楊靜宗 楊在華 尹自萍

(1.保山學(xué)院大數(shù)據(jù)學(xué)院，云南 保山 678000;2.云南省施甸縣水務(wù)局，云南 保山 678200)

1 背 景

云南省施甸縣地處云南西部，怒江東岸?？h境地形屬怒山尾翼山地峽谷區(qū)，地勢(shì)北高南低，三面有江河環(huán)繞，山脈多崇山峻嶺，最高海拔2746m，最低海拔560m。施甸縣全縣總?cè)丝?4.8萬(wàn)，耕地面積61.15萬(wàn)畝，水資源總量6.709億m3，人均水資源量1928m3，畝均水資源量1097m3，屬于缺水地區(qū)—水平衡地區(qū)。由于水資源空間分布不均，枯季缺水嚴(yán)重，資源性、工程性缺水并存。干旱造成水源減少、枯竭，供水能力降低[1]。本文所述的超高揚(yáng)程自然能提水技術(shù)將圍繞山區(qū)、半山區(qū)工程性缺水，以及因水致貧、因水返貧問(wèn)題，利用自然能技術(shù)將溪流或河谷自然落差蘊(yùn)藏的能量，提水上千米，從而解決當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)村人畜飲水困難問(wèn)題。

2 基本情況

施甸屬山區(qū)農(nóng)業(yè)縣，在2017—2020年的水利扶貧期間，對(duì)全縣現(xiàn)有農(nóng)村飲水工程進(jìn)行了升級(jí)改造。通過(guò)采取“城鄉(xiāng)一體化”的建設(shè)模式，對(duì)現(xiàn)有供水工程進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)、管網(wǎng)改造等，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村供水到戶。針對(duì)季節(jié)性缺水的供水工程，采取水庫(kù)、自然能提水等供水措施，累計(jì)投入農(nóng)村飲水工程建設(shè)資金2.79億。全縣集中供水率達(dá)98.4%，自來(lái)水普及率95%以上，農(nóng)村供水保障率達(dá)90%以上。2020年末建成農(nóng)村供水工程1450件，供水人口34.8萬(wàn)，集中供水率98.8%，分散式供水率1.2%。

何元鄉(xiāng)大坡腳自然能提水工程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)提水工程)所在地位于施甸縣西部怒江東岸的何元鄉(xiāng)。該鄉(xiāng)轄9個(gè)行政村，總?cè)丝?.65萬(wàn)。2020年末建成小型水庫(kù)4座，分別為上寨水庫(kù)、栗子園水庫(kù)、秧草塘水庫(kù)、西邊塘水庫(kù)。水庫(kù)總庫(kù)容450.3萬(wàn)m3。建成農(nóng)村供水工程28件，供水人口1.65萬(wàn)。供水規(guī)模1000m3/d以上的工程1件，供水人口0.98萬(wàn)；供水規(guī)模在200～1000m3/d之間的工程3件，供水人口0.32萬(wàn)；供水規(guī)模在20～200m3/d之間的工程22件，供水人口0.34萬(wàn)；供水規(guī)模小于20m3/d的分散式工程2件，供水人口0.0106萬(wàn)。集中供水工程解決的人數(shù)占實(shí)際供水總?cè)藬?shù)的99.4%，分散式供水解決人數(shù)占實(shí)際供水人數(shù)的0.6%。

3 自然能系統(tǒng)工作原理

自然能系統(tǒng)是由進(jìn)水工程、泵房、機(jī)泵設(shè)備、出水工程、調(diào)蓄工程組成的水力能提水系統(tǒng)。機(jī)泵設(shè)備主要包括進(jìn)水管、水輪機(jī)、泵機(jī)或壓力泵、閥門(mén)、出水管、現(xiàn)地控制柜、遙測(cè)等設(shè)備，且水輪機(jī)、泵機(jī)為同軸直連。利用低落差水利能將水資源從低海拔提至高海拔地區(qū)，從而解決人畜飲水安全問(wèn)題[2]。能量轉(zhuǎn)換主要過(guò)程為：勢(shì)能→動(dòng)能→機(jī)械能→動(dòng)能→勢(shì)能。進(jìn)水工程通常采用管道引水，在引水過(guò)程中，當(dāng)管道閥門(mén)關(guān)閉或開(kāi)啟時(shí)，液體的流速發(fā)生急劇變化，加之液體的可壓縮性及水流落差產(chǎn)生的高壓空氣，引起管道內(nèi)壓強(qiáng)發(fā)生快速交替升降，產(chǎn)生水擊。此時(shí)，水擊壓力瞬間比正常壓力高出數(shù)倍。自然能技術(shù)主要利用了水流落差產(chǎn)生的高壓空氣，以及水擊產(chǎn)生的瞬間高壓。由于自然能機(jī)泵設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、維護(hù)成本低、使用壽命長(zhǎng)、不易損壞，因而優(yōu)于電力提水和太陽(yáng)能提水。

