第三届全国大学生水利创新设计大赛设计说明书

第三届全国大学生水利创新设计大赛 作品设计说明书 作品名称 连通器高效节水灌溉水源系统 院系名称 安徽农业大学工学院 参赛成员 顾 雯 何 凡 林茂林 连通器高效节水灌溉水源系统连通器高效节水灌溉水源系统 设计者 顾雯 1 何凡1 林茂林1 指导教师 朱梅 1 1 安徽农业大学 工学院 安徽合肥 230036 作品内容简介作品内容简介 连通器高效节水灌溉水源系统将连通器原理利用到传统的管道输水灌溉水 源系统中 它是由蓄水水面高于地面的蓄水池和多功能取水装置通过地下管网 连接组成的大型网格状连通器系统 系统内的水平面与地面存在一定的水位差 它可以将一定区域内的所有水 源按合适的取水距离进行转移和复制 形成一个均匀的 网格状布置的水源网 可以用静压输送的方式提供灌溉用水 整个输水过程不需要消耗动力 仅利用 有压管道即可将水资源运输到需水处 可以在很大面积范围内为灌溉提供充分 的 廉价的 使用方便的水源 本系统由独立的系统单元组成 系统单元由一 个蓄水池和四十个多功能取水装置由地下管网连接组成 多单元相互连接 可 组成一个规模庞大的水源系统 该系统单元平面布置达 3 645km2 受益面积可 以达到 5447 5 亩 实验中 将实际尺寸缩小十倍 地下输水管道以 90mm 为一 个单元 输水管道 多功能取水装置以及蓄水池之间全设置了螺栓与法兰 整 个实验装置可以拆卸 关键词关键词 连通器原理 高效节水灌溉 管道输水 1 1 研究背景 研究背景 目前我国水资源十分紧缺 而农业用水浪费极为严重 传统的大水漫灌方 式使农业成了用水大户 其用水量占全国总用水量的 70 以上 而水的有效利 用率只有 30 40 仅为发达国家的一半左右 每立方米水的粮食生产能力只 有 0 85kg 远远低于发达国家每立方米水的粮食生产能力达到 2kg 以上的水平 改变人们千百年来传统的灌溉习惯 用较少的水获得较高的产出效益 推广高 效节水灌溉技术是一项重任 也是缓解我国水资源紧缺的途径之一 更是现代 农业发展的必然选择 高效节水灌溉是对除土渠输水和地表漫灌之外所有输 灌水方式的统称 当前高效节水灌溉技术包括很多方式 比如根据灌溉技术发展的进程 输水方 式在土渠的基础上大致经过防渗渠和管道输水两个阶段 灌水方式则在地表漫 灌的基础上发展为喷灌 微灌 直至地下滴灌 本文认为除了输水和灌水 用 水 两种技术的发展有利于实现高效节水灌溉以外 水源系统建设不容忽视 目前的高效节水灌溉实践 主要集中于推广管道输水方法 使用先进的灌 溉技术和灌溉设备 核心都是设法提高水的使用效率 但是 提高水的使用效 率 并不能改善取水条件和降低水的价格 而没有方便 廉价的水源则高效节 水灌溉将难以推广 2 2 管道输水方式现状调研管道输水方式现状调研 管道输水被认为是实施高效节水灌溉技术的方式之一 提到管道输水不得 不提到被誉为 共和国之最 的浙江平湖的地下灌溉管道系统 平湖市为解决 灌溉取水条件问题 用了 44 年时间 敷设了 3000km 输水管线 为 47 万亩耕地 解决了灌溉用水问题 被誉为 50 个 共和国水利之最 之一 该工程自 1999 年竣工以来 运行了十余年 在项目运行初期 地下管道灌溉能大大提高农田 灌溉效率 有效降低灌溉成本 有利于农时季节计划用水 合理用水 科学用 水 同时消除或极大地减少了灌溉渠道的坍 漏 溢 堵等难题 与传统的灌 溉土渠相比 这种地下管道输水方式的确起到了预期的节水 增效 节省土地 等良好的作用 但是在其使用过程中 也发现了一些问题 由于时间和人为因素 一些建 设较早的地下管道开始出现了淤积 暗渠式输水管道管内流速较慢 泥沙易沉 积 造成管道於堵从而进一步影响到管网的供水能力 通过实地调查研究 平 湖全市有 500 多公里的地下灌溉管道存在不同程度的管道淤积现象 有的地下 管道淤积厚度甚至达到 15cm 以上 造成渠系水利用系数降低 电耗成本增加 直接影响到农田正常灌溉 经过技术发展和改进 当地采用管道机械疏通技术后 每公里需投入 2 万 元左右的疏通成本 这项维护费的支出不得不引发出对地下管道灌溉系统效率 的深层次思考 仅仅是地下管道方式的输水灌溉系统难免带来系统的运行维护 成本 怎样克服其劣势 成为一个探索方向 3 3 连通器高效节水灌溉水源系统为管道输水提供保障连通器高效节水灌溉水源系统为管道输水提供保障 连通器高效节水灌溉水源系统传达一种新型的输水概念 系统单元由一个 蓄水水平面高于地面的蓄水池和四十个多功能取水装置通过地下管网连接组合 而成 连通器高效节水灌溉水源系统内的水平面与地面存在一定的水位差 通 过有压管道利用静压输送的方式提供灌溉用水 连通器的工作原理是 当取水时 打开容器上的取水阀 容器中的水被取 出 导致容器内的液面下降 这时 其他容器中的水将自动向该容器流动 导 致其他容器的水位也随之下降 此时 如果通过进水阀向某容器中补进与被取 出量相等的水 