自然能提水技術與傳統提水技術的應用對比分析

張春雷，古今用，伯彥萍

（貴州省水利科學研究院，貴州 貴陽 550000）

引 言

我國西南部地區大多為山區，雖然水資源較為豐富，但分布極不均勻，許多地區嚴重缺水，必須通過相關提水技術應用，才能滿足部分地區民眾用水需求。當前，國內很多地區在飲水工程建設中，常采用傳統的機電提水技術，這一技術雖能緩解大部分地區的水資源緊缺問題，但建設成本相對較高，同時，在提水過程中，還會造成嚴重的環境污染問題，為解決這一矛盾，已開發出一種自然能提水技術，這一技術在應用實踐中已取得較好效益。為驗證該提水技術的推廣應用可行性，文章通過對自然能提水技術與機電提水技術在工程應用中的適應性、資源配置、環保節能等指標的對比，為相關企業在飲水工程建設中科學選取提水方案提供科學指導。

1 傳統機電提水技術與自然能提水技術概述

1.1 機電提水技術

機電提水技術是當前眾多飲水工程建設中應用最為普遍的一種技術，其工作原理就是在相關電氣設備的驅動下，水泵高速運轉，將低處水資源輸送至設計高程，以滿足上游缺水地區的用水需求。在機電提水技術應用中，最主要的設施設備主要有輸電線路、變電設備、機電設備、水泵及提水管道等，系統運行流程是啟動電機，在電機驅動下，水泵高速運轉，將水提升至設計高程，實現取水操作，這一過程其實就是消耗電能實現提水的過程[1]。

1.2 自然能提水技術

自然能提水是最近幾年才被開發出來的一種提水技術，該技術核心是自然能水泵，在水力作用下，水泵高速運行，從而將水提升至設計高程。其過程主要是將水能轉化為動能的過程。水能的產生要求水具備一定的流速，同時還需要有一定的落差，因此，在應用此項技術時，需準確計算水流量及高差，其提水原理和設備布置見圖1、圖2。

圖1 自然能提水原理示意圖

圖2 自然能提水設備安裝示意圖

2 機電提水與自然能提水的應用比較

2.1 適應性比較

2.1.1 機電提水

從當前國內飲水工程建設實際情況來看，機電提水技術是目前應用最為普遍的技術，但機電提水技術應用有著一定的要求，即持續穩定的電力資源。目前，國內輸電網絡密集，電力資源較為豐富，尤其在西南地區，輸電網絡已實現全覆蓋，為機電提水技術應用提供了便利條件。至于電力資源的供應，也是非常有保障的，從此角度出發，可確定機電提水技術具備較強適應性，能夠適應城鄉飲水工程建設應用要求。

2.1.2 自然能提水

顧名思義，自然能提水技術就是借助自然能實現水源提取。在自然能技術應用實踐中，水流在通過一定落差后形成水能勢能，相關設備在水能驅動下高速運行，從而將低處水資源提升至設計高程。從此觀點出發，自然能提水技術應用需具備水資源量及高差兩項基本條件。而在具體應用實踐中，自然形成的高差畢竟有限，當水源地水資源量具備自然能技術應用條件時，可選擇人工制造高差方式實現：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，便可通過人工干預形成高差。應用實踐表明，在水流量一定條件下，落差越大，提水揚程就越高；當落差一定時，水流越大，提水揚程也就越高，二者只要具備其一，就能實現自然能提水，因此，自然能提水技術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，對于平原地區不適用。

2.2 節能環保效益及運行成本比較

傳統的機電提水，需借助電能帶動水泵運轉，實現提水目的。為有效保障泵站運行穩定性，必須進一步提升電能供應穩定性，以保證能有持續不斷的穩定電能供應。實質上，機電提水過程就是能量轉換過程，泵站運行期間不會排放、不會產生有害于自然環境的物質，環保效益比較高。但在泵站運行過程中，提水揚程及水流量與電能消耗成正比例關系，即揚程越高、流量越大，所消耗的電能就越多，因此，對于飲水公司而言，會產生大量生產成本。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，系統便不會停止運行，始終發揮出巨大能量。在自然能技術應用實踐中，水量不會發生變化，既環保，又經濟，因此，在西南地區具備較好的發展潛力，成為目前西南片區農業灌溉、飲水工程建設中最高效、最環保、最經濟的應用技術[2]。

