張春雷，古今用，伯彥萍

（貴州省水利科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550000）

引 言

我國西南部地區(qū)大多為山區(qū)，雖然水資源較為豐富，但分布極不均勻，許多地區(qū)嚴(yán)重缺水，必須通過相關(guān)提水技術(shù)應(yīng)用，才能滿足部分地區(qū)民眾用水需求。當(dāng)前，國內(nèi)很多地區(qū)在飲水工程建設(shè)中，常采用傳統(tǒng)的機(jī)電提水技術(shù)，這一技術(shù)雖能緩解大部分地區(qū)的水資源緊缺問題，但建設(shè)成本相對較高，同時(shí)，在提水過程中，還會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，為解決這一矛盾，已開發(fā)出一種自然能提水技術(shù)，這一技術(shù)在應(yīng)用實(shí)踐中已取得較好效益。為驗(yàn)證該提水技術(shù)的推廣應(yīng)用可行性，文章通過對自然能提水技術(shù)與機(jī)電提水技術(shù)在工程應(yīng)用中的適應(yīng)性、資源配置、環(huán)保節(jié)能等指標(biāo)的對比，為相關(guān)企業(yè)在飲水工程建設(shè)中科學(xué)選取提水方案提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 傳統(tǒng)機(jī)電提水技術(shù)與自然能提水技術(shù)概述

1.1 機(jī)電提水技術(shù)

機(jī)電提水技術(shù)是當(dāng)前眾多飲水工程建設(shè)中應(yīng)用最為普遍的一種技術(shù)，其工作原理就是在相關(guān)電氣設(shè)備的驅(qū)動下，水泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)，將低處水資源輸送至設(shè)計(jì)高程，以滿足上游缺水地區(qū)的用水需求。在機(jī)電提水技術(shù)應(yīng)用中，最主要的設(shè)施設(shè)備主要有輸電線路、變電設(shè)備、機(jī)電設(shè)備、水泵及提水管道等，系統(tǒng)運(yùn)行流程是啟動電機(jī)，在電機(jī)驅(qū)動下，水泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)，將水提升至設(shè)計(jì)高程，實(shí)現(xiàn)取水操作，這一過程其實(shí)就是消耗電能實(shí)現(xiàn)提水的過程[1]。

1.2 自然能提水技術(shù)

自然能提水是最近幾年才被開發(fā)出來的一種提水技術(shù)，該技術(shù)核心是自然能水泵，在水力作用下，水泵高速運(yùn)行，從而將水提升至設(shè)計(jì)高程。其過程主要是將水能轉(zhuǎn)化為動能的過程。水能的產(chǎn)生要求水具備一定的流速，同時(shí)還需要有一定的落差，因此，在應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)時(shí)，需準(zhǔn)確計(jì)算水流量及高差，其提水原理和設(shè)備布置見圖1、圖2。

圖1 自然能提水原理示意圖

圖2 自然能提水設(shè)備安裝示意圖

2 機(jī)電提水與自然能提水的應(yīng)用比較

2.1 適應(yīng)性比較

2.1.1 機(jī)電提水

從當(dāng)前國內(nèi)飲水工程建設(shè)實(shí)際情況來看，機(jī)電提水技術(shù)是目前應(yīng)用最為普遍的技術(shù)，但機(jī)電提水技術(shù)應(yīng)用有著一定的要求，即持續(xù)穩(wěn)定的電力資源。目前，國內(nèi)輸電網(wǎng)絡(luò)密集，電力資源較為豐富，尤其在西南地區(qū)，輸電網(wǎng)絡(luò)已實(shí)現(xiàn)全覆蓋，為機(jī)電提水技術(shù)應(yīng)用提供了便利條件。至于電力資源的供應(yīng)，也是非常有保障的，從此角度出發(fā)，可確定機(jī)電提水技術(shù)具備較強(qiáng)適應(yīng)性，能夠適應(yīng)城鄉(xiāng)飲水工程建設(shè)應(yīng)用要求。

2.1.2 自然能提水

顧名思義，自然能提水技術(shù)就是借助自然能實(shí)現(xiàn)水源提取。在自然能技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐中，水流在通過一定落差后形成水能勢能，相關(guān)設(shè)備在水能驅(qū)動下高速運(yùn)行，從而將低處水資源提升至設(shè)計(jì)高程。從此觀點(diǎn)出發(fā)，自然能提水技術(shù)應(yīng)用需具備水資源量及高差兩項(xiàng)基本條件。而在具體應(yīng)用實(shí)踐中，自然形成的高差畢竟有限，當(dāng)水源地水資源量具備自然能技術(shù)應(yīng)用條件時(shí)，可選擇人工制造高差方式實(shí)現(xiàn)：①在水源上游修建攔河壩，抬高水位，形成落差；②沿下游河道安裝管道，形成落差。所以說，只要有水流，便可通過人工干預(yù)形成高差。應(yīng)用實(shí)踐表明，在水流量一定條件下，落差越大，提水揚(yáng)程就越高；當(dāng)落差一定時(shí)，水流越大，提水揚(yáng)程也就越高，二者只要具備其一，就能實(shí)現(xiàn)自然能提水，因此，自然能提水技術(shù)適用性存在一定的局限性，僅適合水源豐富、地形有一定高差條件的地區(qū)，對于平原地區(qū)不適用。

