自然能提水技术与传统提水技术的应用对比分析

张春雷，古今用，伯彦萍

（贵州省水利科学研究院，贵州 贵阳 550000）

引 言

我国西南部地区大多为山区，虽然水资源较为丰富，但分布极不均匀，许多地区严重缺水，必须通过相关提水技术应用，才能满足部分地区民众用水需求。当前，国内很多地区在饮水工程建设中，常采用传统的机电提水技术，这一技术虽能缓解大部分地区的水资源紧缺问题，但建设成本相对较高，同时，在提水过程中，还会造成严重的环境污染问题，为解决这一矛盾，已开发出一种自然能提水技术，这一技术在应用实践中已取得较好效益。为验证该提水技术的推广应用可行性，文章通过对自然能提水技术与机电提水技术在工程应用中的适应性、资源配置、环保节能等指标的对比，为相关企业在饮水工程建设中科学选取提水方案提供科学指导。

1 传统机电提水技术与自然能提水技术概述

1.1 机电提水技术

机电提水技术是当前众多饮水工程建设中应用最为普遍的一种技术，其工作原理就是在相关电气设备的驱动下，水泵高速运转，将低处水资源输送至设计高程，以满足上游缺水地区的用水需求。在机电提水技术应用中，最主要的设施设备主要有输电线路、变电设备、机电设备、水泵及提水管道等，系统运行流程是启动电机，在电机驱动下，水泵高速运转，将水提升至设计高程，实现取水操作，这一过程其实就是消耗电能实现提水的过程[1]。

1.2 自然能提水技术

自然能提水是最近几年才被开发出来的一种提水技术，该技术核心是自然能水泵，在水力作用下，水泵高速运行，从而将水提升至设计高程。其过程主要是将水能转化为动能的过程。水能的产生要求水具备一定的流速，同时还需要有一定的落差，因此，在应用此项技术时，需准确计算水流量及高差，其提水原理和设备布置见图1、图2。

图1 自然能提水原理示意图

图2 自然能提水设备安装示意图

2 机电提水与自然能提水的应用比较

2.1 适应性比较

2.1.1 机电提水

从当前国内饮水工程建设实际情况来看，机电提水技术是目前应用最为普遍的技术，但机电提水技术应用有着一定的要求，即持续稳定的电力资源。目前，国内输电网络密集，电力资源较为丰富，尤其在西南地区，输电网络已实现全覆盖，为机电提水技术应用提供了便利条件。至于电力资源的供应，也是非常有保障的，从此角度出发，可确定机电提水技术具备较强适应性，能够适应城乡饮水工程建设应用要求。

2.1.2 自然能提水

顾名思义，自然能提水技术就是借助自然能实现水源提取。在自然能技术应用实践中，水流在通过一定落差后形成水能势能，相关设备在水能驱动下高速运行，从而将低处水资源提升至设计高程。从此观点出发，自然能提水技术应用需具备水资源量及高差两项基本条件。而在具体应用实践中，自然形成的高差毕竟有限，当水源地水资源量具备自然能技术应用条件时，可选择人工制造高差方式实现：①在水源上游修建拦河坝，抬高水位，形成落差；②沿下游河道安装管道，形成落差。所以说，只要有水流，便可通过人工干预形成高差。应用实践表明，在水流量一定条件下，落差越大，提水扬程就越高；当落差一定时，水流越大，提水扬程也就越高，二者只要具备其一，就能实现自然能提水，因此，自然能提水技术适用性存在一定的局限性，仅适合水源丰富、地形有一定高差条件的地区，对于平原地区不适用。

2.2 节能环保效益及运行成本比较

传统的机电提水，需借助电能带动水泵运转，实现提水目的。为有效保障泵站运行稳定性，必须进一步提升电能供应稳定性，以保证能有持续不断的稳定电能供应。实质上，机电提水过程就是能量转换过程，泵站运行期间不会排放、不会产生有害于自然环境的物质，环保效益比较高。但在泵站运行过程中，提水扬程及水流量与电能消耗成正比例关系，即扬程越高、流量越大，所消耗的电能就越多，因此，对于饮水公司而言，会产生大量生产成本。自然能提水核心是水能，水能是一种自然能，只要拥有自然能提水条件，系统便不会停止运行，始终发挥出巨大能量。在自然能技术应用实践中，水量不会发生变化，既环保，又经济，因此，在西南地区具备较好的发展潜力，成为目前西南片区农业灌溉、饮水工程建设中最高效、最环保、最经济的应用技术[2]。

