水利工程建设节能降耗的意义和途径

施炳利

持续的雾霾天气日益成为人们关注的焦点，造成雾霾天气的主要因素之一是能源特别是化石能源（煤炭、石油等）消耗量过大。减少雾霾天气，重点是节能降耗，降低化石能源消耗量，主要是降低用煤、用油、用电大户，即钢铁、水泥、发电、玻璃、交通运输等行业的耗能量。若要减少上述行业的耗能量，就要节约能源、资源、减少钢铁、水泥等材料的用量，各行各业都要注重节能减排，走节约型可持续发展之路。

1. 水利工程建设节能降耗的意义

随着国家对水利的重视程度不断加强，水利工程建设的投入和规模也在不断加大。2012年全国水利投资4000亿元，我省水利固定资产投资达137亿元。水利工程建设牵扯面广，工程形式多样，投资大，动用土石方量相对较大，耗材特别是水泥和钢材消耗量较大，各种施工机械耗油、耗电量多；各类水利机电设备运行需消耗大量电力。因此，注重水利工程建设中的节能降耗，对降低能源、资源消耗、改善环境具有重要意义。一是缓解能源供给的紧缺局面，我国人均能源资源约为世界平均数的50%，资源分布不均，缺乏优质能源，以煤炭为主，给交通运输和环境造成巨大压力。石油、天然气进口依存度高，能源地缘政治日趋复杂，能源安全面临严峻挑战，如不采取控制措施，将对我国经济社会发展带来重大挑战。水利工程建设节约能源大有可为，特别是大型水利工程能源、资源用量大，节能潜力巨大。如南水北调中线总干渠工程，仅邯邢段172km，动用土石方总量 14962万 m3，用混凝土 272万 m3、水泥 125.4万 t、钢筋、钢材 26万 t、汽、柴油19.6万t。二是有利于改善大气环境，实现可持续发展，我国能源结构以煤炭和石油为主，化石能源的使用是PM2.5、氮氢化合物和二氧化硫等大气污染物的主要排放源，不仅损害人体健康，还会形成对土壤、水体、建筑物危害严重的酸雨。造成温室气体大量排放。如不控制化石能源的消耗并降低排放强度，按照目前的发展，大气质量将达到难以承受的程度。水利工程建设降低能源和建材消耗，对减少化石能源的消耗，改善大气质量有重要意义。三是重视水利工程建设节约能源和资源，减少建筑材料的消耗，有利于保护耕地和改善生态环境。

2. 水利工程建设节能降耗的途径

2.1 水利工程总体布置节能降耗

水利工程总体布置要从节能降耗角度，优化工程布置方案。考虑工程交通运输条件尽量便利，能源供应、电力供应距离短，材料供应尽量方便。根据建筑物组成，施工组织设计，对施工用能进行分析，优化设计，降低施工用电、用油，优化总体布置，减少工程土石方开挖和回填量，尽量做到土石方挖填平衡，合理选择土料场，减少土石方运量和运距；减少大宗材料用量和运距。枢纽布置要充分利用地形、地质条件，各建筑物布置紧凑，减少连接建筑物。水库坝址、坝轴线选择，要进行多方案比选，优化布置方案，降低混凝土、建筑材料用量、土石方动用量。对各类过水建筑物布置和断面选择，应结合地质、地形条件，考虑水头损失和断面尺寸的相互关系，合理选择。对引调水、供水工程线路布置要结合地形、地质条件，避开高挖、高填地段，尽量利用水库水位、地形高差，能自流尽量自流，尽量减少平面和竖向折弯，减少水头损失和能量损失。

