關于江河光伏提水灌溉的排沙取水問題的探討

摘 要 灌溉農業在大背景下發展得越來越好，各種各樣的灌溉裝置相繼出現，水泵在提水灌溉中占有非常重要的地位。水泵在工作過程中極易損壞的一個重要原因是水中含有大量的泥沙和污垢雜質，會堵塞水泵、損壞葉片和燒壞電機等一系列問題，嚴重影響灌溉系統的正常使用和造成不必要的經濟損失。針對光伏揚水系統的水泵、閘閥和管道裝置由于被江河水中的泥沙等雜質堵塞導致水泵受損，壽命較短、維修難度大、維護成本高和能源利用不充分等問題，提出一種用于江河流域基于光伏提水的排沙去污裝置在源頭取水處就進行過濾排沙去污處理，利用深溝渠從江河取水，淺溝渠取深溝渠中的上層水，引水到濾池再過濾，最后由抽水泵將層層過濾后的水引到目的地，可有效解決水泵損壞問題，降低江河提水灌溉系統的日常維護成本。

關鍵詞 光伏揚水；水泵受損；排沙除泥

中圖分類號：TV145 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.20.050

光伏揚水系統無污染，不消耗常規能源，運行無噪聲，供水量與需水量適配性好，可靠性高，應用在西部干旱區和偏遠山區，能緩解那里的農業灌溉和生活用水困難[1]。但目前，光伏揚水系統最大的問題就是水泵損壞問題，由于江河水中泥沙會損壞水泵，每年都有大量水泵被損壞，從而造成了大量的人力、物力和財產損失。故發明一個既可以保護水泵，又可以高效利用資源的排沙除泥的取水裝置是大有必要的，這樣既能節約人力、物力、財力，又能使光伏揚水系統很好地服務于農業、生活服務和社會。該研究以光伏揚水系統的排沙除泥裝置為研究對象，討論系統中水泵損壞問題，重點分析了水泵損壞的主要原因，并針對這些原因，對系統進行了優化設計[2]。

1 水泵損壞原因分析

水泵作為太陽能光伏揚水系統最主要部件之一，它的正常工作與否直接決定著系統的效率的高低。但由于水泵工作環境的因素，因此不能保證流經泵體的水中沒有混入泥沙之類的雜質。當水中混入泥沙時，由于泵體內的葉片在高速旋轉狀態下，就會致使泥沙等雜質不斷沖刷葉片金屬表面及泵體內的金屬部件，進而會造成葉片損壞和金屬晶粒脫落，所脫落的晶粒會同泥沙等雜質一起破壞泵體表面及葉片，由于泵體表面及葉片的損壞會加劇泵體的腐蝕，進而影響水泵的運行周期和壽命[3]。

江河水中含泥沙較多，因而對離心泵特性影響較大，由于水力磨損和機械磨損而造成了流量減少，揚程降低，效率降低。水泵運行時，含沙量不同，所得的流量、揚程、功率也不同。泥沙影響后的性能曲線可以看出，含沙量越大，水泵效率越低，流量越小，揚程也相應減少，功率相應增大。泥沙對水泵的磨損水泵過水部分的破壞可分為腐蝕、汽蝕和磨蝕三種。磨蝕是由于水中含有較硬的固體顆粒與過流部件表面摩擦沖撞而形成的，屬于機械破壞，正因為江河水含泥沙量大，所以對水泵磨損就比較嚴重[4]。

一般說來，造成磨損的原因是：高速含沙水流所產生的沖刷磨蝕力。當含有一定粒徑、硬度的泥沙，以高速通過水泵時，產生相當大的沖磨力，將金屬表面微細顆粒層層磨剝而引起表面破壞。因此，高速是引起水泵磨損的主要原因。高速含沙水流在金屬凹凸不平的表面形成漩渦和折曲，沙粒對表面形成反復沖擊使壁面破壞[5]。由于沙粒的棱角和尖角的沖擊，單位面積上所受壓力很大，超過金屬表面極限強度而損壞，特別是產生渦流，回流部位，這種作用特別明顯。如葉片、葉輪盤兩側、口環、泵殼等處的磨損，主要是由于渦流、回流撞擊而引起的。由于以上兩種作用，前者磨損形成條痕，后者形成坑洼，兩者共同作用的結果形成魚鱗狀溝。因此，泥沙磨損嚴重降低了水泵使用壽命。

而且在泥沙較多的江河流域，大量的泥沙會阻塞在泵中，對水泵造成致命傷害，這樣會造成大量的人力物力的損失，讓投資成本大大增加。為了解決這些問題，該研究提出一種應用于江河提水灌溉的排沙取水裝置，適用于江河流域基于光伏提水的排沙去污裝置在源頭取水處就進行過濾排沙去污處理，利用深溝渠從江河取水，淺溝渠取深溝渠中的上層水，引水到濾池再過濾，最后由抽水泵將層層過濾后的水引到目的地。

