压力感应在农村提水工程自动控制设计中的应用——以枫香坪饮水工程为例

唐 鹏

（贵州省黔东南苗族侗族自治州凯里市水务局，贵州 凯里 556000）

农村供水安全是十三五期间脱贫攻坚工作中“两不愁”标准之一，更是十四五期间乡村振兴百姓幸福指数的重要指标之一。2023 年中央一号文件《中共中央国务院关于做好2023 年全面推进乡村振兴重点工作的意见》中第四节“巩固拓展脱贫攻坚成果”更是提出要巩固提升“三保障”和”饮水安全保障成果”。因此，农村供水安全已上升为乡村振兴的重点任务之一，对于从事农村供水工作的从业者，需以高度的政治站位来认真审视新时代条件下农村供水工作，切实保障各自服务区域的供水安全和便利性。

农村提水工程作为农村供水的重要组成部分，直接影响着大部分农村地区的饮水安全和便利，本文将从提水工程在自动控制技术角度，针对偏远山区提水工程管理困难问题，本着实用、经济和可操作性原则，将压力感应对高位水池水位的控制和限时抽水相结合而做的一次全自动供水的技术尝试。

1 农村提水工程自动控制的种类及现状分析

从2014 年起至今从自身接触过的、实施过的抽水控制系统来看，大体存在以下几类：

（1）纯人工手动抽水。用水群体采用专人管理或者轮管方式，根据人工观察高位水池及泵房水池水位的方式，由人工启闭水泵进行供水。人工抽水方式作为一种最为原始的抽水方式，目前仍有不少地方使用着，其主要原因有：①工程实施年限较早，原先未安装自动控制系统；②控制系统损坏未恢复转而采用人工抽水；③用水户由一户或几户组成，平时视水池蓄水情况不定期抽水没必要采用自动控制方式。人工抽水方式耗费人力，且极易因管理人的主观原因导致设备损坏，不推荐工程中使用。

（2）早期的采用电缆线对高位水池水位信号进行信号传输，并结合泵房水池水位状态进行自动控制的全自动供水方式。此种信号传输方式缺陷就是长距离铺设的电缆，经常因为山火、人工劳作、野外不明物体破坏等原因而损坏，又难在较短时间被查找到，更换和铺设电缆线的成本又高因而维护困难。

（3）最近比较流行的远程无线信号对高位水池水位信号传输，并结合泵房水池水位状态进行自动控制的全自动供水方式。此种方式是目前提水工程中最为流行的控制方式，但存在局部地区信号缺失、后期维护人员欠缺、维护成本高昂等缺陷。

2 枫香坪饮水工程设计思路和方案实现

由于上述三种抽水控制方式均存在不足之处，设计一种通过捕捉连通高位水池和泵房水池的唯一媒介——提水管内水体在高位水池满水堵管后因水泵持续工作而在瞬间产生的水压增强信号，并通过数显电接点压力表来对高位水池进行满停控制，同时结合限时启闭设备和水泵取水保护，来达到全自动抽水控制运行状态。以贵州省黔东南州炉山镇龙洞村枫香坪寨饮水工程为例介绍和分析压力感应控制实际应用在设计的情况。

2.1 枫香坪饮水工程背景情况

枫香坪饮水工程位于贵州省黔东南州凯里市炉山镇龙洞村，枫香坪寨原饮用水由寨子中部的水井水源和临近的金银洞水库上游500 m 处名海驾校下方水源两部分组成。寨子中部的水井为自流泉水，无工程接入，供寨内居民挑抬取用，该水源因枫香坪地理环境条件限制，年平均断水时限达4 个月左右。2020 年4 月在对该水源的实地检查中发现，引水埋管内水体满布悬浮物，表面有油膜光泽，手触水后有油滑感，埋管下方及引水管外壁有黑色沥青状沉垢物，还有油垢和不知名的深色附着物。根据现场水体情况及水下的残留物，该水源已不能达到饮用水水质安全标准，存在较大的饮水安全隐患，需另寻水源进行补充。

水源方面的问题，经镇村两级干部的努力协调，确定为小龙洞隧道下方的溶洞水源为枫香坪寨新的饮用水源，经对过水断面和水流流速进行估测，水流流速约为0.3 m/s，过水断面约为0.048 m²，该水源日涌水量在1 200 t 以上（枯水期），目前主要用于灌溉和水产养殖解决。经检测，水质经简单的微生物杀菌处理后即可达到饮用水安全标准，且为溶洞出口处取水，易于封闭保护。

工程供水范围为枫香坪寨76 户共计345 人，设计水平年为2021 年，设计期限15 年。根据寨内常驻人口数量及饲养牲口情况，供水量考虑日最高峰设计人口用水量和公共建筑用水量即可。居民生活用水定额按100L/（人·d）计算，公共建筑用水量按前项水量的5%计算；管网损失水量和未预计水量之和按供水总量的15%计算；设计供水保证率取为P=100%。高位水池容积按蓄水总量的40%计算，同时预留30 m3的消防用水量，得设计高位水池容积为50 m3。水泵进水口高程808 m，高位水池底板高程935 m，溢流口高程937.8 m，提水管线长度1 500 m。

