为V2，总流量为Q。1-1断面和2-2断面的能量方程式如下：

图1 阀体开孔设计断面图

其中：L2=Z1-Z2；hf为主管道的沿程损失。当L1+L2≤10 m，hf可忽略不计，即 hf=0。

当 L1+L2≥10 m，hf=λ （L1+L2）/D v12/2g，λ 为沿程阻力系数，由雷诺数Re和Δ/D查莫迪图得，Re=v1D/γ，γ是水的运动粘度，Δ为管材的粗糙度，v1=4Q/πD2。hw为局部损失。主管道 90°弯头hw主和开孔 90°弯流 hW孔，即 hW=hW主+hW孔。

式中：ζ1、ζ2为局部阻力系数，可查《水力学》等表得。 也可根据经验取值，ζ1=1.0；ζ2=1.5。

将以上各项代入（1）式得：

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

根据已知Q及上式求出的v2，计算开孔的总面积A：

A=Q/εv2，ε 为收缩系数，可取 0.64。

设在管道上所开小孔的个数为n，则小孔的直径d可由下式计算：

πD2/4=A/D，d=，n个小孔均为圆孔，螺旋状分布，可提高控制出水孔开度的灵敏性。

小孔的个数n可根据经验确定或由试验确定；未计小孔间的干扰。

2 阀体内部结构与地面控制系统设计

2.1 阀体内部结构控制

阀体主要包括缸体、活塞、活塞法兰盘、推杆、油缸接口、端部密封压盖等。主要部件设计功能如下：

缸体：与顶部法兰盘和端部法兰盘组成灌抽两用阀壳体，缸体上设置出水孔，设计。

顶部法兰盘：连通上部的水管并与之密封、固定。

端部法兰盘：连通下部的水管与潜水泵相连。

活塞：上下滑动，控制塑料套环的位置。

塑料套环：与活塞相连，通过活塞的滑动改变位置，从而控制出水孔的开度。

活塞处法兰与套环处法兰：限制活塞上下运动的范围。

密封压盖：封堵腔体，防止回灌时水流穿过两用阀底部，以保证回灌水从缸体的出水孔出流，同时也可以防止回灌水对潜水泵的损害。

2.2 地面控制系统设计

PLC控制系统包括触摸屏、模式转换开关、电磁接触器、PLC、及其动力电缆及控制电缆组成，液压油管路上的油压力传感器、油压力传感器、位移传感器、水压力传感器通过采集传输信息数据电缆与PLC智能控制箱上的PLC连接；限位开关、限位开关、模式转换开关，通过信号传输电缆与PLC输入端子连接；PLC采集的信息通过信号线传输到触摸屏，实现现场手动控制；PLC输出端电缆连接电磁接触器，电磁接触器电缆连接抽水泵、液压泵、电磁阀控制接通或断开。

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：电源、中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块。本次设计采用标准化编程语言梯形图（LD）进行系统软件设计。软件操作界面包括自动模式、调试模式、油泵运行、油泵停止、油缸启动、油缸停止、参数调校、参数设定、回首页等模式和档位。

3 系统装配

地下水灌抽两用井系统包括：智能控制装置、动力装置、传感器装置、灌抽两用阀、输水管路、止回阀。其中，智能控制包括可编程控制器、继电器、触控操作装置；动力装置包括抽水泵、液压泵、三通电磁阀、液压油缸、液压管路；传感器装置包括位移传感器、压力传感器、限位开关；灌抽两用阀包括环形阀体、套环、阀杆、密封压盖、内管、活塞、进油孔。地下水灌抽两用井设备关键零部件设计、加工后，与采购的传感器等零部件装配成样机。地下水灌抽两用井系统装配示意图如图2所示。

地下水灌抽两用井系统，其特征在于通过地下水灌抽两用井系统进行智能控制的手动运行可以开、停任意按钮使系统在任意工况运行。其运行方式分为两种，一种为抽水工况模式，一种为回灌工况模式。

图2 地下水灌抽井系统装配示意图

3.1 抽水工况

人工开启抽水工况按钮，抽水-回灌智能系统即自动智能控制运行：首先通过限位开关的开闭判断抽水—回灌两用阀的回灌孔是否关闭。

若抽水—回灌两用阀未关闭，则启动液压泵、同时控制电磁阀动作，液压油向着抽水-回灌两用阀关闭的方向流动，同时液压油缸缓缓动作，抽水-回灌两用阀缓缓关闭，关闭到位后液压油缸触动限位开关，限位开关发信号给抽水—回灌智能系统，同时压力传感器的压力感应到设定的压力最大值，抽水—回灌智能系统智能判断压力传感器压力达到最大值，此刻关闭电磁阀、停止液压泵运转；接着抽水—回灌智能系统启动抽水泵运转，系统处于抽水工况。若抽水—回灌两用阀关闭，抽水—回灌智能系统直接启动抽水泵运转，系统处于抽水工况。

