高原高寒地区管井不冻供水系统的研究与实际应用

刘春鹏 张亮

对于环境极为恶劣的高原高寒环境，管井供水尤为困难。在低温环境下，因为温度太低无法排空供水管道而易冻结。深层挖掘地层水的供水管道保温措施不符合日常的紧急供水需求。为此我们研制了可以解决现有潜水单向旋转的一种正反转井用潜水异步电动机。为了减缓反向旋转对电极的损害，同时研发了一种能在高原高寒地区适应的特质潜水泵，符合我国北方冬季漫长、昼夜温差大和川藏高原高寒地区的管井供水系统。

我国西北内陆地区昼夜温差大，干旱少雨是困扰我国千百年的问题，生活用水主要依赖于地下水管井供给。北方川藏地区冬季以及寒夜漫长，管井水无法及时排除而容易冻结堵塞是高原高寒地区构筑管井的最大难题，采用了种种保温措施来保障其管道能正常工作流通，但结果都不尽人意。

1高原高寒地区管井冻结以及供水系统分析

1.1高原高寒管井供水系统分析

因我国地形特殊，国外无同等环境可借为参考，因此我国对新疆南疆地区、西藏阿里地区供水单位现状进行专项调研考察，发现普通潜水泵的供水系统中存水为了避免回流过快，形成重力水柱损坏电机，而是通过逆止阀的回流孔较慢的倒流回水井中，因为高原高寒地区冬季漫长，导致慢水流冻结，影响了供水系统的正常工作，未解决此问题泵房井口架火炉生活保暖的方法，并不能有效地融化深埋供水系统的结冻问题。

1.2普通潜水泵结构分析

普通潜水泵的设计结构导致其只能逆时针转动，不能正反双向转动，通过导轴承承受潜水电机工作中转动的径向力，电机底座上的下止推轴承承受轴向力，大功率潜水电机组成是由转子上的滑板总成和多块金属扇形块的下止推轴承，扇形块背后支点是偏心结构，导致下止推轴承承载力高，电机不能反向转，下降下止推轴承承载力，若长时间或快速反向运行会导致轴承损坏，电机损伤，潜水泵无法工作。因此在普通潜水泵安装逆止阀，防止回流水过快形成水柱造成电机倒转而损坏，逆止阀阻止水流过快冲击叶轮是普通潜水泵水流慢的主要原因。

1.3供水管路存水回流管井的不良分析

除了上述因水流过快形成水柱冲击叶轮造成电机反转损伤之外，还会因为供水管管路过长、动水位离管井口过近，管井含水层无法快速吸纳管道内因大量、快速回流的存水，导致管井口水大量溢出，造成井口四周、管井和泵房结冰，这两种不利情况是导致普通潜水泵控制回流速度的原因。高寒高原地区冻土层会伤害管井和泵管，所以应提升管井短时间内储存回流水能力，冻土层到静水位的距离也是影响潜水泵或管井出水的重要原因之一。必须保证管路存水回流井内静水位不超过冻土层的高度，否则管井内的存水会很快冻结于冻土层的供水管内。

1.4供水管安装不当造成存水冻结分析

会造成高原高寒地区管井的供水管发生冻结主要由以下两种情况：一是对管路保温做的工作不足;二是管路内存水过多、时间过长。因此过多的水存于管路中会导致管路冻结，管路因冻结会对供水系统产生不良影响，保温措施是保证供水管正常工作的重要工作，但因为在管路安装忽视了出水口到用水点位之间的位差，会造成因为气温过低或保温工作未到位二引发存水冻结，一样会影响到供水系统的正常运行。

2针对高原高寒地区管井不冻供水系统的研究

因高原高寒地区昼夜温差大，冬季漫长寒冷，应研究专门供北方和川藏使用的管井不冻供水系统，保障这些地区人民的正常用水。

2.1技术要求

（1）供水潜水机停止工作后，迅速排空供水管路内的存水，快速通过潜水泵的逆止阀流入井内。

（2）设计研发一种适应高原高寒地区的新型潜水泵，可实现正反双向旋转，通过正向旋转正常向管道输水，通过反向旋转，使得回流水与工作方向相同，在不损害潜水泵叶轮，造成电机损伤的情况下使在存留在管路之内的存水排出。

（3）管井供水系统快速回流的管路设计。

（4）研究供水管管路存水因回流过快产生的负面影响以及避免其发生的方案。

2.2技术方案的简要探讨

通过对潜水泵逆止阀的改进，增加逆止阀上的回流孔数或增加回流孔孔洞大小，增加水流的流通面积，此方法在回流中水流过大、水速过快的冲击逆止阀，有效提高逆水阀材质保证其正常工作。另外不冻供水系统的供水管路需改进设计，一是供水管路从井口到用水点位之间要设计一个上坡，来令管路中因存水通过自身重量流回到井内，防止发生管路积水冻结;二是在供水系统停止工作时，管路的水回流到井内的过程中，供水管路不应关闭，应该保持开放的状态。因为开放供水管路情况下回比管路封闭排空时间更快，对于高原高寒的特殊情况更适用;其次要计算管井可“吸容”供水管路回流存水量，在使用可快速回流供水管存水的特殊潜水泵与普通潜水泵不同，应充分考虑管井的静水位、动水位、管路长度以及降深，以保证管路水流回流入井的水量小于管井动水位与井口之间的容积大小，依据用水量来选择合适的管径，减少供水管存水。

综上所述，为了防止供水管线因低温寒冷冻结，提供新型特殊的潜水泵以供高寒高原地区日常生活迫不及待，如果供水问题发生在灾时或战时，高寒高原地區本身不能满足供应用水，应急供水保障行动因管路冻结等问题出现供给不足，后果极为严重，届时会威胁到战时或灾时的战斗力以及普通人的生命。因此管井不冻供水系统的研究成功，最大意义是保障了高寒高原地区在紧急状况之中应急供水的稳定提供，为我国高原高寒地区经济、边防军事和社会民生有效护航。