寿阳县无动力水泵装置应用技术研究

刘 丹

（晋中市水利局，山西 晋中 030600）

1 概况

西洛镇位于寿阳县西南部，地处潇河中下游，水资源较为丰富，河道年平均流量2 m3/s 以上，水位落差较大，两侧村落的耕地大多在河道两旁的山坡上，多年来一直靠水泵从河中提水或远距离自流输水灌溉。提水灌溉费用较大，自流输水相对较高的耕地无法灌溉。无动力水泵装置无能耗提高水位，可有效解决这一问题，达到节能环保的效果。寿阳县是山西省首家引进无动力水泵装置技术的基地，此次项目的实施和技术应用具有很高的示范作用。

2 无动力水泵装置技术

液气能转换机理，是将水流高压掺气后，收集水气分离过程中形成的“水锤效应”能量，并进行合理转化利用的机制原理。无动力水泵装置，是依托液气能转换机理，以低落差水能作为动力的全自动抽水装置。技术设施包括液气能多孔管增效装置和气液泵两项发明专利，是列入水利部推广中心2017 年度水利先进实用技术指导目录的重点推广项目，已经在云南、贵州、辽宁、四川、江苏、广东、湖南、河北等多个省份进行推广。

无动力水泵装置技术的工作流程：水位落差、水气混合、液气分离、有压气体、液气能水泵。详见图1。

3 寿阳县应用情况

3.1 项目概况

潇河寿阳县西洛镇廷村段东南，有22.7 hm2农田高于地面18 m，项目区现有泵站1 座，配套功率45 kW、扬程25 m 的水泵1 台，出水量260 m3/h，通过堆石拦河坝拦河引水至泵站提水灌溉。

图1 无动力水泵技术工作流程示意图

本项目通过对原拦河坝作防渗处理，提高引水流量，利用原有泵站引水渠输水，在拦河坝下游处安装无动力（液气能）水泵。

工作技术参数：设计引水落差2 m，泵水扬程20 m，设计提水流量480 m3/d，通过采用无动力水泵技术，以及配套的输水管线设施，将潇河水提升到18 m 以上高程，自流至耕地灌溉，日泵水流量480 m3，实现无能耗提水灌溉，替代部分水泵电力，达到节能目的。

3.2 项目建设条件

3.2.1 项目实施条件

项目实施的必要条件：平均流量在0.6 m3/s 以上，水位落差大于0.5 m。无动力水泵装置扬程流量经验关系如下：

S×H×0.16=Q×h

式中：S——河流引水流量，m3；

H——实际利用落差，m；

Q——泵水流量，m3；

h——泵水扬程，m。

项目区河道水位落差2.10 m，泵水扬程为18.18 m；项目设计提水高度20 m，出水流量20 m3/h。因此，根据经验公式推算理论引水最小流量为0.60 m3/s。

3.2.2 本项目实施的水文地理条件

廷村段位于芦家庄与西洛两个水文监测站之间，根据2017 年、2018 年水资源公报的潇河水文数据，廷村段全年平均流量2.13～7.25 m3/s，最小流量0.69 m3/s，最大流量26.3 m3/s，平均流速0.33～0.66 m/s。通过测量项目区河道水位落差为2.10 m，泵水扬程18.18 m。

根据项目区三个时间段实测，河道平均流量1.02 m3/s、平均流速0.94 m/s、水位落差数据2.1 m，潇河廷村段的水利条件可以满足无动力水泵装置的建设要求。

3.3 主要建设内容

无动力水泵装置系统的建设，主要分为能量采集基础实施、液气能转换装置及液气能水泵建设。

3.3.1 能量采集基础实施建设

拦河坝防渗处理。对原有0.5 m 高的拦河坝，进行防渗处理。由于拦河坝在河道主河河槽内，为不影响防洪和泄洪能力，对铅丝笼坝坝面铺设土工布防渗，增大上下游水位落差，提高河流落差，蓄积势能，增加进水流量，保证低水位时河道的进水流量。

引水渠和截止闸。液气能转换装置利用原有灌溉引水渠引水，在原灌溉引水渠内新建1 座闸门，设分水截止闸和进水闸，抬高引水渠水位，调控进入无动力水泵引水渠的水流量。通过调控分水截止闸拦截和疏导漂浮物进入原灌溉引水渠下游，避免无动力水泵引水渠内漂浮物淤积，以减少人工清理次数。

