超高扬程自然能提水技术在农村饮水项目中的应用

杨静宗 杨在华 尹自萍

(1.保山学院大数据学院，云南 保山 678000;2.云南省施甸县水务局，云南 保山 678200)

1 背 景

云南省施甸县地处云南西部，怒江东岸。县境地形属怒山尾翼山地峡谷区，地势北高南低，三面有江河环绕，山脉多崇山峻岭，最高海拔2746m，最低海拔560m。施甸县全县总人口34.8万，耕地面积61.15万亩，水资源总量6.709亿m3，人均水资源量1928m3，亩均水资源量1097m3，属于缺水地区—水平衡地区。由于水资源空间分布不均，枯季缺水严重，资源性、工程性缺水并存。干旱造成水源减少、枯竭，供水能力降低[1]。本文所述的超高扬程自然能提水技术将围绕山区、半山区工程性缺水，以及因水致贫、因水返贫问题，利用自然能技术将溪流或河谷自然落差蕴藏的能量，提水上千米，从而解决当地的农村人畜饮水困难问题。

2 基本情况

施甸属山区农业县，在2017—2020年的水利扶贫期间，对全县现有农村饮水工程进行了升级改造。通过采取“城乡一体化”的建设模式，对现有供水工程进行联网、管网改造等，实现了农村供水到户。针对季节性缺水的供水工程，采取水库、自然能提水等供水措施，累计投入农村饮水工程建设资金2.79亿。全县集中供水率达98.4%，自来水普及率95%以上，农村供水保障率达90%以上。2020年末建成农村供水工程1450件，供水人口34.8万，集中供水率98.8%，分散式供水率1.2%。

何元乡大坡脚自然能提水工程(以下简称提水工程)所在地位于施甸县西部怒江东岸的何元乡。该乡辖9个行政村，总人口1.65万。2020年末建成小型水库4座，分别为上寨水库、栗子园水库、秧草塘水库、西边塘水库。水库总库容450.3万m3。建成农村供水工程28件，供水人口1.65万。供水规模1000m3/d以上的工程1件，供水人口0.98万；供水规模在200～1000m3/d之间的工程3件，供水人口0.32万；供水规模在20～200m3/d之间的工程22件，供水人口0.34万；供水规模小于20m3/d的分散式工程2件，供水人口0.0106万。集中供水工程解决的人数占实际供水总人数的99.4%，分散式供水解决人数占实际供水人数的0.6%。

3 自然能系统工作原理

自然能系统是由进水工程、泵房、机泵设备、出水工程、调蓄工程组成的水力能提水系统。机泵设备主要包括进水管、水轮机、泵机或压力泵、阀门、出水管、现地控制柜、遥测等设备，且水轮机、泵机为同轴直连。利用低落差水利能将水资源从低海拔提至高海拔地区，从而解决人畜饮水安全问题[2]。能量转换主要过程为：势能→动能→机械能→动能→势能。进水工程通常采用管道引水，在引水过程中，当管道阀门关闭或开启时，液体的流速发生急剧变化，加之液体的可压缩性及水流落差产生的高压空气，引起管道内压强发生快速交替升降，产生水击。此时，水击压力瞬间比正常压力高出数倍。自然能技术主要利用了水流落差产生的高压空气，以及水击产生的瞬间高压。由于自然能机泵设备简单、操作方便、维护成本低、使用寿命长、不易损坏，因而优于电力提水和太阳能提水。

4 典型工程设计

4.1 气象与水文

项目区年均降雨量998.4mm，降水量年内分配极不均匀。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风的影响，气温较高、雨量充沛、降水日数多。干季(11至次年4月)，主要受中亚上空西风气流影响，天气晴朗少雨，光照充足，蒸发量大。流域内的径流来源于降水，径流量的年际、年内变化情势及其空间分布与降雨量基本一致。受降水和下垫面条件影响，枯季11月至次年4月来水量较少，仅占年径流的15.4%左右；最枯月出现在2月，仅占年径流的2%左右。

