高印軍，張保祥

（山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

地下水灌抽兩用設(shè)備研制探討

高印軍，張保祥

（山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

上世紀(jì)80年代以來(lái)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)實(shí)施了許多的ASR（含水層存儲(chǔ)和回采）和MAR（可管理的含水層補(bǔ)給）工程。在這方面國(guó)內(nèi)起步較晚，特別是在相關(guān)設(shè)備研發(fā)方面進(jìn)展緩慢。本文介紹了ASR設(shè)備計(jì)算原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及地面控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用研發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)并對(duì)其運(yùn)行效果進(jìn)行了評(píng)估，抽水-回灌效果良好，可對(duì)國(guó)內(nèi)地下水回灌及超采區(qū)治理工作提供裝備支持。

ASR；地下水回灌；地下水灌抽兩用井

地下水資源是水資源的重要組成部分，由于其水質(zhì)良好、開(kāi)采方便、分布廣泛的特性，長(zhǎng)期以來(lái)在供水及維系生態(tài)地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定等方面發(fā)揮著重要作用。超量開(kāi)采地下水資源，區(qū)域地下水位大幅下降，局部地下水開(kāi)采漏斗不斷擴(kuò)大，嚴(yán)重破壞了地下水系統(tǒng)的自然平衡狀態(tài)，引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。因此對(duì)超采地區(qū)進(jìn)行地下水人工回灌，對(duì)提升地下水位、改善地下水環(huán)境等，具有十分重要的作用和意義，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，自主研發(fā)了地下水灌抽兩用井系統(tǒng)，主要包括水源子系統(tǒng)、輸水管道子系統(tǒng)、水處理子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、地下水回灌流量調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。在任意工況時(shí)均可運(yùn)行地下水灌抽兩用井系統(tǒng)，采用智能化管理，使用簡(jiǎn)單高效。

1 閥體開(kāi)孔數(shù)計(jì)算

閥體開(kāi)孔數(shù)是地下水回灌兩用閥設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，開(kāi)孔數(shù)數(shù)量、直徑大小與回灌壓力、管徑等參數(shù)相關(guān)，是衡量地下水回灌流量大小的表征指標(biāo)。閥體開(kāi)孔設(shè)計(jì)斷面如圖1所示，本次設(shè)計(jì)過(guò)程中以回灌流量最大為Q計(jì)算，1-1斷面的壓力為 P1，管道內(nèi)徑為 D，管長(zhǎng) L1（井外）、L2（井外）。閥體開(kāi)孔數(shù)計(jì)算步驟如下：

設(shè)主管道流速為V1，底部開(kāi)孔的流速為V2，總流量為Q。1-1斷面和2-2斷面的能量方程式如下：

圖1 閥體開(kāi)孔設(shè)計(jì)斷面圖

其中：L2=Z1-Z2；hf為主管道的沿程損失。當(dāng)L1+L2≤10 m，hf可忽略不計(jì)，即 hf=0。

當(dāng) L1+L2≥10 m，hf=λ （L1+L2）/D v12/2g，λ 為沿程阻力系數(shù)，由雷諾數(shù)Re和Δ/D查莫迪圖得，Re=v1D/γ，γ是水的運(yùn)動(dòng)粘度，Δ為管材的粗糙度，v1=4Q/πD2。hw為局部損失。主管道 90°彎頭hw主和開(kāi)孔 90°彎流 hW孔，即 hW=hW主+hW孔。

式中：ζ1、ζ2為局部阻力系數(shù)，可查《水力學(xué)》等表得。 也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，ζ1=1.0；ζ2=1.5。

將以上各項(xiàng)代入（1）式得：

由于式中 L2、L1、P1、v1已知，λ、ζ1、ζ2可由上述方法確定，所以由（2）式求出小孔的v2。

根據(jù)已知Q及上式求出的v2，計(jì)算開(kāi)孔的總面積A：

A=Q/εv2，ε 為收縮系數(shù)，可取 0.64。

設(shè)在管道上所開(kāi)小孔的個(gè)數(shù)為n，則小孔的直徑d可由下式計(jì)算：

πD2/4=A/D，d=，n個(gè)小孔均為圓孔，螺旋狀分布，可提高控制出水孔開(kāi)度的靈敏性。

小孔的個(gè)數(shù)n可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定或由試驗(yàn)確定；未計(jì)小孔間的干擾。