2.2 節(jié)能環(huán)保效益及運(yùn)行成本比較

傳統(tǒng)的機(jī)電提水，需借助電能帶動水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)提水目的。為有效保障泵站運(yùn)行穩(wěn)定性，必須進(jìn)一步提升電能供應(yīng)穩(wěn)定性，以保證能有持續(xù)不斷的穩(wěn)定電能供應(yīng)。實(shí)質(zhì)上，機(jī)電提水過程就是能量轉(zhuǎn)換過程，泵站運(yùn)行期間不會排放、不會產(chǎn)生有害于自然環(huán)境的物質(zhì)，環(huán)保效益比較高。但在泵站運(yùn)行過程中，提水揚(yáng)程及水流量與電能消耗成正比例關(guān)系，即揚(yáng)程越高、流量越大，所消耗的電能就越多，因此，對于飲水公司而言，會產(chǎn)生大量生產(chǎn)成本。自然能提水核心是水能，水能是一種自然能，只要擁有自然能提水條件，系統(tǒng)便不會停止運(yùn)行，始終發(fā)揮出巨大能量。在自然能技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐中，水量不會發(fā)生變化，既環(huán)保，又經(jīng)濟(jì)，因此，在西南地區(qū)具備較好的發(fā)展?jié)摿?，成為目前西南片區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉、飲水工程建設(shè)中最高效、最環(huán)保、最經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用技術(shù)[2]。

2.3 運(yùn)行管理比較

為保障機(jī)電提水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，必須要給予其充足的電源供給；其次，要進(jìn)一步完善控制系統(tǒng)，以便于其根據(jù)用水時(shí)限及流量自行控制設(shè)備啟停，即用水區(qū)域水資源缺乏時(shí)，設(shè)備自行啟動，實(shí)現(xiàn)水資源提取，當(dāng)水量達(dá)到用水要求后，設(shè)備自行停機(jī)，這樣不僅能減少水資源及電力資源的浪費(fèi)，還能減少用水戶的經(jīng)濟(jì)損失。隨著自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，已逐步完善的自動控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于機(jī)電提水系統(tǒng)之中，已實(shí)現(xiàn)了無人操作，然而，自動控制系統(tǒng)很容易在應(yīng)用實(shí)踐中出現(xiàn)各種故障，使相關(guān)企業(yè)耗費(fèi)大量維修成本。

自然能提水可以說是一種全自動提水技術(shù)，在技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐中不僅不需要電能支持，也無需人工干預(yù)，當(dāng)設(shè)備投入運(yùn)用后，即可實(shí)現(xiàn)全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，為人們輸送穩(wěn)定的水資源，越來越受到人們的追捧[3]。

2.4 投資比較分析

2.4.1 機(jī)電提水

上文說到，機(jī)電提水技術(shù)應(yīng)用需用到電能，因此，在系統(tǒng)建設(shè)實(shí)踐之中，需進(jìn)行輸電線路架設(shè)、變電設(shè)備安裝及泵站、輸水管道安裝等工作，因此，建設(shè)之處會耗費(fèi)大量投入成本，投資大小會受到輸電線路長度及提水揚(yáng)程高度的影響，輸電線路越長，揚(yáng)程越高，所耗費(fèi)的成本就越大[4]。

2.4.2 自然能提水

在自然能提水技術(shù)應(yīng)用中，前期投資主要由引流管道安裝、提水設(shè)備安裝及攔河壩修建等投入。因自然能技術(shù)應(yīng)用需要有水流落差，而自然形成的落差較少，只能通過人工制造，即修建攔河壩，使水位抬高，形成水能勢差，從而在提水設(shè)備作用下將水輸送至設(shè)計(jì)高程。在自然能提水技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐中，投資最大的就是提水設(shè)備，它是將水能轉(zhuǎn)化為動能，使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的主要設(shè)備，一般的，需耗費(fèi)100萬元以上，這與機(jī)電提水裝置建設(shè)相比，高出了十倍，甚至幾十倍。而與機(jī)電提水工程建設(shè)中的輸電線路架設(shè)相比，自然能提水技術(shù)中的攔河壩或引水動力管投資相差較小，僅在幾萬元之內(nèi)，而提水管道規(guī)模及投資相差不大，此處不予比較。所以說，二者在工程建設(shè)中所需設(shè)備區(qū)別不大，但造價(jià)方面，自然能提水技術(shù)要比機(jī)電提水技術(shù)高出十倍到數(shù)十倍。