云南地处北回归线副热带高气压带，北回归线所贯串之处，大多是茫茫的荒漠。这种特殊的地理位置导致云南气候干旱时常发生。2009年秋至2010年初，中国西南地区遭受严重旱情，特别是云南发生了自有气象记录以来最严重的秋、冬、春连旱。受此影响，施甸发生了百年一遇的特大干旱。其中，三分之二的河流断流，8座小(2)型水库、213个水源点出现干涸，造成约11.13万人、4.94万头大牲畜饮水困难。加之项目区受怒江低热河谷的影响，干旱缺水严重，制约了当地的经济社会发展。在每年1—5月，农村人畜供水常常采取抗旱应急人力挑水与机械拉水的方式解决，干旱缺水导致何元乡何元村、大仆寨村、大坡脚村、王家庄村、莽王村、李为地村、组军门村等7个村委会11648人、19101头大牲畜的人畜饮水困难，缺水57.0万m3/a。

4.2 泵站规划

提水工程位于何元乡大坡脚村，规划在娃女河取水，取水口位于七股龙潭，取水口以上控制径流面积41.8km2。娃女河流域无实测站点资料，取水口断面多年平均径流量采用径流深等值线图法推求。其中，流域Cv值取0.22，Cs/Cv为2.0，年径流分配调节计算成果见表1。

表1 娃女河设计年径流量年内分配成果 单位：万m3

取水口以上娃女河保证率95%时，年径流量为1120.2万m3。何元乡7个行政村年需水量为57.0万m3，自然能提水量暂按径流量的10%计，娃女河径流量约为需水量的2倍。

为提高水资源利用率及工程投资效率，并保障何元乡7个行政村的农村人畜供水，规划将娃女河作为何元乡应急供水储备水源，上寨水库为应急调蓄水库。综合上述因素，何元乡大坡脚自然能提水工程设计保证率取值75%。

4.3 工程规模

提水工程设计供水量57万m3，按照《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2017),工程等别为Ⅴ等，工程规模为小(2)型。工程的主要任务是解决何元乡7个行政村11648人(贫困人口1060户4077人)、大牲畜19101头的人畜饮水困难问题。主要建设内容包括新建进水工程、泵房工程、出水工程、调蓄工程，制造安装自然能泵机2台(一主一备)。工程投资1167.63万元。

4.4 进水设计

提水工程取水口位于娃女河七股龙潭，娃女河保证率75%时，年径流量1404.5万m3，年均流量0.445m3/s，最枯月流量0.119m3/s。设计在娃女河修建C25钢筋混凝土溢流坝1座，长16m，高2.8m。溢流坝后布置压力前池，压力前池净空尺寸为8m×2.5m×3m(长×宽×深)，压力前池正常水位高程1037.95m。压力前池至泵站距离2910m，进水管采用φ529×6无缝钢管,进水管布置镇墩18个、支墩40个。

4.5 泵站设计

泵站位于娃女河左岸，大坡脚村乡村公路边，海拔高程798.95m，压力前池至泵站垂直高差237.0m。设计布置进站公路与大坡脚村乡村公路连接，长200m，路基宽6.0m。厂房建筑面积175m2(20.5m×8.5m)，厂房净高8.0m，采用钢筋混凝土结构，泵站基础采用C25钢筋混凝土浇筑。

根据能量守恒原理，自然能泵输入功率与输出功率相等，但目前自然能能量转变过程暂无理论计算和实验资料。设计采用自然能泵输出效率系数，该系数由设备制造商提供，参考同类工程取值60%，采用下列公式计算[3]：

(1)

式中P——自然能水泵功率,kW；

ρ——水的密度,kg/m3;

Q——进水流量,m3/s;

η——水轮机效率系数,89%～93%;

H——压力前池至泵站净水头,m。

H=Ha-ha-hi

(2)

