壓力感應在農村提水工程自動控制設計中的應用
——以楓香坪飲水工程為例

唐 鵬

（貴州省黔東南苗族侗族自治州凱里市水務局，貴州 凱里 556000）

農村供水安全是十三五期間脫貧攻堅工作中“兩不愁”標準之一，更是十四五期間鄉村振興百姓幸福指數的重要指標之一。2023 年中央一號文件《中共中央國務院關于做好2023 年全面推進鄉村振興重點工作的意見》中第四節“鞏固拓展脫貧攻堅成果”更是提出要鞏固提升“三保障”和”飲水安全保障成果”。因此，農村供水安全已上升為鄉村振興的重點任務之一，對于從事農村供水工作的從業者，需以高度的政治站位來認真審視新時代條件下農村供水工作，切實保障各自服務區域的供水安全和便利性。

農村提水工程作為農村供水的重要組成部分，直接影響著大部分農村地區的飲水安全和便利，本文將從提水工程在自動控制技術角度，針對偏遠山區提水工程管理困難問題，本著實用、經濟和可操作性原則，將壓力感應對高位水池水位的控制和限時抽水相結合而做的一次全自動供水的技術嘗試。

1 農村提水工程自動控制的種類及現狀分析

從2014 年起至今從自身接觸過的、實施過的抽水控制系統來看，大體存在以下幾類：

（1）純人工手動抽水。用水群體采用專人管理或者輪管方式，根據人工觀察高位水池及泵房水池水位的方式，由人工啟閉水泵進行供水。人工抽水方式作為一種最為原始的抽水方式，目前仍有不少地方使用著，其主要原因有：①工程實施年限較早，原先未安裝自動控制系統；②控制系統損壞未恢復轉而采用人工抽水；③用水戶由一戶或幾戶組成，平時視水池蓄水情況不定期抽水沒必要采用自動控制方式。人工抽水方式耗費人力，且極易因管理人的主觀原因導致設備損壞，不推薦工程中使用。

（2）早期的采用電纜線對高位水池水位信號進行信號傳輸，并結合泵房水池水位狀態進行自動控制的全自動供水方式。此種信號傳輸方式缺陷就是長距離鋪設的電纜，經常因為山火、人工勞作、野外不明物體破壞等原因而損壞，又難在較短時間被查找到，更換和鋪設電纜線的成本又高因而維護困難。

（3）最近比較流行的遠程無線信號對高位水池水位信號傳輸，并結合泵房水池水位狀態進行自動控制的全自動供水方式。此種方式是目前提水工程中最為流行的控制方式，但存在局部地區信號缺失、后期維護人員欠缺、維護成本高昂等缺陷。

2 楓香坪飲水工程設計思路和方案實現

由于上述三種抽水控制方式均存在不足之處，設計一種通過捕捉連通高位水池和泵房水池的唯一媒介——提水管內水體在高位水池滿水堵管后因水泵持續工作而在瞬間產生的水壓增強信號，并通過數顯電接點壓力表來對高位水池進行滿?？刂疲瑫r結合限時啟閉設備和水泵取水保護，來達到全自動抽水控制運行狀態。以貴州省黔東南州爐山鎮龍洞村楓香坪寨飲水工程為例介紹和分析壓力感應控制實際應用在設計的情況。

2.1 楓香坪飲水工程背景情況

楓香坪飲水工程位于貴州省黔東南州凱里市爐山鎮龍洞村，楓香坪寨原飲用水由寨子中部的水井水源和臨近的金銀洞水庫上游500 m 處名海駕校下方水源兩部分組成。寨子中部的水井為自流泉水，無工程接入，供寨內居民挑抬取用，該水源因楓香坪地理環境條件限制，年平均斷水時限達4 個月左右。2020 年4 月在對該水源的實地檢查中發現，引水埋管內水體滿布懸浮物，表面有油膜光澤，手觸水后有油滑感，埋管下方及引水管外壁有黑色瀝青狀沉垢物，還有油垢和不知名的深色附著物。根據現場水體情況及水下的殘留物，該水源已不能達到飲用水水質安全標準，存在較大的飲水安全隱患，需另尋水源進行補充。

水源方面的問題，經鎮村兩級干部的努力協調，確定為小龍洞隧道下方的溶洞水源為楓香坪寨新的飲用水源，經對過水斷面和水流流速進行估測，水流流速約為0.3 m/s，過水斷面約為0.048 m2，該水源日涌水量在1 200 t 以上（枯水期），目前主要用于灌溉和水產養殖解決。經檢測，水質經簡單的微生物殺菌處理后即可達到飲用水安全標準，且為溶洞出口處取水，易于封閉保護。

工程供水范圍為楓香坪寨76 戶共計345 人，設計水平年為2021 年，設計期限15 年。根據寨內常駐人口數量及飼養牲口情況，供水量考慮日最高峰設計人口用水量和公共建筑用水量即可。居民生活用水定額按100L/（人·d）計算，公共建筑用水量按前項水量的5%計算；管網損失水量和未預計水量之和按供水總量的15%計算；設計供水保證率取為P=100%。高位水池容積按蓄水總量的40%計算，同時預留30 m3的消防用水量，得設計高位水池容積為50 m3。水泵進水口高程808 m，高位水池底板高程935 m，溢流口高程937.8 m，提水管線長度1 500 m。

2.2 自動抽水任務分析

本方案設定的抽水控制目標為：工程運行時段全自動運行，僅在故障時需人工介入維護。

高位水池供水需求：本工程水源供水量充足，滿足日最高峰需水量要求。故設置每日限時抽水時間為6 h，水泵額定流量為8 m3/h，額定揚程150 m。自動控制要求是限時抽水時間內高位水池水位升至溢流口時水泵自動關閉，到第二日抽水時間時水泵再次啟動，有效的節省電費和降低水量損耗。