则所有容器的液面将恢复原有的高度并保持相等 如果连续注 水 则可以连续从任一容器中中取出与注入量相同的水 利用这一原理 就实 现了水源位置的转移以及水源点的复制 图 1 连通器转移 复制水源原理图 1 容器 1 2 容器 2 3 容器 3 4 容器 1 液面 5 容器 2 液面 6 容器 3 液面 7 液体 水 8 连通管 9 进水阀 10 容器 2 取水阀 11 容器 3 取水阀 该系统利用提水设备将水源的水通过距离最近的蓄水池或多功能取水装置 注入系统 根据连通器原理 来自水源的水将通过管网自动流向远离水源的其 它蓄水池和多功能取水装置 直至系统的每个蓄水池和多功能取水装置的水位 相等 形成系统水位 并与地面形成需要的水位差 当灌溉设备需要从某一个 多功能取水装置取水灌溉时 会引起这个多功能取水装置的水位下降 这时 根据连通器原理 其它蓄水池和多功能取水装置的水就会自动向这个多功能取 水装置流动 以使其保持与系统相同的水位 当系统的水位下降到一定范围时 系统将启动提水设备 提取水源的水来恢复系统水位 以保证灌溉持续进行 一个独立单元组成的连通器高效节水灌溉水源系统的单元平面布置如图 2 它是由纵横间隔均为 300m 的网格状布置的多功能取水装置组成的 可为 4 5km2的耕地提供 40 个多功能取水装置 相当于将区域内有限的水源转移 复 制成 40 个均匀分布的灌溉水源点 以保证获得灌溉用水的最远距离不超过 150m 通过系统单元接口 系统可以扩展 多个单元相互连接 可以组成更大 的系统 在平 原地区 系统可以扩展到百平方公里以上 图 2 系统单元平面布置 1 蓄水池 2 水源点 通过采用安徽省市政工程设计院提供的水头损失理论计算程序 进行了沿 程水头损失的计算 结果如表 1 所示 由表可见 系统水损较低 累计水头损 失足够用蓄水池水位提供的高于地面 1 5m 2 0m 的水位来提供 不需要再提供 额外的动能 可明显降低动能消耗 位置流量管径距离水损 m 累计水损 m 12304003000 17 1 1692503000 185 1 2462503000 088 1 3232503000 0250 468 21384003000 066 2 1462503000 088 2 2232503000 0250 349 3694003000 019 3 1232503000 0250 28 4234003000 0030 258 喷头231001351 0171 485 表 1 水头损失计算结果表 该系统的另一个重要组成部分是多功能取水装置 该装置水位与系统水平 面一致 并由系统维持 由于多功能取水装置内的水位高于灌溉取水阀 这样 通过灌溉取水阀可以从系统内直接引出灌溉用水而无需消耗动力 图 3 多功能取水装置结构图 1 盲板 2 注水接口法兰 3 水位保持水管 4 灌溉取水阀 5 虹吸出水管 6 管网接口 7 沉淀箱 8 泥沙 9 水 10 装置水位 每个多功能取水装置都是系统的一个节点 既可以提供灌溉用水 也可以 接入水源点的来水 当多功能取水装置距水源地较远 可将水位保持管上端的 注水接口法兰用盲板盲死 多功能取水装置通过管网接口接受系统来水保持水 位并提供灌溉用水 当多功能取水装置与水源地较近 可将水位保持管上端的 盲板打开 通过注水接口法兰接入水源地来水保持装置水位和提供灌溉用水 并通过管网接口向系统输水 保持系统水位 除此之外 特别重要的是在排污方面 多功能取水装置配备了虹吸出水管 当需要从灌溉取水阀引出灌溉用水时 虹吸出水管在向外吸出灌溉用水的同时 自动将沉淀箱内的泥沙一同吸出 实现自动排污 由上述可知 系统整体的工程实施方法是先按系统水位差要求和缓冲蓄水 量要求确定蓄水池和多功能取水装置的高度及蓄水池的容量 再按取水距离要 求确定多功能取水装置的间隔和位置 其次铺设地下管网将蓄水池和多功能取 水装置进行连接 通过以上步骤 便可形成一个由管网 蓄水池和多功能取水 装置组成的大型网格状连通器高效节水灌溉水源系统 4 4 创新特色创新特色 系统主要创新特色有以下两个方面 第一 可将一定范围内数量有限的水源点转变为均匀布置 使用方便 数 量合理且水量充分的水源网 大幅度延长现有水源的有效灌溉半径 第二 系统采用了无动力一级过滤两级自动虹吸排污技术 防止了管道淤 积 系统无须专门维护 5 5 应用前景应用前景 本系统将传统的管道输水灌溉水源按要求的位置和数量进行转移和复制 形成一个灌溉水源网 可以为各种灌溉方式提供充分的 使用方便的 廉价的 水源 与传统管道输水相比 该系统寿命长耗能低 能够更有效的利用农业用 水资源并降低农业用水成本 解决了传统方案中人工清淤及机械清淤的不便 是对灌溉实现集中管理和控制的平台 是实现农业生产管理集约化 规模化 现代化的基础条件之一 是提高单位面积耕地产出能力 为农田水利基本建设 的变革提供了有效的途径 是荒漠治理的有效工具 具有非常高的社会效益和