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摘 要 灌溉农业在大背景下发展得越来越好，各种各样的灌溉装置相继出现，水泵在提水灌溉中占有非常重要的地位。水泵在工作过程中极易损坏的一个重要原因是水中含有大量的泥沙和污垢杂质，会堵塞水泵、损坏叶片和烧坏电机等一系列问题，严重影响灌溉系统的正常使用和造成不必要的经济损失。针对光伏扬水系统的水泵、闸阀和管道装置由于被江河水中的泥沙等杂质堵塞导致水泵受损，寿命较短、维修难度大、维护成本高和能源利用不充分等问题，提出一种用于江河流域基于光伏提水的排沙去污装置在源头取水处就进行过滤排沙去污处理，利用深沟渠从江河取水，浅沟渠取深沟渠中的上层水，引水到滤池再过滤，最后由抽水泵将层层过滤后的水引到目的地，可有效解决水泵损坏问题，降低江河提水灌溉系统的日常维护成本。
关键词 光伏扬水；水泵受损；排沙除泥
中图分类号：TV145 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.20.050
光伏扬水系统无污染，不消耗常规能源，运行无噪声，供水量与需水量适配性好，可靠性高，应用在西部干旱区和偏远山区，能缓解那里的农业灌溉和生活用水困难[1]。但目前，光伏扬水系统最大的问题就是水泵损坏问题，由于江河水中泥沙会损坏水泵，每年都有大量水泵被损坏，从而造成了大量的人力、物力和财产损失。故发明一个既可以保护水泵，又可以高效利用资源的排沙除泥的取水装置是大有必要的，这样既能节约人力、物力、财力，又能使光伏扬水系统很好地服务于农业、生活服务和社会。该研究以光伏扬水系统的排沙除泥装置为研究对象，讨论系统中水泵损坏问题，重点分析了水泵损坏的主要原因，并针对这些原因，对系统进行了优化设计[2]。
1 水泵损坏原因分析
水泵作为太阳能光伏扬水系统最主要部件之一，它的正常工作与否直接决定着系统的效率的高低。但由于水泵工作环境的因素，因此不能保证流经泵体的水中没有混入泥沙之类的杂质。当水中混入泥沙时，由于泵体内的叶片在高速旋转状态下，就会致使泥沙等杂质不断冲刷叶片金属表面及泵体内的金属部件，进而会造成叶片损坏和金属晶粒脱落，所脱落的晶粒会同泥沙等杂质一起破坏泵体表面及叶片，由于泵体表面及叶片的损坏会加剧泵体的腐蚀，进而影响水泵的运行周期和寿命[3]。
江河水中含泥沙较多，因而对离心泵特性影响较大，由于水力磨损和机械磨损而造成了流量减少，扬程降低，效率降低。水泵运行时，含沙量不同，所得的流量、扬程、功率也不同。泥沙影响后的性能曲线可以看出，含沙量越大，水泵效率越低，流量越小，扬程也相应减少，功率相应增大。泥沙对水泵的磨损水泵过水部分的破坏可分为腐蚀、汽蚀和磨蚀三种。磨蚀是由于水中含有较硬的固体颗粒与过流部件表面摩擦冲撞而形成的，属于机械破坏，正因为江河水含泥沙量大，所以对水泵磨损就比较严重[4]。
一般说来，造成磨损的原因是：高速含沙水流所产生的冲刷磨蚀力。当含有一定粒径、硬度的泥沙，以高速通过水泵时，产生相当大的冲磨力，将金属表面微细颗粒层层磨剥而引起表面破坏。因此，高速是引起水泵磨损的主要原因。高速含沙水流在金属凹凸不平的表面形成漩涡和折曲，沙粒对表面形成反复冲击使壁面破坏[5]。由于沙粒的棱角和尖角的冲击，单位面积上所受压力很大，超过金属表面极限强度而损坏，特别是产生涡流，回流部位，这种作用特别明显。如叶片、叶轮盘两侧、口环、泵壳等处的磨损，主要是由于涡流、回流撞击而引起的。由于以上两种作用，前者磨损形成条痕，后者形成坑洼，两者共同作用的结果形成鱼鳞状沟。因此，泥沙磨损严重降低了水泵使用寿命。