4 典型工程設(shè)計(jì)

4.1 氣象與水文

項(xiàng)目區(qū)年均降雨量998.4mm，降水量年內(nèi)分配極不均勻。其中，雨季(5—10月)降雨占全年降雨量的81%，降雨主要受印度洋西南季風(fēng)的影響，氣溫較高、雨量充沛、降水日數(shù)多。干季(11至次年4月)，主要受中亞上空西風(fēng)氣流影響，天氣晴朗少雨，光照充足，蒸發(fā)量大。流域內(nèi)的徑流來(lái)源于降水，徑流量的年際、年內(nèi)變化情勢(shì)及其空間分布與降雨量基本一致。受降水和下墊面條件影響，枯季11月至次年4月來(lái)水量較少，僅占年徑流的15.4%左右；最枯月出現(xiàn)在2月，僅占年徑流的2%左右。

云南地處北回歸線副熱帶高氣壓帶，北回歸線所貫串之處，大多是茫茫的荒漠。這種特殊的地理位置導(dǎo)致云南氣候干旱時(shí)常發(fā)生。2009年秋至2010年初，中國(guó)西南地區(qū)遭受?chē)?yán)重旱情，特別是云南發(fā)生了自有氣象記錄以來(lái)最嚴(yán)重的秋、冬、春連旱。受此影響，施甸發(fā)生了百年一遇的特大干旱。其中，三分之二的河流斷流，8座小(2)型水庫(kù)、213個(gè)水源點(diǎn)出現(xiàn)干涸，造成約11.13萬(wàn)人、4.94萬(wàn)頭大牲畜飲水困難。加之項(xiàng)目區(qū)受怒江低熱河谷的影響，干旱缺水嚴(yán)重，制約了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。在每年1—5月，農(nóng)村人畜供水常常采取抗旱應(yīng)急人力挑水與機(jī)械拉水的方式解決，干旱缺水導(dǎo)致何元鄉(xiāng)何元村、大仆寨村、大坡腳村、王家莊村、莽王村、李為地村、組軍門(mén)村等7個(gè)村委會(huì)11648人、19101頭大牲畜的人畜飲水困難，缺水57.0萬(wàn)m3/a。

4.2 泵站規(guī)劃

提水工程位于何元鄉(xiāng)大坡腳村，規(guī)劃在娃女河取水，取水口位于七股龍?zhí)?，取水口以上控制徑流面積41.8km2。娃女河流域無(wú)實(shí)測(cè)站點(diǎn)資料，取水口斷面多年平均徑流量采用徑流深等值線圖法推求。其中，流域Cv值取0.22，Cs/Cv為2.0，年徑流分配調(diào)節(jié)計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 娃女河設(shè)計(jì)年徑流量年內(nèi)分配成果 單位：萬(wàn)m3

取水口以上娃女河保證率95%時(shí)，年徑流量為1120.2萬(wàn)m3。何元鄉(xiāng)7個(gè)行政村年需水量為57.0萬(wàn)m3，自然能提水量暫按徑流量的10%計(jì)，娃女河徑流量約為需水量的2倍。

為提高水資源利用率及工程投資效率，并保障何元鄉(xiāng)7個(gè)行政村的農(nóng)村人畜供水，規(guī)劃將娃女河作為何元鄉(xiāng)應(yīng)急供水儲(chǔ)備水源，上寨水庫(kù)為應(yīng)急調(diào)蓄水庫(kù)。綜合上述因素，何元鄉(xiāng)大坡腳自然能提水工程設(shè)計(jì)保證率取值75%。