泵房水池提水和水泵保護要求：在限時抽水時間內，當泵房水位達到水池溢流口時水泵自動開啟，當水位降至水泵進水口時水泵自動關停。

根據上述任務要求，可設定限時啟停設備的啟、停為一級任務，無論內置任務是否完成，限時啟停設備都是到點必啟、到點必停，非運行時間電源處于關停狀態，運行時間內受二級任務影響可提前關閉。泵房水池水位達到水池溢流口時水泵自動開啟，高位水池水位升至溢流口、泵房水池水位降至水泵進水口時水泵自動關閉作為二級任務?？傻贸鋈鐖D1的液位信號變化對水泵啟停的自動控制圖。

圖1 楓香坪飲水工程液位自動控制示意圖

2.3 控制方案確定

楓香坪飲水工程抽水自動控制除高位水池水位傳遞信號載體與以往工程不同外，其他方面基本無變化，故本方案重點講解壓力感應信號的捕捉和應用。

當提水管出水端被堵住后，如果抽水泵繼續運行，那么管內水壓會急劇上升，一直至管內負荷與水泵提供的動能達到平衡，或者管壁爆裂為止。而提水管出水端未被堵住之前，管內水壓會達到一個動態的穩定值后穩定下來。因此，捕捉該平衡值與管口被堵住后的急劇上升值的差異，是本工程自動控制中確定被控變量的依據，水泵則作為控制對象。

本工程經過試運行，水泵運行穩定水頭為1.17 MPa，與1∶10 000 地形圖中定位高程所得的水頭1.258 MPa 略有差異，應該是1∶10 000 地形圖上的定位誤差導致，因而以已安裝電接點壓力表實測數據為準。提水管為DN50 熱鍍鋅鋼管，故而在高位水池的鋼管出水端選擇了口徑為DN50 的遙控浮球閥。經反復調整，選擇電接點壓力表上限值為1.3 MPa，略高于水壓穩定后的最高峰值。經多次高位水池滿水測試，水泵啟停良好，未發生高位水池溢水損耗，且高位水池始終處于蓄水狀態，同時水泵也避免了空抽運行狀態。確定控制方案如圖2：

圖2 電力控制柜及上下水池液位控制裝配圖

2.4 需注意的問題

（1）需要先測定水泵穩定運行的壓力值后再安裝高位水池遙控浮球閥。

（2）壓力表建議安裝于水泵與止回閥之間，免受水錘壓力而受損。

（3）最好選用數顯電接點壓力表，其讀數更為精確，數顯電接點壓力表的下限值設定為壓力表的起始值（一般情況下觸碰不到）；中間為閉合狀態；上限值（用于斷開水泵電源）建議為穩定值+0.3 MPa，這樣既保證了上限值遠離高位水池滿水前的水壓的波動峰值，同時提水管也避免了管內堵水后因水泵繼續運行產生的過高的側向水壓而導致的損壞。

（4）在水源來水量滿足水泵額定抽水量的條件下，每日抽水時間設定為抽滿高位水池的時間；在水源來水量不滿足水泵額定抽水量的條件下，每日抽水時間設定為蓄滿泵房水池所用時間的倍數，并保留水泵足夠的休息時間就行。

3 效益分析

作為公益性投資實施的農村飲水工程，主要是體現社會效益。對于以高原山地為主的貴州山區農村來說，偏遠、地形復雜、農民居住分散，是貴州農村村寨的分布特色，已建飲水工程具有量多、面廣、規模小、建設時間跨度長等特點，先天不足，規模化、集約化程度低，難以采取專業化管理和企業化經營，只能交由受益群眾自管或村委集體管理，管理水平低，存在“有人用、無人管”或“管理不盡心、不到位”的現象。工程能否良性運行取決于管理人員的個人能力、自覺性和責任心，而不是靠制度保障；大多數工程水費征收困難，導致工程缺乏必要的維修養護資金，一旦工程受損，無修復資金，影響工程長效運行和群眾長期受益，這種現象在提水工程的管理上表現的尤為嚴重。

壓力感應控制應用于農村提水工程，通過捕捉高位水池滿水堵管后提水管中的壓力變化，有效連通了高水水池蓄水狀態與水泵啟閉之間的信號關聯，以機械物理的方式實現了全過程無人管控的自動控制提水過程。本控制方式既排除了高位水池與水泵之間信號傳遞的實物連接，也避免了使用無線信號傳輸帶來的數字、軟件方面維護的困難。方案中使用的電子元器件均可在當地市場上采購到，維護更換也較為簡單，費用上也更為經濟，為提水類工程長效運行提供了有力的保障。

4 結語

農村供水安全是鞏固拓展脫貧攻堅成果的底線要求，是全面推進鄉村振興的一項重要內容。具有偏遠、地形復雜、農民居住分散特點的貴州山區，結合目前農村青壯年多常年外出打工，常駐人口偏少且多以老年兒童為主，勞動力缺失，總體收入依然低下，可供支出有限，以村寨為單位的集中式供水方式可作為規?；┧挠行аa充方式，提供給當地居民一種在經濟上用得起、在運行上管得了的供水解決方案，而壓力感應控制正是有效實現這一目標的有效措施之一，讓農村管水行為變得更為經濟和便利，更好的服務于當地的經濟發展和鄉村振興戰略實施。

參考文獻：

[1] 吳祚武．液位控制系統[M]．北京：化學工業出版社，2006．