2 閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與地面控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)控制

閥體主要包括缸體、活塞、活塞法蘭盤(pán)、推桿、油缸接口、端部密封壓蓋等。主要部件設(shè)計(jì)功能如下：

缸體：與頂部法蘭盤(pán)和端部法蘭盤(pán)組成灌抽兩用閥殼體，缸體上設(shè)置出水孔，設(shè)計(jì)。

頂部法蘭盤(pán)：連通上部的水管并與之密封、固定。

端部法蘭盤(pán)：連通下部的水管與潛水泵相連。

活塞：上下滑動(dòng)，控制塑料套環(huán)的位置。

塑料套環(huán)：與活塞相連，通過(guò)活塞的滑動(dòng)改變位置，從而控制出水孔的開(kāi)度。

活塞處法蘭與套環(huán)處法蘭：限制活塞上下運(yùn)動(dòng)的范圍。

密封壓蓋：封堵腔體，防止回灌時(shí)水流穿過(guò)兩用閥底部，以保證回灌水從缸體的出水孔出流，同時(shí)也可以防止回灌水對(duì)潛水泵的損害。

2.2 地面控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)包括觸摸屏、模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、電磁接觸器、PLC、及其動(dòng)力電纜及控制電纜組成，液壓油管路上的油壓力傳感器、油壓力傳感器、位移傳感器、水壓力傳感器通過(guò)采集傳輸信息數(shù)據(jù)電纜與PLC智能控制箱上的PLC連接；限位開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，通過(guò)信號(hào)傳輸電纜與PLC輸入端子連接；PLC采集的信息通過(guò)信號(hào)線傳輸?shù)接|摸屏，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制；PLC輸出端電纜連接電磁接觸器，電磁接觸器電纜連接抽水泵、液壓泵、電磁閥控制接通或斷開(kāi)。

PLC實(shí)質(zhì)是一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為：電源、中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊。本次設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言梯形圖（LD）進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。軟件操作界面包括自動(dòng)模式、調(diào)試模式、油泵運(yùn)行、油泵停止、油缸啟動(dòng)、油缸停止、參數(shù)調(diào)校、參數(shù)設(shè)定、回首頁(yè)等模式和檔位。

3 系統(tǒng)裝配

地下水灌抽兩用井系統(tǒng)包括：智能控制裝置、動(dòng)力裝置、傳感器裝置、灌抽兩用閥、輸水管路、止回閥。其中，智能控制包括可編程控制器、繼電器、觸控操作裝置；動(dòng)力裝置包括抽水泵、液壓泵、三通電磁閥、液壓油缸、液壓管路；傳感器裝置包括位移傳感器、壓力傳感器、限位開(kāi)關(guān)；灌抽兩用閥包括環(huán)形閥體、套環(huán)、閥桿、密封壓蓋、內(nèi)管、活塞、進(jìn)油孔。地下水灌抽兩用井設(shè)備關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)、加工后，與采購(gòu)的傳感器等零部件裝配成樣機(jī)。地下水灌抽兩用井系統(tǒng)裝配示意圖如圖2所示。

地下水灌抽兩用井系統(tǒng)，其特征在于通過(guò)地下水灌抽兩用井系統(tǒng)進(jìn)行智能控制的手動(dòng)運(yùn)行可以開(kāi)、停任意按鈕使系統(tǒng)在任意工況運(yùn)行。其運(yùn)行方式分為兩種，一種為抽水工況模式，一種為回灌工況模式。

圖2 地下水灌抽井系統(tǒng)裝配示意圖

3.1 抽水工況

人工開(kāi)啟抽水工況按鈕，抽水-回灌智能系統(tǒng)即自動(dòng)智能控制運(yùn)行：首先通過(guò)限位開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉判斷抽水—回灌兩用閥的回灌孔是否關(guān)閉。