2.3 運行管理比較

為保障機電提水系統穩定運行，必須要給予其充足的電源供給；其次，要進一步完善控制系統，以便于其根據用水時限及流量自行控制設備啟停，即用水區域水資源缺乏時，設備自行啟動，實現水資源提取，當水量達到用水要求后，設備自行停機，這樣不僅能減少水資源及電力資源的浪費，還能減少用水戶的經濟損失。隨著自動控制技術的不斷發展，已逐步完善的自動控制系統已廣泛應用于機電提水系統之中，已實現了無人操作，然而，自動控制系統很容易在應用實踐中出現各種故障，使相關企業耗費大量維修成本。

自然能提水可以說是一種全自動提水技術，在技術應用實踐中不僅不需要電能支持，也無需人工干預，當設備投入運用后，即可實現全天候運轉，為人們輸送穩定的水資源，越來越受到人們的追捧[3]。

2.4 投資比較分析

2.4.1 機電提水

上文說到，機電提水技術應用需用到電能，因此，在系統建設實踐之中，需進行輸電線路架設、變電設備安裝及泵站、輸水管道安裝等工作，因此，建設之處會耗費大量投入成本，投資大小會受到輸電線路長度及提水揚程高度的影響，輸電線路越長，揚程越高，所耗費的成本就越大[4]。

2.4.2 自然能提水

在自然能提水技術應用中，前期投資主要由引流管道安裝、提水設備安裝及攔河壩修建等投入。因自然能技術應用需要有水流落差，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，從而在提水設備作用下將水輸送至設計高程。在自然能提水技術應用實踐中，投資最大的就是提水設備，它是將水能轉化為動能，使設備運轉的主要設備，一般的，需耗費100萬元以上，這與機電提水裝置建設相比，高出了十倍，甚至幾十倍。而與機電提水工程建設中的輸電線路架設相比，自然能提水技術中的攔河壩或引水動力管投資相差較小，僅在幾萬元之內，而提水管道規模及投資相差不大，此處不予比較。所以說，二者在工程建設中所需設備區別不大，但造價方面，自然能提水技術要比機電提水技術高出十倍到數十倍。

例如，貴州某山區飲水工程建設中，項目建設目標為解決7各村2 500多人的生活用水問題。第一方案設計為機電提水，項目建設內容主要包括提水工程、供水工程兩部分。結合現場實際情況，輸電線路需架設1.5 km。提水揚程550 m,再加之供水到戶，總預算投資825.5萬元[5]。考慮到該地區揚程太高，工程建成后，單位提水成本將達到5.8元/m3，這對當地居民來說，無力承擔如此高昂的用水價格；經多方商議，提出自然能提水方案，綜合各項建設指標，預算投資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，僅需要支付工程運行管理費用，提水成本僅為1.3元/m3，當地居民完全有能力承擔。

3 兩種方法優缺點分析

3.1 機電設備提水的優缺點

與自然能提水技術相比，機電提水技術具備更強的適用性，只要有電覆蓋的地方皆可實現取水應用，此外，機電取水系統建設中，前期投資較小，但后期應用實踐中會耗費大量電力成本，因此，整體經濟性不高。例如，貴州某地區在飲水工程建設中，采用機電提水方案，水源地距離用水地僅600 m高程，架設電線3.7 km，綜合后期運用過程中產生的電費消耗，每立方水的成本達到4.1元，成為當地居民最重要的經濟負擔，因此，很多人寧愿不用，繼續選擇挑水，使得該項工程無法發揮出應用價值。

3.2 自然能提水優缺點

自然能提水是在生態友好型經濟建設過程中被研發出的一種新型提水技術，它是利用地形優勢，以水為動力，在落差作用下，水流被輸送至設計高程。綜合應用實際效果來看，主要具備以下幾大優勢：首先，該技術應用對環境要求低，只要有水源，有高差之勢，即可實現取用水，提水高程可根據現場條件被提升至幾十米甚至幾百米；其次，運行成本低。雖然自然能提水工程建設初期，提水設備建設會耗費大量成本，但建成后，投入運營過程中，無需其他能源消耗，也無需頻繁維修、更換相關設備，運行成本幾乎為零，另外，待設備安裝完成后，無需人工值守，養護也較為簡單，設備使用壽命較長；最后，在系統運行期間，無需停機休息，可實現24 h不間斷提水，提水效率也不會受氣候條件影響。此外，運用過程中也不會造成水量減少，環保性極強，尤其在云貴川等地山區飲水工程建設中非常實用[6]。

4 結 語

文章從工程適用性、運行管理、節能環保及工程投資等方面對自然能提水技術及傳統機電提水技術進行類比分析，對兩種技術的優缺點進行了概括性總結。兩種提水技術各有利弊，在工程應用實踐中，需結合當地水源條件科學選取提水方案。如果水源條件具備水量及落差要求，可優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，就只能選擇機電設備提水。