2.2 水利工程建筑物结构形式节能降耗

水利工程建筑物结构形式在保证工程安全可靠的前提下，应选择节能、节材等新型结构形式和材料。水库大坝，坝型有混凝土重力坝、碾压混凝土重力坝、浆砌石重力坝、拱坝、支墩坝、土石坝（黏土心墙、黏土斜墙、混凝土面板等）等；坝型和结构选择应结合地形、地质条件，当地筑坝材料，导流、施工条件等进行技术经济和节能比较。如河谷狭窄、地质条件良好，可优选拱坝，有利于发挥混凝土的抗压强度，大大降低坝体厚度，大量节省混凝土工程量；如河谷宽阔，地质条件较好，可修建重力坝，采用碾压混凝土坝，比混凝土重力坝可节省大量水泥，提高施工效率；河谷宽阔，地质条件较差，河床覆盖层较厚，沙土料储量丰富，适于建土石坝，可采用混凝土面板砂砾石坝，可节省大量土料运输。水工建筑物像水闸、溢洪道、隧洞、渡槽、倒虹吸、桥梁、厂房等大量使用钢筋混凝土结构，钢材和水泥消耗量大。这些建筑物中，具备条件的，应优先选用预应力钢筋混凝土结构形式，预应力混凝土结构能充分发挥钢筋和混凝土的各自特性，提高钢筋和混凝土构件刚度、抗裂性和耐久性；可有效利用高强度钢筋和高强度等级混凝土。与普通混凝土相比，在相同条件下，构件截面小、自重轻、材料省（可节省钢材40%～50%，混凝土20%～40%），南水北调中线工程中大型渡槽、倒虹吸、桥梁等建筑物，大量使用预应力混凝土结构，取得了明显的节能、节材等经济和环境效益。经计算仅南沙河倒虹吸工程，使用预应力混凝土结构，节省钢筋43%，减少混凝土用量27.1%；节省混凝土12万 m3、钢筋2万t，节省投资3213万元。水利工程各类闸门、管道、桥梁使用大量钢材，在设计施工中应注重节约，采用CAD技术优化结构设计，采用预应力钢结构技术节约钢材，采用CAM技术加工制作，优化加工下料、采用新型焊接和安装技术，降低钢材耗量；做好钢结构防火涂料和防火保护层;做好钢结构的防腐，降低钢材腐蚀量。水利工程各类厂房建筑应采用新型节能技术；新型墙体材料，主要有蒸压加气混凝土砌块、轻集料混凝土小型空心砌块、混凝土夹心砌块等，具有重量轻、力学性能好、保温隔热性能好等特点。采用节能门窗，如断桥型门窗、中空玻璃门窗、低辐射率玻璃等，降低室内能耗。加强外墙保温设施，使用膨胀聚苯板薄抹灰外墙保温技术、挤塑型聚苯乙烯板保温技术、现浇混凝土模板内置聚苯板外墙保温技术等，可保护主体结构、延长建筑物寿命，保持室温稳定，降低能耗。做好屋面节能设施，像白色屋面、隔热屋面、通风屋面、种植屋面、蓄水屋面等。

2.3 水利工程中的各类管道节能降耗

水利工程的各类输水管道选择，一是管径选择，应考虑节能和节材，在一定流量下，管径与管内流速、水头损失、造价、材等因素有关，管径大，管内流速小，能量损失小，但管道材料增加，反之亦然；因此，管径选择是一个多目标决策问题，应进行动能经济比较，经多方案比选，选择最优方案。二是管材选择，常用管材有钢管、铸铁管、PVC管、PE管、预应力混凝土管、PCCP管等，管材选择结合地形、地质条件，考虑管道内外压力、结构、运输、安装、维护、造价等条件，管材选择还要考虑不同管材沿程损失系数不同，它与管径选择有关，也关系到材料的用量，应拟定不同管材，进行技术经济和节能综合比较选择。

2.4 水利工程建设节能降耗应推广使用土工合成材料

土工合成材料是以高分子聚合物为原料制成的各种用于土木工程的产品，土工合成材料的聚合物主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚酯（PET）、聚酰胺（PA）、聚氯乙烯（PVC）等，制成的合成材料品种和用途主要有：一是土工织物，如有纺土工布、无纺土工布，主要用于堤坝、水闸反滤、排水和地基加固，也可做成土工袋、土工枕用于堤坝，降低工程量。二是土工膜，有加筋土工膜、复合土工膜，又分一布一膜、二布一膜、三布二膜等，主要用于水利工程防渗，如堤坝垂直铺塑、水库、河道等水平防渗等。三是土工格栅，抗拉强度大，与土的摩擦系数高达0.8～1.0，是良好的加筋材料，广泛用于水闸、堤坝等地基、坡面加固、档墙、翼墙填土加筋；加筋墙限制土体侧向位移，可减小建筑物结构尺寸。四是土工网，石龙网用于堤坝防护，防冲。五是土工膜袋，内充混凝土或砂浆，作为护坡，节省模板。土工合成材料用于水利工程，可节省投资，降低工程量，具有很好的经济和环境效益，应大力推广使用。

