CN103651045B - 连通器高效节水灌溉水源系统 - Google Patents

Abstract

一种连通器高效节水灌溉水源系统。本发明涉及农业、林业灌溉领域，是为高效节水灌溉提供水源解决方案。本发明的解决方案是：基于连通器原理，将有限的水源点按灌溉需要的位置和数量进行转移和复制，用工程方法建成一个由蓄水池、管网和多功能取水装置组成的大型网格状连通器灌溉水源系统。本发明的要点：系统可实现无动力输水、无动力自动调水和自动排污；系统由独立的系统单元组成，多个系统单元可组成规模庞大的灌溉水源网。本发明提供的方案，可以为高效节水灌溉提供充分、方便、廉价的水源。

Description

连通器高效节水灌溉水源系统

技术领域

本发明涉及农业、林业灌溉，具体是为高效节水灌溉提供方便、廉价的水源。

背景技术

高效节水灌溉，涉及水源建设、输水和用水方法改进三个主要方面的问题。其中，提供使用方便、成本低廉的水源是首先需要解决的问题。

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。

本发明以被誉为50个“共和国水利之最”之一的浙江省平湖市灌溉用水解决方案为对比方案。

为解决灌溉取水条件问题，浙江省平湖市用了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。(详见浙江水利http://www.zjwater.com/pages/document/88/document_720.htm)

平湖市的方案存在以下问题：

1、管网利用率低。按管线两侧各150m应该为受益面积计算，3000km管线应使900平方公里即135万亩耕地受益，但实际受益面积只有47万亩，管网利用率不足35％。管网利用率低导致了管网密度高，平湖市受益耕地平均每亩埋设管线达到6.38m，投资很大，。

2、单位长度管线造价较高。暗渠式输水方式虽不需要消耗动力，但管内流速慢，在流量要求相同时需要较大的管径，管网的材料费和施工费用较高。

3、管网易淤堵。由于暗渠式输水管道管内流速较慢，泥沙易沉积，造成管道於堵或影响管网的供水能力。因此管网维护量大，维护费用高。根据平湖市的经验，淤堵管道疏通费高达2万元/km。

4、不能有效降低用水的成本。该地区为水稻种植区，宜采用自流灌溉，但由于管道内的水平面低于地面，灌溉时仍需动力取水。平湖市的灌溉成本仍需每亩35元。

应用本发明提供的方案，可以做到：

1、提高管网利用率：按最远取水距离150m计算，管网密度仅为2.31m/亩。

2、最大输水管径只需400mm，可大大减少管网建设的投资

3、系统具备自动排除沉积物的功能，管道不会淤堵，系统免维护。

4、系统内始终保持着一定的静压，输水、调水和灌溉用水时均无需动力。

发明内容：

系统组成：

连通器高效节水灌溉水源系统，是由蓄水水平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，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。

系统特点

连通器高效节水灌溉水源系统可以将区域内的所有水源按合适的取水距离要求进行转移和复制，形成一个均匀的、网格状布置的水源网，可以静压输送的方式提供灌溉用水，不仅不需要消耗动力，和暗渠式输水管道相比，管内流速较高，可大大提高输水能力。

连通器高效节水灌溉水源系统能将灌溉取水距离控制在150m以内；

连通器高效节水灌溉水源系统由独立的系统单元组成，每个系统单元可以使2.25平方公里的耕地得到方便、廉价的水源，多个系统单元通过单元接口相连可组成更大的系统；

连通器高效节水灌溉水源系统内存在静压，从每个多功能取水装置引出灌溉用水都无需使用动力，即开即用；

连通器高效节水灌溉水源系统具备静压自动调水功能，每个多功能取水装置的取水量可以不受限制；

每个多功能取水装置既可提供灌溉用水，也可以通过它向连通器高效节水灌溉水源系统输水；

管网内的沉积物在用水时即被自动吸出，管网不会淤堵，免维护；

投资少：连通器高效节水灌溉水源系统的建设费用每亩不超过500元；

管理、维护费用低，管网可以实现免维护；

支持计量用水。

系统功能：

蓄水池的功能：

■能量转换和储存功能：将从一次取水时多余的动能转换成势能并储存；

■用水缓冲功能：可通过将蓄水池的水位控制在一定范围内，来减少提水设备的启动频率，提高提水设备的运行效率；

■沉淀、收集泥沙功能：将一次提水时带进的泥沙大部分截留在蓄水池，可用虹吸方法排出，减少进入管网的泥沙量。

多功能取水装置的功能：

■通过管网实现水源的位置转移，有效的缩短灌溉取水距离；

■保持和转移系统水位，实现静压供水，避免了灌溉取水的动力消耗；

■可以为区域内及周边所有水源的水就近输入系统提供接口，缩短动力提水、输水距离，减少提水、输水的动力消耗和输水管线投资；

■实现管网的自动排污，每个多功能取水装置都带有一个小型沉淀箱，可收集进入管网内的泥沙。从多功能取水装置取水时，即自动用虹吸方法将留在沉淀箱的泥沙吸出，防止管网淤积。

管网的功能：

■实现蓄水池之间、蓄水池与多功能取水装置之间、及多功能取水装置之间的双向联通和水的双向输送；

■实现了水源位置和蓄水池的水位向多功能取水装置进行转移；

■实现了系统内静压自动调水，大大缩短了输水距离。无论灌溉区域多大，网格状布置的管网都可以使从蓄水池到多功能取水装置的最远输水距离不超过1200m，平均为600m，可大大提高系统的供水能力。