2 排沙除泥裝置設計

應用于江河提水灌溉的排沙取水裝置，包括取水溝渠、濾網、過濾池、控制閘閥、管道和水泵。光伏提水灌溉的排沙取水裝置適用于江河地區使用，深溝渠上端從江河取水，下端排泥沙到江河，中下段的閘閥的底端留口以便排泥沙，季節性開關閘閥調節水位（旱季關閘，雨季開閘）以便深溝渠里的水能夠充足的流向淺溝渠，由淺溝渠流向過濾池進行深層次的過濾，最終流入泵池，經由水泵揚水到高地蓄水池。此種設計解決了江河泥沙大的問題，同時提高了水泵的使用壽命，減少了維修管理費用，其裝置結構簡單，便于推廣利用，是江河流域取水灌溉的上好選擇。

2.1 裝置原理結構圖

圖1中標示：1.泵房；2.泵池；3.水泵；4.濾池；4a.二級過濾；4b.污水泵；5.淺溝渠；5a.一級過濾；6.深溝渠；7.閘閥（底端留口，方便泥沙流出）；8.進水口（加濾網）；9.出水口。

2.2 裝置工作原理及過程

在安裝建設使用過程中，應先挖掘建設深溝渠，其進水口和出水口應是彎曲的，便于從江河中取水及排水回到江河中，并且取水口應加濾網；接下來就是淺溝渠，其作用在于取到的水較深溝渠的泥沙更少，淺溝渠末端便是濾池和泵池，而兩個尺子的容積和深度應逐級遞增；淺溝渠和濾池連接處是一級過濾網，濾池和泵池連接處是二級過濾網；最后是泵房的建設，閘閥和管道的鋪設。水經過一級和二級后，再由污水泵的工作，從而達到排沙除泥的目的，以提高抽水泵的使用壽命和降低抽水系統的維護成本。

3 推廣應用背景

目前，我國仍有17個無電縣，7 600多萬無電人口。多分散居住在邊遠落后貧困地區。由于能源短缺，至今連飲水以及灌溉問題都還沒有徹底解決，特別是西北地區，由于氣候干旱，少雨，年平均降水量約145 mm，可視為極端干旱和半干旱地區[6]，土地荒漠化，草原退化情況越來越嚴重，生態環境日益惡化，嚴重阻礙著農村經濟和社會的發展。然而，西北地區地下水資源并不貧乏，目前這些地區地下水資源利用率并不高，其原因之一是缺乏電力供應，若靠架設輸電線，投資巨大（新疆地區架設輸電線平均需投資8萬元/km），但效益甚微，得不償失。而西北地區的太陽能輻射強 ，日照時間長，太陽能資源非常豐富，因此，只有利用太陽能光伏水泵系統才能開發地下水資源解決這些貧困地區的飲水和農牧業用水。太陽能光伏水泵的應用領域非常廣泛，國內潛在市場需求巨大，大規模發展和應用太陽能光伏水泵系統具有經濟、社會、生態環境等多方面的重要意義，也將大大促進我國太陽能工業的發展。目前，光伏水泵最大的問題就是泥沙損壞水泵問題，此裝置的出現必將為水泵行業帶來歷史性的飛躍，應用前景十分廣泛。

4 結語

應用于江河光伏提水灌溉的排沙取水裝置的構成及各個組成部分的基本功能，分析了造成光伏水泵的損壞的原因，并從源頭、水流過程中尋找到解決辦法，在源頭取水處就進行過濾排沙去污處理，利用深溝渠從江河取水，淺溝渠取深溝渠中的上層水，引水到濾池再過濾，最后由抽水泵將層層過濾后的水引到目的地，可有效解決水泵損壞問題，降低江河提水灌溉系統的日常維護成本。能有效解決因泥沙阻塞而導致水泵損壞影響灌溉系統的正常運營的問題，減少系統維護成本，降低生產成本，在生態、環保、節能等方面具有重要的社會效益。

參考文獻

[1]黃永堅.水庫分層取水[M].北京：水利水電出版社，1986：101-109.

[2]陜西省水利水電水土保持廳.水庫排沙清淤技術[M].北京：水利電力出版社，1889：19.

[3]錢寧，萬兆惠.泥沙運動力學[M].北京：科學出版社，2003：33-45.

[4]李圭白，張杰.水質工程學[M].北京：中國建筑工業出版社，2005：120-127.

[5]傅文德，許保玖.高濁度給水工程[M].北京：中國建筑工業出版社，1994：69-78.

[6]余世杰，何慧若，曹仁賢.光伏水泵系統中 CVMPPT的控制比較[J].太陽能學報，1998，19（4）：394-396.

（責任編輯：趙中正）