4.3 工程規(guī)模

提水工程設(shè)計(jì)供水量57萬(wàn)m3，按照《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017),工程等別為Ⅴ等，工程規(guī)模為小(2)型。工程的主要任務(wù)是解決何元鄉(xiāng)7個(gè)行政村11648人(貧困人口1060戶4077人)、大牲畜19101頭的人畜飲水困難問(wèn)題。主要建設(shè)內(nèi)容包括新建進(jìn)水工程、泵房工程、出水工程、調(diào)蓄工程，制造安裝自然能泵機(jī)2臺(tái)(一主一備)。工程投資1167.63萬(wàn)元。

4.4 進(jìn)水設(shè)計(jì)

提水工程取水口位于娃女河七股龍?zhí)?，娃女河保證率75%時(shí)，年徑流量1404.5萬(wàn)m3，年均流量0.445m3/s，最枯月流量0.119m3/s。設(shè)計(jì)在娃女河修建C25鋼筋混凝土溢流壩1座，長(zhǎng)16m，高2.8m。溢流壩后布置壓力前池，壓力前池凈空尺寸為8m×2.5m×3m(長(zhǎng)×寬×深)，壓力前池正常水位高程1037.95m。壓力前池至泵站距離2910m，進(jìn)水管采用φ529×6無(wú)縫鋼管,進(jìn)水管布置鎮(zhèn)墩18個(gè)、支墩40個(gè)。

4.5 泵站設(shè)計(jì)

泵站位于娃女河左岸，大坡腳村鄉(xiāng)村公路邊，海拔高程798.95m，壓力前池至泵站垂直高差237.0m。設(shè)計(jì)布置進(jìn)站公路與大坡腳村鄉(xiāng)村公路連接，長(zhǎng)200m，路基寬6.0m。廠房建筑面積175m2(20.5m×8.5m)，廠房?jī)舾?.0m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，泵站基礎(chǔ)采用C25鋼筋混凝土澆筑。

根據(jù)能量守恒原理，自然能泵輸入功率與輸出功率相等，但目前自然能能量轉(zhuǎn)變過(guò)程暫無(wú)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)資料。設(shè)計(jì)采用自然能泵輸出效率系數(shù)，該系數(shù)由設(shè)備制造商提供，參考同類(lèi)工程取值60%，采用下列公式計(jì)算[3]：

(1)

式中P——自然能水泵功率,kW；

ρ——水的密度,kg/m3;

Q——進(jìn)水流量,m3/s;

η——水輪機(jī)效率系數(shù),89%～93%;

H——壓力前池至泵站凈水頭,m。

H=Ha-ha-hi

(2)

式中Ha——壓力前池進(jìn)水管口水面高程與水泵入口中心高程之差,m;

ha——進(jìn)水管沿程水頭損失,m;

hi——進(jìn)水管局部水頭損失，可按沿程水頭損失的5%～10%計(jì)算,m。

hi=iL

(3)

式中L——進(jìn)水管長(zhǎng)度,m;

i——單位管長(zhǎng)水頭損失,m/m。

i=10.67C-1.852Q1.852d-4.87

(4)

式中C——海增威廉系數(shù),120～130;

d——進(jìn)水管計(jì)算內(nèi)徑,m。

泵站出水量或提升水量采用如下公式計(jì)算：

T=QHe/Z

(5)

式中T——自然能水泵出水量或提升水量,m3/s;

Q——進(jìn)水管流量,m3/s;

H——壓力前池至泵站凈水頭,m;

Z——泵站至高位水池或調(diào)節(jié)庫(kù)揚(yáng)程(含水頭損失),m;