2.3 运行管理比较

为保障机电提水系统稳定运行，必须要给予其充足的电源供给；其次，要进一步完善控制系统，以便于其根据用水时限及流量自行控制设备启停，即用水区域水资源缺乏时，设备自行启动，实现水资源提取，当水量达到用水要求后，设备自行停机，这样不仅能减少水资源及电力资源的浪费，还能减少用水户的经济损失。随着自动控制技术的不断发展，已逐步完善的自动控制系统已广泛应用于机电提水系统之中，已实现了无人操作，然而，自动控制系统很容易在应用实践中出现各种故障，使相关企业耗费大量维修成本。

自然能提水可以说是一种全自动提水技术，在技术应用实践中不仅不需要电能支持，也无需人工干预，当设备投入运用后，即可实现全天候运转，为人们输送稳定的水资源，越来越受到人们的追捧[3]。

2.4 投资比较分析

2.4.1 机电提水

上文说到，机电提水技术应用需用到电能，因此，在系统建设实践之中，需进行输电线路架设、变电设备安装及泵站、输水管道安装等工作，因此，建设之处会耗费大量投入成本，投资大小会受到输电线路长度及提水扬程高度的影响，输电线路越长，扬程越高，所耗费的成本就越大[4]。

2.4.2 自然能提水

在自然能提水技术应用中，前期投资主要由引流管道安装、提水设备安装及拦河坝修建等投入。因自然能技术应用需要有水流落差，而自然形成的落差较少，只能通过人工制造，即修建拦河坝，使水位抬高，形成水能势差，从而在提水设备作用下将水输送至设计高程。在自然能提水技术应用实践中，投资最大的就是提水设备，它是将水能转化为动能，使设备运转的主要设备，一般的，需耗费100万元以上，这与机电提水装置建设相比，高出了十倍，甚至几十倍。而与机电提水工程建设中的输电线路架设相比，自然能提水技术中的拦河坝或引水动力管投资相差较小，仅在几万元之内，而提水管道规模及投资相差不大，此处不予比较。所以说，二者在工程建设中所需设备区别不大，但造价方面，自然能提水技术要比机电提水技术高出十倍到数十倍。

例如，贵州某山区饮水工程建设中，项目建设目标为解决7各村2 500多人的生活用水问题。第一方案设计为机电提水，项目建设内容主要包括提水工程、供水工程两部分。结合现场实际情况，输电线路需架设1.5 km。提水扬程550 m,再加之供水到户，总预算投资825.5万元[5]。考虑到该地区扬程太高，工程建成后，单位提水成本将达到5.8元/m3，这对当地居民来说，无力承担如此高昂的用水价格；经多方商议，提出自然能提水方案，综合各项建设指标，预算投资898.07万元，虽比方案一高72.57万元，但考虑到该方案实施后，提水成本几乎为零，供水成本将大大降低，仅需要支付工程运行管理费用，提水成本仅为1.3元/m3，当地居民完全有能力承担。

3 两种方法优缺点分析

3.1 机电设备提水的优缺点

与自然能提水技术相比，机电提水技术具备更强的适用性，只要有电覆盖的地方皆可实现取水应用，此外，机电取水系统建设中，前期投资较小，但后期应用实践中会耗费大量电力成本，因此，整体经济性不高。例如，贵州某地区在饮水工程建设中，采用机电提水方案，水源地距离用水地仅600 m高程，架设电线3.7 km，综合后期运用过程中产生的电费消耗，每立方水的成本达到4.1元，成为当地居民最重要的经济负担，因此，很多人宁愿不用，继续选择挑水，使得该项工程无法发挥出应用价值。

3.2 自然能提水优缺点

自然能提水是在生态友好型经济建设过程中被研发出的一种新型提水技术，它是利用地形优势，以水为动力，在落差作用下，水流被输送至设计高程。综合应用实际效果来看，主要具备以下几大优势：首先，该技术应用对环境要求低，只要有水源，有高差之势，即可实现取用水，提水高程可根据现场条件被提升至几十米甚至几百米；其次，运行成本低。虽然自然能提水工程建设初期，提水设备建设会耗费大量成本，但建成后，投入运营过程中，无需其他能源消耗，也无需频繁维修、更换相关设备，运行成本几乎为零，另外，待设备安装完成后，无需人工值守，养护也较为简单，设备使用寿命较长；最后，在系统运行期间，无需停机休息，可实现24 h不间断提水，提水效率也不会受气候条件影响。此外，运用过程中也不会造成水量减少，环保性极强，尤其在云贵川等地山区饮水工程建设中非常实用[6]。

4 结 语

文章从工程适用性、运行管理、节能环保及工程投资等方面对自然能提水技术及传统机电提水技术进行类比分析，对两种技术的优缺点进行了概括性总结。两种提水技术各有利弊，在工程应用实践中，需结合当地水源条件科学选取提水方案。如果水源条件具备水量及落差要求，可优先选择自然能提水方案，如果水源地不具备自然落差条件，也无法完成人工制造落差，就只能选择机电设备提水。