例如，貴州某山區(qū)飲水工程建設(shè)中，項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)為解決7各村2 500多人的生活用水問題。第一方案設(shè)計(jì)為機(jī)電提水，項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容主要包括提水工程、供水工程兩部分。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，輸電線路需架設(shè)1.5 km。提水揚(yáng)程550 m,再加之供水到戶，總預(yù)算投資825.5萬元[5]?？紤]到該地區(qū)揚(yáng)程太高，工程建成后，單位提水成本將達(dá)到5.8元/m3，這對當(dāng)?shù)鼐用駚碚f，無力承擔(dān)如此高昂的用水價(jià)格；經(jīng)多方商議，提出自然能提水方案，綜合各項(xiàng)建設(shè)指標(biāo)，預(yù)算投資898.07萬元，雖比方案一高72.57萬元，但考慮到該方案實(shí)施后，提水成本幾乎為零，供水成本將大大降低，僅需要支付工程運(yùn)行管理費(fèi)用，提水成本僅為1.3元/m3，當(dāng)?shù)鼐用裢耆心芰Τ袚?dān)。

3 兩種方法優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1 機(jī)電設(shè)備提水的優(yōu)缺點(diǎn)

與自然能提水技術(shù)相比，機(jī)電提水技術(shù)具備更強(qiáng)的適用性，只要有電覆蓋的地方皆可實(shí)現(xiàn)取水應(yīng)用，此外，機(jī)電取水系統(tǒng)建設(shè)中，前期投資較小，但后期應(yīng)用實(shí)踐中會耗費(fèi)大量電力成本，因此，整體經(jīng)濟(jì)性不高。例如，貴州某地區(qū)在飲水工程建設(shè)中，采用機(jī)電提水方案，水源地距離用水地僅600 m高程，架設(shè)電線3.7 km，綜合后期運(yùn)用過程中產(chǎn)生的電費(fèi)消耗，每立方水的成本達(dá)到4.1元，成為當(dāng)?shù)鼐用褡钪匾慕?jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，因此，很多人寧愿不用，繼續(xù)選擇挑水，使得該項(xiàng)工程無法發(fā)揮出應(yīng)用價(jià)值。

3.2 自然能提水優(yōu)缺點(diǎn)

自然能提水是在生態(tài)友好型經(jīng)濟(jì)建設(shè)過程中被研發(fā)出的一種新型提水技術(shù)，它是利用地形優(yōu)勢，以水為動力，在落差作用下，水流被輸送至設(shè)計(jì)高程。綜合應(yīng)用實(shí)際效果來看，主要具備以下幾大優(yōu)勢：首先，該技術(shù)應(yīng)用對環(huán)境要求低，只要有水源，有高差之勢，即可實(shí)現(xiàn)取用水，提水高程可根據(jù)現(xiàn)場條件被提升至幾十米甚至幾百米；其次，運(yùn)行成本低。雖然自然能提水工程建設(shè)初期，提水設(shè)備建設(shè)會耗費(fèi)大量成本，但建成后，投入運(yùn)營過程中，無需其他能源消耗，也無需頻繁維修、更換相關(guān)設(shè)備，運(yùn)行成本幾乎為零，另外，待設(shè)備安裝完成后，無需人工值守，養(yǎng)護(hù)也較為簡單，設(shè)備使用壽命較長；最后，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，無需停機(jī)休息，可實(shí)現(xiàn)24 h不間斷提水，提水效率也不會受氣候條件影響。此外，運(yùn)用過程中也不會造成水量減少，環(huán)保性極強(qiáng)，尤其在云貴川等地山區(qū)飲水工程建設(shè)中非常實(shí)用[6]。

4 結(jié) 語

文章從工程適用性、運(yùn)行管理、節(jié)能環(huán)保及工程投資等方面對自然能提水技術(shù)及傳統(tǒng)機(jī)電提水技術(shù)進(jìn)行類比分析，對兩種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了概括性總結(jié)。兩種提水技術(shù)各有利弊，在工程應(yīng)用實(shí)踐中，需結(jié)合當(dāng)?shù)厮礂l件科學(xué)選取提水方案。如果水源條件具備水量及落差要求，可優(yōu)先選擇自然能提水方案，如果水源地不具備自然落差條件，也無法完成人工制造落差，就只能選擇機(jī)電設(shè)備提水。