附图说明

图1是连通器转移、复制水源原理图

1、代码说明

(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。

2、原理说明

■所谓连通器，是液面以下通过连通管(8)相互连通的两个或几个容器(1)(2)(3)。

■连通器的特点是容器(1)(2)(3)内装有同一种液体(7)时，各个容器(1)(2)(3)中的液面(4)(5)(6)高度是相同的。如果容器(3)由于任何原因导致液面(6)下降时(比如水(7)被取出一部分)，则其它容器(1)(2)中的液体(7)即开始由高液面(4)(5)流向低液面(6)，直到容器(1)(2)(3)中的液面(4)(5)(6)相平时，即停止流动而静止。

■如果打开取水阀(11)，则容器(3)中的水(7)被取出，导致容器(3)内的液面(6)下降，这时，容器(1)(2)中的水(7)将自动向容器(3)流动，容器(1)(2)的液面(4)(5)也将随之下降。此时，如果通过进水阀(9)向容器(1)补进与容器(3)中被取出量相等的水(7)，则容器(1)(2)(3)的液面(4)(5)(6)将恢复原有的高度并保持相等。如果连续的向容器(1)中注水(7)，则可以连续从容器(3)中取出与注入量相同的水(7)。同理，也可以通过打开取水阀(10)，取到来自进水阀(9)的水(7)。利用这一原理，就实现了水源位置的转移和将一个水源点复制成多个水源点。

图2是系统组成及功能示意图

1、代码说明

1-蓄水池；2-多功能取水装置(图3)；3-管网；4-提水设备；5-地下水源，机井；6-地表水源，渠道；7-地表水源，河流；8-地面；9-灌溉设备。10-系统水位；11-多功能取水装置沉淀箱；12-系统单元接口

2、系统功能说明

■提水设备4将水源5、6、7的水通过距离最近的蓄水池1或多功能取水装置2注入系统。根据连通器原理，来自水源5、6、7的水将通过管网3自动流向远离水源5、6、7的其它蓄水池1和多功能取水装置2，直至系统的每个蓄水池1和多功能取水装置2的水位相等，形成系统水位10，并与地面8形成需要的水位差。当灌溉设备9需要从某一个多功能取水装置2取水灌溉时，会引起这个多功能取水装置2的水位下降，这时，根据连通器原理，其它蓄水池1和多功能取水装置2的水就会自动向这个多功能取水装置2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4，提取水源5、6、7的水来恢复系统水位，以保证灌溉持续进行。

■图2是由两个独立单元组成的连通器高效节水灌溉水源系统，矩形网格状布置的多功能取水装置2纵横间隔均为300m，可为4.5平方公里的耕地提供50个多功能取水装置2，相当于将区域内有限的水源，转移、复制成50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12，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3多功能取水装置结构图说明

1、代码说明

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

2、功能说明

■多功能取水装置水位⑩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④，这样通过灌溉取水阀④可以从系统内直接引出灌溉用水⑨而无需消耗动力。

■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③上端的注水接口法兰②用盲板①盲死，多功能取水装置通过管网接口⑥接受系统来水保持水位并提供灌溉用水⑩；当多功能取水装置与水源地较近，可将水位保持管③上端的盲板①打开，通过注水接口法兰②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⑥向系统输水，保持系统水位。

■沉淀箱⑦用沉淀法收集进入多功能取水装置的泥沙⑧，当需要从灌溉取水阀④引出灌溉用水时，虹吸出水管⑤在向外吸出灌溉用水⑨的同时，自动将沉淀箱⑦内的泥沙⑧一同吸出，实现自动排污。

实施方法

本发明用工程方法实施，具体办法是：

■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；

■按取水距离要求确定多功能取水装置的间隔和位置；

■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。

本发明作为一种方案一旦实施，可在现有水利工程的基础上大幅度提高灌溉面积和减少灌溉成本，有非常高的社会效益和经济效益。因此，可以纳入国家农林发展规划和地方农田水利基本建设规划，由政府推动实施，也可以由农业企业自主实施。具体实施时，可结合农田水利基本建设、农村饮水安全工程和道路改造工程进行，也可单独立项实施。

Claims (4)

1.连通器高效节水灌溉水源系统，其特征在于：是由蓄水水平面高于地面的蓄水池(1)和多功能取水装置(2)通过地下管网(3)连接组成的大型网格状连通器系统；

所述的蓄水池，其特征在于：蓄水水平面高于地面，可以将一次提水时多余的动能转换成势能并储存；

所述的多功能取水装置，其特征在于：是由盲板、注水接口法兰、水位保持水管、灌溉取水阀、虹吸出水管、管网接口、沉淀箱组成；虹吸出水管 (5)的进水口与沉淀箱 (7)的下半部分被设计在管网接口(6)的底部以下；在系统中的作用是：保持系统水位、为区域内及周边的水源就近输入系统提供接口、实现管网自动排污。

2.根据权利要求1所述的连通器高效节水灌溉水源系统，其特征是：蓄水池，池内水平面高于地面1500-2000mm，有放射状输水管道，可为连通器高效节水灌溉水源系统提供需要的水位差，具有缓冲用水负荷、沉降泥沙和自动虹吸排污功能。

3.根据权利要求1所述的连通器高效节水灌溉水源系统，其特征是：管网和多功能取水装置的布置方法，经优化的均匀网格状布置，可以使受益区域的每一块耕地都可以在150m的距离内方便的取得灌溉用水，并能够最大限度的降低单位面积需铺设管道的数量。

4.根据权利要求1所述的连通器高效节水灌溉水源系统，其特征是：系统自动排污方法，具体方法是：通过蓄水池、多功能取水装置对进入系统的泥沙用沉淀法进行两次收集，利用系统的高水位，在引出灌溉用水的同时以虹吸的方式自动排出系统，可以实现系统管网的免维护。