2.5 水利工程建设施工中的节能降耗

水利工程施工使用大量的施工机械，耗用大量电力、汽、柴油，节能降耗大有潜力可挖。要根据对外交通、工程布置特点、资源供应、气象、水文、地形、地质等条件，安排施工方案。做好施工导流方案和导流、截流时机；合理选择料场位置和开采方案；主体工程施工，合理选择施工方案和施工机械；挖掘机和自卸汽车应根据容量、运距、台班、工期等进行最佳经济组合，提高效率、降低跑空和能耗；混凝土搅拌、运输、浇筑系统，应根据施工强度，合理选择位置、容量、设备和输送方式；施工工厂、机械修配及综合加工厂布置尽量紧凑，靠近施工现场，减少运输和二次搬运。风、水、电供应，要合理选择供应方式、容量和线路，选择节能产品。施工进度安排，要尽量避开雨季、冬季、高温天气、夜间施工，降低防洪、保温、降温、照明等能耗。推广和使用节能施工新技术、新设备。如深基坑支护新技术有预应力锚杆支护技术、复合土钉墙支护技术、型钢水泥土复合搅拌桩支护技术、组合内支撑技术、冻结排桩法支护技术等均有保证基坑安全，降低开挖量等作用，应结合工程实际积极采用。

2.6 水利工程中的机电设备节能降耗

水利工程建设和运行中，大量使用各类机电设备，像水泵、电动机、变压器、起重机、各类施工机械等。在设备选择和使用中应注重节能。一是水泵节能。水利供水、排涝中大量使用水泵，水泵选择要根据不同的流量、扬程组合，合理选择泵型和台数，使其多数时间运行在高效区。二是电动机节能。电动机容量应与动力设备匹配，选用高效节能电动机，一般应选效能二级产品，像YX3等系列，比普通Y系降耗20%。三是变压器节能。变压器的损失包括空载损失和短路损失，根据变压器的效率公式可以推导出变压器最高效率时的负荷率β，中小型变压器约为0.5左右，也就是说变压器的负荷率在0.5左右时，效率最高。按效率最高选择变压器容量，势必造成容量过大，耗材和投资大，因此，变压器容量选择应根据负荷性质、大小、年运行小时数、电能损耗、造价进行技术经济比较选择，一般负载率在80%左右既节能又经济。同时应选择节能型变压器，像S13、SH15型空载损耗降50%～80%。四是推广使用变频调速装置。通过改变频率，调整电机转速，使电机和水泵等在不同负载、流量等参数变化下，保持运行在高效区，节能效果达20%～30%。五是无功功率补偿。水利工程大量使用异步电动机、变压器等，应根据负荷性质进行无功补偿，以提高功率因数，减少无功电流的传输，降低电能损耗；一般应就地分散补偿，节能效果最好。六是电线电缆节能。线路电能的损失随导线截面的增大而减小，但耗料和造价增加。因此，选择导线的截面在满足电压、电流、敷设等条件下，应进行电能损耗，耗材，经济等综合比较选择。

3. 结语

水利工程建设点多、面广，耗能、耗材量大。目前行业节能环保意识相对较弱，节能措施还须进一步完善和落实。节能关乎我国经济社会发展、环境保护和生态平衡，要不断更新观念，进一步完善节能降耗标准和体制，在设计、施工、运行等各环节，大力开发、引进、推广使用节能降耗新技术、新工艺、新设备、新材料。推动水利建设快速健康发展，为经济社会可持续发展作出贡献。