式中Ha——压力前池进水管口水面高程与水泵入口中心高程之差,m;

ha——进水管沿程水头损失,m;

hi——进水管局部水头损失，可按沿程水头损失的5%～10%计算,m。

hi=iL

(3)

式中L——进水管长度,m;

i——单位管长水头损失,m/m。

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

(4)

式中C——海增威廉系数,120～130;

d——进水管计算内径,m。

泵站出水量或提升水量采用如下公式计算：

T=QHe/Z

(5)

式中T——自然能水泵出水量或提升水量,m3/s;

Q——进水管流量,m3/s;

H——压力前池至泵站净水头,m;

Z——泵站至高位水池或调节库扬程(含水头损失),m;

e——脉冲泵的效率(按厂家说明取值)，一般取值60%。

根据供水平衡分析计算成果，提水工程设计年均提水量113.2万m3。其中：农村人畜供水量57.0万m3，应急储备水量56.2万m3。年均提水量0.039m3/s(3370m3/d)，平均扬程1106m，2月至次年5月势能转化动能获得的功率由246kW递增至452kW。综合分析提水工程设计参数分别为：提水量0.0347m3/s(3000m3/d),扬程1150m，泵机功率480kW。选用自然能泵机2台(一主一备)。该提水工程自然落差237.0m,径流量0.445m3/s，进水管采用φ529×6无缝钢管，进水管长2910m。出水管采用φ219×12无缝钢管，出水管长8640m。设计提水量3000m3/d,扬程1150m，泵机功率480kW。将水提高至1007.2m的高海拔山区，年均提水量113.2万m3，其中：农村人畜供水量57.0万m3，应急储备水量56.2万m3。何元乡大坡脚自然提水工程示意见图1。

图1 何元乡大坡脚自然提水工程示意图

4.6 出水设计

工程设计提水至大麦田高位水池，高位水池海拔1801.67m，泵站至高位水池距离8640m,垂直高差1002.72m。设计采用无缝钢管，出水管第一压力段采用φ219×12无缝钢管，长3780m。第二压力段采用φ219×6无缝钢管，长4860m。出水管道以露天布置为主，穿越建筑物采用埋设，沿线设镇墩、支墩。为保证输水管道运行畅通、安全供水，同时为方便管道维护检修，防止在管道中出现气阻或发生负压影响管道输水安全，在输水管道中设置了阀门、排气阀、排泥阀等管道附属设备。

4.7 系统运行

自然能系统的运行管理主要是工程管理、机组的运行维护、经营管理，以及进水、供水调度等。机组的运行维护推行“1+7模式”(1年质保期+7年运行期)，即8年内由设备制造商负责机组的运行维护工作。利用GPRS/3G/4G无线通信方式,对机组设备的温度、水压等数据进行传输和控制，出现设备异常或故障可远程关闭、启动。

4.8 成果分析

在进水垂直落差、进水管、出水管一定的情况下，进水流量与获得的功率成正比，进水流量与扬程成正比，进水流量与水资源利用效率成反比。提水工程利用自然落差237.0m，径流量0.445m3/s(P=75%)，年均提水量113.2万m3，其中，农村人畜供水量57.0万m3，应急储备水量56.2万m3。经实测提水量略大于设计提水量，工程供水运行正常，取得了较好的经济效益、社会效益和生态效益。径流量与提水量关系、径流量与扬程关系、径流量与水资源利用率关系分别见图2～图4。

图2 径流量与提水量关系

图3 径流量与扬程关系

图4 径流量与水资源利用率关系

5 结 论

自然能提水技术不受落差、径流变化影响，不消耗油电资源，运行成本低，泵站可连续运行。通过采用该技术，成功将低海拔的水资源提高到海拔的山区，有效利用了水资源，解决了缺水地区人民的饮水困难问题，保障了饮水安全，改善了生产生活环境。本工程的实施为贫困群众脱贫致富奔小康，以及当地的经济社会发展奠定了坚实的基础，促进了人与自然的和谐发展和生态文明建设。本工程取得了较好的经济、社会和生态效益。