若抽水—回灌兩用閥未關(guān)閉，則啟動(dòng)液壓泵、同時(shí)控制電磁閥動(dòng)作，液壓油向著抽水-回灌兩用閥關(guān)閉的方向流動(dòng)，同時(shí)液壓油缸緩緩動(dòng)作，抽水-回灌兩用閥緩緩關(guān)閉，關(guān)閉到位后液壓油缸觸動(dòng)限位開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)發(fā)信號(hào)給抽水—回灌智能系統(tǒng)，同時(shí)壓力傳感器的壓力感應(yīng)到設(shè)定的壓力最大值，抽水—回灌智能系統(tǒng)智能判斷壓力傳感器壓力達(dá)到最大值，此刻關(guān)閉電磁閥、停止液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)；接著抽水—回灌智能系統(tǒng)啟動(dòng)抽水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)處于抽水工況。若抽水—回灌兩用閥關(guān)閉，抽水—回灌智能系統(tǒng)直接啟動(dòng)抽水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)處于抽水工況。

3.2 回灌工況

人工開(kāi)啟回灌工況按鈕，抽水-回灌智能系統(tǒng)即自動(dòng)智能控制運(yùn)行。首先判斷水壓力傳感器的壓力，水壓力傳感器的壓力與設(shè)定壓力是否相等。若不相等，則繼電器接通，啟動(dòng)液壓泵、同時(shí)PLC判斷水壓力傳感器的壓力＜設(shè)定壓力？若是，則繼電器接通，電磁閥打開(kāi)，液壓油缸緩緩頂出，抽水—回灌兩用閥緩緩關(guān)閉，水壓力傳感器壓力增大，水壓力傳感器的壓力信號(hào)不斷傳輸給PLC，PLC隨時(shí)判斷判斷水壓力傳感器的壓力是否等用戶(hù)設(shè)定壓力？若是，則繼電器斷開(kāi)，液壓泵停止；若不是，則繼續(xù)循環(huán)，直至限位開(kāi)關(guān)頂開(kāi)，限位開(kāi)關(guān)發(fā)信號(hào)給PLC，同時(shí)壓力傳感器的壓力感應(yīng)到設(shè)定的壓力最大值，PLC判斷壓力傳感器壓力達(dá)到了最大值，此時(shí)油壓力傳感器到最大值，則繼電器斷開(kāi)，液壓泵停止；回灌水向回灌管道流入，當(dāng)回灌水進(jìn)入回灌管道后，壓力傳感器感應(yīng)到壓力值大于設(shè)定壓力范圍值時(shí)，則啟動(dòng)液壓泵、繼電器接通、同時(shí)控制電磁閥打開(kāi)，液壓油向著抽水—回灌兩用閥開(kāi)啟的方向流動(dòng)，同時(shí)液壓油缸緩緩動(dòng)作，抽水-回灌兩用閥緩緩開(kāi)啟，水壓力傳感器壓力減小、當(dāng)水壓力傳感器感應(yīng)到壓力值等于設(shè)定壓力范圍值時(shí)、繼電器斷開(kāi)，液壓泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，抽水-回灌兩用閥開(kāi)啟度停在當(dāng)前位置；若回灌水流量增大導(dǎo)致壓力傳感器感應(yīng)到壓力值大于設(shè)定壓力范圍值時(shí)，則重復(fù)該過(guò)程；若回灌水流量減小導(dǎo)致壓力傳感器感應(yīng)到壓力值小于設(shè)定壓力范圍值時(shí)，則反向地重復(fù)該過(guò)程；若回灌水流量增大導(dǎo)致壓力傳感器感應(yīng)到壓力值大于設(shè)定壓力范圍值時(shí)，則重復(fù)動(dòng)作過(guò)程時(shí)，抽水-回灌兩用閥開(kāi)啟度達(dá)到最大時(shí)，則液壓油缸觸動(dòng)限位開(kāi)關(guān)，同時(shí)油壓力傳感器的感應(yīng)壓力達(dá)到了最大設(shè)定值，兩者同時(shí)給PLC發(fā)信號(hào)，此刻繼電器斷開(kāi)、液壓泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，抽水-回灌兩用閥開(kāi)啟度停在最大開(kāi)度運(yùn)行。

回灌工況，回灌水在輸水管內(nèi)向下流動(dòng)，當(dāng)流動(dòng)到止回閥時(shí)，由于止回閥是關(guān)閉狀態(tài)，回灌水在輸水管內(nèi)逐漸集累，當(dāng)積累到一定高度，回灌管內(nèi)開(kāi)始有壓力，回灌水流按回灌工況回灌，回灌管內(nèi)從此始終有壓力，回灌水從抽水-回灌兩用閥的開(kāi)孔中流出，水流是有壓流，而不是自由落水流。