2.2 自动抽水任务分析

本方案设定的抽水控制目标为：工程运行时段全自动运行，仅在故障时需人工介入维护。

高位水池供水需求：本工程水源供水量充足，满足日最高峰需水量要求。故设置每日限时抽水时间为6 h，水泵额定流量为8 m3/h，额定扬程150 m。自动控制要求是限时抽水时间内高位水池水位升至溢流口时水泵自动关闭，到第二日抽水时间时水泵再次启动，有效的节省电费和降低水量损耗。

泵房水池提水和水泵保护要求：在限时抽水时间内，当泵房水位达到水池溢流口时水泵自动开启，当水位降至水泵进水口时水泵自动关停。

根据上述任务要求，可设定限时启停设备的启、停为一级任务，无论内置任务是否完成，限时启停设备都是到点必启、到点必停，非运行时间电源处于关停状态，运行时间内受二级任务影响可提前关闭。泵房水池水位达到水池溢流口时水泵自动开启，高位水池水位升至溢流口、泵房水池水位降至水泵进水口时水泵自动关闭作为二级任务。可得出如图1的液位信号变化对水泵启停的自动控制图。

图1 枫香坪饮水工程液位自动控制示意图

2.3 控制方案确定

枫香坪饮水工程抽水自动控制除高位水池水位传递信号载体与以往工程不同外，其他方面基本无变化，故本方案重点讲解压力感应信号的捕捉和应用。

当提水管出水端被堵住后，如果抽水泵继续运行，那么管内水压会急剧上升，一直至管内负荷与水泵提供的动能达到平衡，或者管壁爆裂为止。而提水管出水端未被堵住之前，管内水压会达到一个动态的稳定值后稳定下来。因此，捕捉该平衡值与管口被堵住后的急剧上升值的差异，是本工程自动控制中确定被控变量的依据，水泵则作为控制对象。

本工程经过试运行，水泵运行稳定水头为1.17 MPa，与1∶10 000 地形图中定位高程所得的水头1.258 MPa 略有差异，应该是1∶10 000 地形图上的定位误差导致，因而以已安装电接点压力表实测数据为准。提水管为DN50 热镀锌钢管，故而在高位水池的钢管出水端选择了口径为DN50 的遥控浮球阀。经反复调整，选择电接点压力表上限值为1.3 MPa，略高于水压稳定后的最高峰值。经多次高位水池满水测试，水泵启停良好，未发生高位水池溢水损耗，且高位水池始终处于蓄水状态，同时水泵也避免了空抽运行状态。确定控制方案如图2：

图2 电力控制柜及上下水池液位控制装配图

2.4 需注意的问题

（1）需要先测定水泵稳定运行的压力值后再安装高位水池遥控浮球阀。

（2）压力表建议安装于水泵与止回阀之间，免受水锤压力而受损。

（3）最好选用数显电接点压力表，其读数更为精确，数显电接点压力表的下限值设定为压力表的起始值（一般情况下触碰不到）；中间为闭合状态；上限值（用于断开水泵电源）建议为稳定值+0.3 MPa，这样既保证了上限值远离高位水池满水前的水压的波动峰值，同时提水管也避免了管内堵水后因水泵继续运行产生的过高的侧向水压而导致的损坏。

（4）在水源来水量满足水泵额定抽水量的条件下，每日抽水时间设定为抽满高位水池的时间；在水源来水量不满足水泵额定抽水量的条件下，每日抽水时间设定为蓄满泵房水池所用时间的倍数，并保留水泵足够的休息时间就行。

3 效益分析

作为公益性投资实施的农村饮水工程，主要是体现社会效益。对于以高原山地为主的贵州山区农村来说，偏远、地形复杂、农民居住分散，是贵州农村村寨的分布特色，已建饮水工程具有量多、面广、规模小、建设时间跨度长等特点，先天不足，规模化、集约化程度低，难以采取专业化管理和企业化经营，只能交由受益群众自管或村委集体管理，管理水平低，存在“有人用、无人管”或“管理不尽心、不到位”的现象。工程能否良性运行取决于管理人员的个人能力、自觉性和责任心，而不是靠制度保障；大多数工程水费征收困难，导致工程缺乏必要的维修养护资金，一旦工程受损，无修复资金，影响工程长效运行和群众长期受益，这种现象在提水工程的管理上表现的尤为严重。

压力感应控制应用于农村提水工程，通过捕捉高位水池满水堵管后提水管中的压力变化，有效连通了高水水池蓄水状态与水泵启闭之间的信号关联，以机械物理的方式实现了全过程无人管控的自动控制提水过程。本控制方式既排除了高位水池与水泵之间信号传递的实物连接，也避免了使用无线信号传输带来的数字、软件方面维护的困难。方案中使用的电子元器件均可在当地市场上采购到，维护更换也较为简单，费用上也更为经济，为提水类工程长效运行提供了有力的保障。

4 结语

农村供水安全是巩固拓展脱贫攻坚成果的底线要求，是全面推进乡村振兴的一项重要内容。具有偏远、地形复杂、农民居住分散特点的贵州山区，结合目前农村青壮年多常年外出打工，常驻人口偏少且多以老年儿童为主，劳动力缺失，总体收入依然低下，可供支出有限，以村寨为单位的集中式供水方式可作为规模化供水的有效补充方式，提供给当地居民一种在经济上用得起、在运行上管得了的供水解决方案，而压力感应控制正是有效实现这一目标的有效措施之一，让农村管水行为变得更为经济和便利，更好的服务于当地的经济发展和乡村振兴战略实施。

参考文献：

[1] 吴祚武．液位控制系统[M]．北京：化学工业出版社，2006．