滤水沉沙池。新建高0.6 m 沉砂档墙1 座，滤水沉沙池位于沉砂档墙后，宽2.5 m，深2.5 m，底部建有自动排砂管。

配水池。位于滤水沉沙池后，底部与能量仓4 根进水管和4 根排气管相连。配水池长5 m，宽2 m，深2.5 m。

3.3.2 液气能转换装置安装建设

液气能转换装置是完成液气能转换的核心部位，其主要功能是形成高压气体，通过高压气体推动水泵提水。该设备置于拦河坝下游120 m 处的坑内，该坑深9 m，坑底长6 m，宽6 m。液气能转换装置是由4 个长4.2 m，宽1 m，高1.7 m 的钢质罐体组成，顶部有1 个直径40 cm 的进水口、1 个直径70 cm 的出水口、1 个直径25 cm 的出气口的罐体组成。工艺流程：掺气水体通过进水口进入能量仓，仓体收集液气分离后的有压气体，从排气管输送给液气能水泵，尾水通过排水口回流到河道中。

3.3.3 液气能水泵的安装建设

液气能水泵由铁塔、泵体组成，泵体安装在铁塔内部，坐落在液气能转换装置顶部，距能量仓约20cm。液气能水泵铁塔整体高29.3 m，直径1.5 m。液气能水泵进水管直径选择25 cm，从引水渠引水至液气能水泵中，液气能泵内提水管采用3 组气液管，从底部提水至泵顶，最后汇流至塔顶输出水管，液气能水泵出水管直径25 cm，将泵出的水输送到18 m 高的灌溉渠内。

3.3.4 系统装置调试

调试环节是整个系统装置运行的重要环节，是系统发挥效益的重要保障。分为能量仓气压调试、水泵引水提水调试、多余能量转换调试。

3.4 实施效果及效益分析

现场测试表明，无动力水泵装置系统进水口固定落差1.56 m，水位最大落差可达1.95 m，进水流量可达4 200 m3/h，出水口高度17.68 m，详见表1。

表1 无动力水泵装置出水流量测试情况

实际工作技术参数：河道流量0.6～1.49 m3/s，实际引水落差1.84～1.94 m，泵水扬程20 m，实际提水流量500～900 m3/d。具体测试数据见表2。

表2 无动力水泵装置引水流量、水位落差测试

工程建设部分总投资35 万元，按平均每天提水700 m3计算，折合500 元/m3；每年（按210 d）计算折合2.38 元/m3，按10 年计算，折合0.238 元/m3；按20 年计算，折合0.119 元/m3。

按全年（210 d）日提水700 m3，每年提水总量为147 000 m3，用现有电水泵（功率45 kW、扬程25 m）1 台，出水量260 m3/h，提水需用电25 442 kW·h，节电25.44 MW·h。

由此可见，无动力水泵运行低成本，节能环保，还可在设备上加装液气能气动发电装置，发电功率最大可达10 kW，满足照明和日常管理使用。

3.5 项目技术难点与解决

在实际选择水泵安装位置时，根据不同灌溉渠段，进行了水流量测设，选择引水能力最大的渠首端，作为无动力水泵的建设位置。

在能量仓的设计上，为更大程度地提高液气能气体收集装置压力，设计了四组能量仓，保证了低进水量条件下的提水能力。

在测试出水量和进水量的方法上，采用容积法测量，简单准确。

3.6 推广应用前景

根据潇河水文资料显示，从寿阳县赵金庄到榆次区，多处地理及水文达到安装该系统的技术要求，另外左权县清漳河、祁县昌源河、榆次涂河等常年不断流，多个水库河道，均能满足无动力水泵装置系统的水源、水文要求，可根据不同地理条件，设计不同提水高程，达到无能耗提水效果，如在全省推广特别是水资源丰富的贫困地区推广，应用前景更好。

4 结论及推广价值

为提高检测数据的准确度，特委托工程地质勘察院对项目数据进行了检测，经过现场实际测量和换算，对无动力水泵系统的来水量、落差、扬程、出水流量之间的数据进行了测量，结果基本符合经验公式和技术推广应用的参考技术指标。

无动力水泵在寿阳县潇河河道廷村段的应用实践表明，无动力水泵装置的能量仓安装在地下，涉及土方和石方的开挖，造成施工比较复杂，追高了建设成本，与传统的水泵提水方式相比，不消耗任何电力、燃油资源、无任何排放、无任何转动部件、扬程高而无需高强度管材的特点，可在具有一定落差和水位的河流上得到很好的应用，其兼有发电功能更适用于缺电地区，具有一定的经济性，对水源较丰富的贫困山区具有一定的实用性。