e——脈沖泵的效率(按廠家說(shuō)明取值)，一般取值60%。

根據(jù)供水平衡分析計(jì)算成果，提水工程設(shè)計(jì)年均提水量113.2萬(wàn)m3。其中：農(nóng)村人畜供水量57.0萬(wàn)m3，應(yīng)急儲(chǔ)備水量56.2萬(wàn)m3。年均提水量0.039m3/s(3370m3/d)，平均揚(yáng)程1106m，2月至次年5月勢(shì)能轉(zhuǎn)化動(dòng)能獲得的功率由246kW遞增至452kW。綜合分析提水工程設(shè)計(jì)參數(shù)分別為：提水量0.0347m3/s(3000m3/d),揚(yáng)程1150m，泵機(jī)功率480kW。選用自然能泵機(jī)2臺(tái)(一主一備)。該提水工程自然落差237.0m,徑流量0.445m3/s，進(jìn)水管采用φ529×6無(wú)縫鋼管，進(jìn)水管長(zhǎng)2910m。出水管采用φ219×12無(wú)縫鋼管，出水管長(zhǎng)8640m。設(shè)計(jì)提水量3000m3/d,揚(yáng)程1150m，泵機(jī)功率480kW。將水提高至1007.2m的高海拔山區(qū)，年均提水量113.2萬(wàn)m3，其中：農(nóng)村人畜供水量57.0萬(wàn)m3，應(yīng)急儲(chǔ)備水量56.2萬(wàn)m3。何元鄉(xiāng)大坡腳自然提水工程示意見(jiàn)圖1。

圖1 何元鄉(xiāng)大坡腳自然提水工程示意圖

4.6 出水設(shè)計(jì)

工程設(shè)計(jì)提水至大麥田高位水池，高位水池海拔1801.67m，泵站至高位水池距離8640m,垂直高差1002.72m。設(shè)計(jì)采用無(wú)縫鋼管，出水管第一壓力段采用φ219×12無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)3780m。第二壓力段采用φ219×6無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)4860m。出水管道以露天布置為主，穿越建筑物采用埋設(shè)，沿線設(shè)鎮(zhèn)墩、支墩。為保證輸水管道運(yùn)行暢通、安全供水，同時(shí)為方便管道維護(hù)檢修，防止在管道中出現(xiàn)氣阻或發(fā)生負(fù)壓影響管道輸水安全，在輸水管道中設(shè)置了閥門(mén)、排氣閥、排泥閥等管道附屬設(shè)備。

4.7 系統(tǒng)運(yùn)行

自然能系統(tǒng)的運(yùn)行管理主要是工程管理、機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)、經(jīng)營(yíng)管理，以及進(jìn)水、供水調(diào)度等。機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)推行“1+7模式”(1年質(zhì)保期+7年運(yùn)行期)，即8年內(nèi)由設(shè)備制造商負(fù)責(zé)機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)工作。利用GPRS/3G/4G無(wú)線通信方式,對(duì)機(jī)組設(shè)備的溫度、水壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和控制，出現(xiàn)設(shè)備異?；蚬收峡蛇h(yuǎn)程關(guān)閉、啟動(dòng)。

4.8 成果分析

在進(jìn)水垂直落差、進(jìn)水管、出水管一定的情況下，進(jìn)水流量與獲得的功率成正比，進(jìn)水流量與揚(yáng)程成正比，進(jìn)水流量與水資源利用效率成反比。提水工程利用自然落差237.0m，徑流量0.445m3/s(P=75%)，年均提水量113.2萬(wàn)m3，其中，農(nóng)村人畜供水量57.0萬(wàn)m3，應(yīng)急儲(chǔ)備水量56.2萬(wàn)m3。經(jīng)實(shí)測(cè)提水量略大于設(shè)計(jì)提水量，工程供水運(yùn)行正常，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。徑流量與提水量關(guān)系、徑流量與揚(yáng)程關(guān)系、徑流量與水資源利用率關(guān)系分別見(jiàn)圖2～圖4。

圖2 徑流量與提水量關(guān)系

圖3 徑流量與揚(yáng)程關(guān)系

圖4 徑流量與水資源利用率關(guān)系

5 結(jié) 論

自然能提水技術(shù)不受落差、徑流變化影響，不消耗油電資源，運(yùn)行成本低，泵站可連續(xù)運(yùn)行。通過(guò)采用該技術(shù)，成功將低海拔的水資源提高到海拔的山區(qū)，有效利用了水資源，解決了缺水地區(qū)人民的飲水困難問(wèn)題，保障了飲水安全，改善了生產(chǎn)生活環(huán)境。本工程的實(shí)施為貧困群眾脫貧致富奔小康，以及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，促進(jìn)了人與自然的和諧發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。本工程取得了較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。