而且在泥沙较多的江河流域，大量的泥沙会阻塞在泵中，对水泵造成致命伤害，这样会造成大量的人力物力的损失，让投资成本大大增加。为了解决这些问题，该研究提出一种应用于江河提水灌溉的排沙取水装置，适用于江河流域基于光伏提水的排沙去污装置在源头取水处就进行过滤排沙去污处理，利用深沟渠从江河取水，浅沟渠取深沟渠中的上层水，引水到滤池再过滤，最后由抽水泵将层层过滤后的水引到目的地。
2 排沙除泥装置设计
应用于江河提水灌溉的排沙取水装置，包括取水沟渠、滤网、过滤池、控制闸阀、管道和水泵。光伏提水灌溉的排沙取水装置适用于江河地区使用，深沟渠上端从江河取水，下端排泥沙到江河，中下段的闸阀的底端留口以便排泥沙，季节性开关闸阀调节水位（旱季关闸，雨季开闸）以便深沟渠里的水能够充足的流向浅沟渠，由浅沟渠流向过滤池进行深层次的过滤，最终流入泵池，经由水泵扬水到高地蓄水池。此种设计解决了江河泥沙大的问题，同时提高了水泵的使用寿命，减少了维修管理费用，其装置结构简单，便于推广利用，是江河流域取水灌溉的上好选择。
2.1 装置原理结构图
图1中标示：1.泵房；2.泵池；3.水泵；4.滤池；4a.二级过滤；4b.污水泵；5.浅沟渠；5a.一级过滤；6.深沟渠；7.闸阀（底端留口，方便泥沙流出）；8.进水口（加滤网）；9.出水口。
2.2 装置工作原理及过程
在安装建设使用过程中，应先挖掘建设深沟渠，其进水口和出水口应是弯曲的，便于从江河中取水及排水回到江河中，并且取水口应加滤网；接下来就是浅沟渠，其作用在于取到的水较深沟渠的泥沙更少，浅沟渠末端便是滤池和泵池，而两个尺子的容积和深度应逐级递增；浅沟渠和滤池连接处是一级过滤网，滤池和泵池连接处是二级过滤网；最后是泵房的建设，闸阀和管道的铺设。水经过一级和二级后，再由污水泵的工作，从而达到排沙除泥的目的，以提高抽水泵的使用寿命和降低抽水系统的维护成本。
3 推广应用背景
目前，我国仍有17个无电县，7 600多万无电人口。多分散居住在边远落后贫困地区。由于能源短缺，至今连饮水以及灌溉问题都还没有彻底解决，特别是西北地区，由于气候干旱，少雨，年平均降水量约145 mm，可视为极端干旱和半干旱地区[6]，土地荒漠化，草原退化情况越来越严重，生态环境日益恶化，严重阻碍着农村经济和社会的发展。然而，西北地区地下水资源并不贫乏，目前这些地区地下水资源利用率并不高，其原因之一是缺乏电力供应，若靠架设输电线，投资巨大（新疆地区架设输电线平均需投资8万元/km），但效益甚微，得不偿失。而西北地区的太阳能辐射强 ，日照时间长，太阳能资源非常丰富，因此，只有利用太阳能光伏水泵系统才能开发地下水资源解决这些贫困地区的饮水和农牧业用水。太阳能光伏水泵的应用领域非常广泛，国内潜在市场需求巨大，大规模发展和应用太阳能光伏水泵系统具有经济、社会、生态环境等多方面的重要意义，也将大大促进我国太阳能工业的发展。目前，光伏水泵最大的问题就是泥沙损坏水泵问题，此装置的出现必将为水泵行业带来历史性的飞跃，应用前景十分广泛。
4 结语
应用于江河光伏提水灌溉的排沙取水装置的构成及各个组成部分的基本功能，分析了造成光伏水泵的损坏的原因，并从源头、水流过程中寻找到解决办法，在源头取水处就进行过滤排沙去污处理，利用深沟渠从江河取水，浅沟渠取深沟渠中的上层水，引水到滤池再过滤，最后由抽水泵将层层过滤后的水引到目的地，可有效解决水泵损坏问题，降低江河提水灌溉系统的日常维护成本。能有效解决因泥沙阻塞而导致水泵损坏影响灌溉系统的正常运营的问题，减少系统维护成本，降低生产成本，在生态、环保、节能等方面具有重要的社会效益。
参考文献
[1]黄永坚.水库分层取水[M].北京：水利水电出版社，1986：101-109.
