第三届全国大学生水利创新设计大赛设计说明书

1、第三届全国大学生水利创新设计竞赛工作设计说明作品名称：连接器高效节水灌溉水源系统系名：安徽农业大学工学院参加会员：温孤、何帆、林茂林连接装置高效节水灌溉水源系统设计师：1、何帆1、林茂林1教员：朱梅1(1)安徽农业大学科技学院(安徽合肥)工作内容简介该连接装置的高效节水灌溉水源系统将连接装置原理应用于传统的管道输水灌溉水源系统，是由蓄水面高于地面的水库和多功能取水装置通过地下管网连接而成的大型网格状连接装置系统。系统中的水位和地面之间存在一定的水位差。它可以根据适当的取水距离，将一定区域内的所有水源进行转移和复制，形成一个统一的、网格状的水源网络。它可以通过静压输送提供灌溉用水。整个输水过程不

2、需要耗电。只有加压管道可以用来将水资源输送到用水地点。它能为大面积灌溉提供充足、廉价和方便的水源。该系统由独立的系统单元组成。系统单元由一个蓄水池和40个多功能取水装置组成，通过地下管网连接。多个单元相互连接形成一个大规模的水源系统。系统单元布局达到3.645km2，受益面积可达5447.5亩。在实验中，实际尺寸缩小了十倍。地下输水管道以90毫米为一个单元。输水管道、多功能取水装置和蓄水池之间设有螺栓和法兰。整个实验装置可以拆卸。关键词：连接器原理；高效节水灌溉；管道输水；1.研究背景：目前，我国水资源十分短缺，农业用水浪费极其严重。传统的洪水灌溉方法使农业成为主要的用水者。其用水量占全国总用

3、水量的70%以上，而水的有效利用率仅为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0.85公斤，远远低于发达国家每立方米水的粮食生产能力2公斤以上。改变人们几千年来的传统灌溉习惯，少用水获取较高的产出效益，推广高效节水灌溉技术是一项重要任务，也是缓解我国水资源短缺的途径之一，也是现代农业发展的必然选择。高效节水灌溉是所有运输和灌溉方式的总称，除了土壤渠道输水和地面洪水灌溉。目前，高效节水灌溉技术包括多种方法。例如，根据灌溉技术的发展过程，输水方式一般在土壤渠道的基础上经过防渗渠道和管道输水两个阶段，而灌溉方式在地面漫灌的基础上发展为喷灌、微灌甚至地下滴灌。本文认为，除了

4、输水灌溉(用水)技术的发展有利于实现高效节水灌溉外，水资源系统的建设不容忽视。当前的高效节水灌溉实践主要集中在推广管道输水方式、使用先进的灌溉技术和灌溉设备上，核心是努力提高用水效率。然而，提高用水效率并不能改善取水条件和降低水价。没有方便廉价的水源，高效节水灌溉将难以推广。2.管道输水现状调查管道输水被认为是实施高效节水灌溉技术的途径之一。浙江平湖的地下灌溉管道系统被誉为共和国的“最”，在提到管道运输时必须提及。为了解决灌溉取水条件问题，平湖市花了44年时间铺设了3000公里长的输水管道，解决了47万亩耕地的灌溉用水问题。它被誉为“共和国50大水资源”之一。该项目自1999年竣工以来，已经运

5、行了十多年。在项目运营初期，地下管道灌溉可以大大提高农田的灌溉效率，有效降低灌溉成本，有利于规划、合理、科学地利用农时用水，同时消除或大大减少灌溉渠道的坍塌、渗漏、溢流和堵塞问题。与传统的灌溉土渠相比，这种地下管道输水方式确实起到了预期的节水、增效、节地的良好作用。然而，在使用过程中，也发现了一些问题。由于时间和人为因素，一些早期修建的地下管线开始沉积。涵管内流速较慢，容易沉积泥沙，造成管道堵塞，进而影响管网供水能力。通过实地调查研究，平湖市有500多公里的地下灌溉管道存在不同程度的淤积，部分地下管道的淤积厚度甚至达到15厘米以上，导致运河水利用系数降低，电耗成本增加，直接影响农田的正常灌溉。

6、经过技术开发和改进，采用当地管道机械清淤技术后，清淤费用需要每公里2万元左右。维护费用的支出必须引起对地下管道灌溉系统效率的深入思考。只有地下管道灌溉系统不可避免地带来系统的运行和维护成本。如何克服它的缺点已经成为一个探索的方向。3.该连接装置的高效节水灌溉水源系统为管道输水提供了保障该连接装置的高效节水灌溉水源系统传达了一种新型的输水理念。系统单元由蓄水位高于地面的水库和40个多功能取水装置通过地下管网连接组合而成。连接装置的高效节水灌溉水源系统中的水位与地面有一定的水位差，灌溉水通过静压输送的加压管道提供。该连通装置的工作原理是取水时，打开容器上的进水阀，将容器内的水抽出，使容器内的液位下