4 效果評(píng)估

ASR裝配完成后，分別在自動(dòng)控制狀態(tài)下、手動(dòng)全開(kāi)狀態(tài)下、手動(dòng)半開(kāi)狀態(tài)下，對(duì)國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)壓力、回灌流量、活塞開(kāi)度、靈敏性等進(jìn)行測(cè)試。

1）自動(dòng)狀態(tài)下試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定在穩(wěn)定回灌水管內(nèi)壓力的前提條件下，看回灌流量是否存在變化，且與活塞開(kāi)度是否成正比變化；

2）手動(dòng)全開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定活塞開(kāi)度為100%條件下，看回灌流量是否存在變化，且與壓力是否成正比變化；

3）手動(dòng)全開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定活塞開(kāi)度為50%條件下，看回灌流量是否存在變化，且與壓力是否成正比變化。

自動(dòng)狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，試驗(yàn)各參數(shù)變化過(guò)程如圖3所示；手動(dòng)全開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，試驗(yàn)各參數(shù)變化過(guò)程如圖4所示；手動(dòng)半開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，試驗(yàn)各參數(shù)變化過(guò)程如圖5所示。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，在自動(dòng)狀態(tài)下，活塞開(kāi)度可以隨著回灌流量增大而成正比例調(diào)整，以便穩(wěn)定回灌水管內(nèi)壓力；在手動(dòng)全開(kāi)狀態(tài)下和半開(kāi)狀態(tài)下，活塞開(kāi)度一定，回灌流量越大則回灌水管內(nèi)壓力越大，但活塞開(kāi)度50%條件下，回灌流量與回灌水壓力正比例關(guān)系更加明顯，這也說(shuō)明，開(kāi)度越小，控制調(diào)節(jié)回灌流量和壓力越靈敏?？傮w而言，國(guó)產(chǎn)設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)論相吻合。

表1 自動(dòng)狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表2 手動(dòng)全開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表3 手動(dòng)半開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖3 自動(dòng)狀態(tài)下試驗(yàn)各參數(shù)變化過(guò)程

圖4 手動(dòng)全開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)各參數(shù)變化過(guò)程

圖5 手動(dòng)半開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)各參數(shù)變化過(guò)程

地下水灌抽兩用井的研制與應(yīng)用，效果良好，對(duì)于優(yōu)化地下水含水層開(kāi)發(fā)利用，提高水資源調(diào)蓄能力，緩解供需矛盾，保護(hù)地下水環(huán)境等具有重要的實(shí)用價(jià)值及現(xiàn)實(shí)意義。其一井兩用的特性，經(jīng)濟(jì)科學(xué)，如今又輔以智能化，值得在水資源短缺地區(qū)、海水入侵區(qū)域及地下水超采區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用，可有效的緩解水資源緊張的狀態(tài)，提高水資源綜合利用率，涵養(yǎng)地下水資源，恢復(fù)地下水生態(tài)環(huán)境。

[1] 崔祥琨，孫坤．地下水污染與預(yù)防[J].科技信息，2009，25:341.

[2] 胡志榮，曹萬(wàn)金，任清潮，楊保全．地下水超采及其環(huán)境影響研究[J].水資源保護(hù)，1995（2）:37-41.

[3] 吳興波.濟(jì)南人工回灌補(bǔ)源保泉試驗(yàn)研究[D].武漢:武漢大學(xué),2004.

[4] 杜新強(qiáng),冶雪艷,路瑩等.地下水人工回灌堵塞問(wèn)題研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2009,24(8):973-978.

[5] 劉青勇,潘世兵,武曉峰等.地下水回灌補(bǔ)源防治咸水入侵技術(shù)研究—以山東省廣饒縣為例 [J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2006,15(3):96-100.

（責(zé)任編輯 遲明春）

P641.8

B

1009-6159（2017）-10-0019-04

高印軍（1967—），男，副院長(zhǎng)，研究員

水利部“948”計(jì)劃項(xiàng)目（201227）資助