3.2 回灌工况

人工开启回灌工况按钮，抽水-回灌智能系统即自动智能控制运行。首先判断水压力传感器的压力，水压力传感器的压力与设定压力是否相等。若不相等，则继电器接通，启动液压泵、同时PLC判断水压力传感器的压力＜设定压力？若是，则继电器接通，电磁阀打开，液压油缸缓缓顶出，抽水—回灌两用阀缓缓关闭，水压力传感器压力增大，水压力传感器的压力信号不断传输给PLC，PLC随时判断判断水压力传感器的压力是否等用户设定压力？若是，则继电器断开，液压泵停止；若不是，则继续循环，直至限位开关顶开，限位开关发信号给PLC，同时压力传感器的压力感应到设定的压力最大值，PLC判断压力传感器压力达到了最大值，此时油压力传感器到最大值，则继电器断开，液压泵停止；回灌水向回灌管道流入，当回灌水进入回灌管道后，压力传感器感应到压力值大于设定压力范围值时，则启动液压泵、继电器接通、同时控制电磁阀打开，液压油向着抽水—回灌两用阀开启的方向流动，同时液压油缸缓缓动作，抽水-回灌两用阀缓缓开启，水压力传感器压力减小、当水压力传感器感应到压力值等于设定压力范围值时、继电器断开，液压泵停止运转，抽水-回灌两用阀开启度停在当前位置；若回灌水流量增大导致压力传感器感应到压力值大于设定压力范围值时，则重复该过程；若回灌水流量减小导致压力传感器感应到压力值小于设定压力范围值时，则反向地重复该过程；若回灌水流量增大导致压力传感器感应到压力值大于设定压力范围值时，则重复动作过程时，抽水-回灌两用阀开启度达到最大时，则液压油缸触动限位开关，同时油压力传感器的感应压力达到了最大设定值，两者同时给PLC发信号，此刻继电器断开、液压泵停止运转，抽水-回灌两用阀开启度停在最大开度运行。

回灌工况，回灌水在输水管内向下流动，当流动到止回阀时，由于止回阀是关闭状态，回灌水在输水管内逐渐集累，当积累到一定高度，回灌管内开始有压力，回灌水流按回灌工况回灌，回灌管内从此始终有压力，回灌水从抽水-回灌两用阀的开孔中流出，水流是有压流，而不是自由落水流。

4 效果评估

ASR装配完成后，分别在自动控制状态下、手动全开状态下、手动半开状态下，对国产化系统压力、回灌流量、活塞开度、灵敏性等进行测试。

1）自动状态下试验目的是测定在稳定回灌水管内压力的前提条件下，看回灌流量是否存在变化，且与活塞开度是否成正比变化；

2）手动全开状态下试验目的是测定活塞开度为100%条件下，看回灌流量是否存在变化，且与压力是否成正比变化；

3）手动全开状态下试验目的是测定活塞开度为50%条件下，看回灌流量是否存在变化，且与压力是否成正比变化。

自动状态下试验数据如表1所示，试验各参数变化过程如图3所示；手动全开状态下试验数据如表2所示，试验各参数变化过程如图4所示；手动半开状态下试验数据如表3所示，试验各参数变化过程如图5所示。

5 结语

通过实验研究，在自动状态下，活塞开度可以随着回灌流量增大而成正比例调整，以便稳定回灌水管内压力；在手动全开状态下和半开状态下，活塞开度一定，回灌流量越大则回灌水管内压力越大，但活塞开度50%条件下，回灌流量与回灌水压力正比例关系更加明显，这也说明，开度越小，控制调节回灌流量和压力越灵敏。总体而言，国产设备各项指标符合设计要求，与实际试验结论相吻合。

表1 自动状态下试验数据表

表2 手动全开状态下试验数据表

表3 手动半开状态下试验数据表

图3 自动状态下试验各参数变化过程

图4 手动全开状态下试验各参数变化过程

图5 手动半开状态下试验各参数变化过程

地下水灌抽两用井的研制与应用，效果良好，对于优化地下水含水层开发利用，提高水资源调蓄能力，缓解供需矛盾，保护地下水环境等具有重要的实用价值及现实意义。其一井两用的特性，经济科学，如今又辅以智能化，值得在水资源短缺地区、海水入侵区域及地下水超采区进行推广应用，可有效的缓解水资源紧张的状态，提高水资源综合利用率，涵养地下水资源，恢复地下水生态环境。

[1] 崔祥琨，孙坤．地下水污染与预防[J].科技信息，2009，25:341.

[2] 胡志荣，曹万金，任清潮，杨保全．地下水超采及其环境影响研究[J].水资源保护，1995（2）:37-41.

[3] 吴兴波.济南人工回灌补源保泉试验研究[D].武汉:武汉大学,2004.

[4] 杜新强,冶雪艳,路莹等.地下水人工回灌堵塞问题研究进展[J].地球科学进展,2009,24(8):973-978.

[5] 刘青勇,潘世兵,武晓峰等.地下水回灌补源防治咸水入侵技术研究—以山东省广饶县为例 [J].自然灾害学报,2006,15(3):96-100.

（责任编辑 迟明春）

P641.8

B

1009-6159（2017）-10-0019-04

高印军（1967—），男，副院长，研究员

水利部“948”计划项目（201227）资助