7、降。此时，其他容器中的水将自动流向容器，导致其他容器中的水位相应下降。此时，如果通过进水阀向容器中加入与取出量相等的水，所有容器的液位将恢复到原来的高度并保持相等。如果连续注入水，可以从任何容器中连续取出相同量的水。利用这一原理，实现了水资源的转移和重复利用。图1连接器水源转移和复制示意图(1)-1号集装箱；(2)-2号集装箱；(3)-容器3；(4)-容器1的液位；(5)-容器2的液位；(6)-容器3的液位；(7)-液体(水)；(8)-连接管；(9)-入口阀；(10)-容器2的进水阀；(11)-容器3的进水阀该系统使用提水设备通过最近的蓄水池或多功能取水装置将水从水源注入系统。根据连接装置的原

8、理，来自水源的水将自动通过管网流向远离水源的其他水库和多功能取水装置，直至系统中各水库和多功能取水装置的水位相等，形成系统水位，形成要求由独立单元组成的连接器高效节水灌溉水源系统的单元平面布局如图2所示。由纵横间距300米的网格状多功能取水口组成，可为4.5平方公里的耕地提供40个多功能取水口，相当于将该区域有限的水源转移和复制成40个均匀分布的灌溉水源，保证最大取灌溉水距离不超过150米.通过系统单元接口，系统可以扩展，多个单元相互连接形成一个更大的系统。在平在原来的区域，该系统可以扩展到100多平方公里。图2系统单元布局(1)-水库；(2)-水源；根据安徽省市政工程设计研究院提供的水头损失

9、理论计算程序，进行了沿线水头损失的计算。结果如表1所示。从表中可以看出，系统的失水相对较低。累积水头损失足以由高出地面1.5m-2.0m的水库水位提供。不需要提供额外的动能，这可以明显降低动能消耗。位置交通管径距离水损失(m)累积失水(m)12304003000.171-1692503000.1851-2462503000.0881-3232503000.0250.46821384003000.0662-1462503000.0882-2232503000.0250.3493694003000.0193-1232503000.0250.284234003000.0030.258洒水装置的莲蓬头

10、231001351.0171.485表1水头损失计算结果该系统的另一个重要组成部分是多功能取水装置。设备的水位与系统水位一致，并由系统保持。由于多功能进水装置中的水位高于灌溉进水阀的水位，灌溉水可以通过灌溉进水阀直接从系统中抽取，而不消耗电能。图3多功能取水装置结构图1-盲板；2-注水接口法兰；3-水位维护水管；4-灌溉进水阀；5-虹吸管出口管；6-管网接口；7-沉淀池；8-沉积物；9-水；10-单位水位每一个多功能取水装置都是系统的一个节点，它不仅可以提供灌溉用水，还可以从水源取水。当多功能取水装置远离水源时，水位保持管上端的注水接口法兰可被盲板盲死，多功能取水装置通过管网接口接收系统的水，

11、以维持水位并提供灌溉用水；当多功能取水装置靠近水源时，水位保持管上端的盲板可以打开，注水接口法兰与水源连接，保持装置的水位，提供灌溉用水，水通过管网接口输送到系统，保持系统的水位。此外，在污水排放方面，多功能进水装置配有虹吸管出水管尤为重要。当需要从灌溉进水阀中抽取灌溉水时，虹吸出水管在抽取灌溉水的同时自动将沉淀池中的泥沙吸出，实现污水自动排放。从以上可以看出，该系统的总体工程实现方法是根据系统水位差和缓冲存储容量的要求来确定蓄水池和多功能取水装置的高度以及蓄水池的容量。根据取水距离要求确定多功能取水装置的间距和位置；其次，铺设地下管网连接水库和多功能取水装置。通过上述步骤，可以形成由管网、水

12、库和多功能取水装置组成的大型网格状连接器，为灌溉水源系统高效节水。4.创新功能该系统的主要创新特征如下：第一，一定范围内有限数量的水源可以转化为统一布局、使用方便、数量合理、水量充足的水源网络，从而大大延长该系统根据需要的位置和数量对传统的管道灌溉水源进行转移和复制，形成灌溉水源网络，为各种灌溉方式提供充足、方便、廉价的水源。与传统管道输水相比，该系统使用寿命长、能耗低，能更有效地利用农业水资源，降低农业用水成本，解决了传统方案中人工清淤和机械清淤的不便，是灌溉集中管理和控制的平台，是实现集约化、规模化、现代化农业生产管理的基本条件之一，是提高单位面积耕地产出能力， 为农田水利基本建设改革提供了有效途径，是治理沙漠的有效工具，具有很高的社会效