[2]陕西省水利水电水土保持厅.水库排沙清淤技术[M].北京：水利电力出版社，1889：19.
[3]钱宁，万兆惠.泥沙运动力学[M].北京：科学出版社，2003：33-45.
[4]李圭白，张杰.水质工程学[M].北京：中国建筑工业出版社，2005：120-127.
[5]傅文德，许保玖.高浊度给水工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1994：69-78.
[6]余世杰，何慧若，曹仁贤.光伏水泵系统中 CVMPPT的控制比较[J].太阳能学报，1998，19（4）：394-396.
（责任编辑：赵中正）
关键词 光伏扬水；水泵受损；排沙除泥
中图分类号：TV145 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.20.050
光伏扬水系统无污染，不消耗常规能源，运行无噪声，供水量与需水量适配性好，可靠性高，应用在西部干旱区和偏远山区，能缓解那里的农业灌溉和生活用水困难[1]。但目前，光伏扬水系统最大的问题就是水泵损坏问题，由于江河水中泥沙会损坏水泵，每年都有大量水泵被损坏，从而造成了大量的人力、物力和财产损失。故发明一个既可以保护水泵，又可以高效利用资源的排沙除泥的取水装置是大有必要的，这样既能节约人力、物力、财力，又能使光伏扬水系统很好地服务于农业、生活服务和社会。该研究以光伏扬水系统的排沙除泥装置为研究对象，讨论系统中水泵损坏问题，重点分析了水泵损坏的主要原因，并针对这些原因，对系统进行了优化设计[2]。
1 水泵损坏原因分析
水泵作为太阳能光伏扬水系统最主要部件之一，它的正常工作与否直接决定着系统的效率的高低。但由于水泵工作环境的因素，因此不能保证流经泵体的水中没有混入泥沙之类的杂质。当水中混入泥沙时，由于泵体内的叶片在高速旋转状态下，就会致使泥沙等杂质不断冲刷叶片金属表面及泵体内的金属部件，进而会造成叶片损坏和金属晶粒脱落，所脱落的晶粒会同泥沙等杂质一起破坏泵体表面及叶片，由于泵体表面及叶片的损坏会加剧泵体的腐蚀，进而影响水泵的运行周期和寿命[3]。
江河水中含泥沙较多，因而对离心泵特性影响较大，由于水力磨损和机械磨损而造成了流量减少，扬程降低，效率降低。水泵运行时，含沙量不同，所得的流量、扬程、功率也不同。泥沙影响后的性能曲线可以看出，含沙量越大，水泵效率越低，流量越小，扬程也相应减少，功率相应增大。泥沙对水泵的磨损水泵过水部分的破坏可分为腐蚀、汽蚀和磨蚀三种。磨蚀是由于水中含有较硬的固体颗粒与过流部件表面摩擦冲撞而形成的，属于机械破坏，正因为江河水含泥沙量大，所以对水泵磨损就比较严重[4]。
一般说来，造成磨损的原因是：高速含沙水流所产生的冲刷磨蚀力。当含有一定粒径、硬度的泥沙，以高速通过水泵时，产生相当大的冲磨力，将金属表面微细颗粒层层磨剥而引起表面破坏。因此，高速是引起水泵磨损的主要原因。高速含沙水流在金属凹凸不平的表面形成漩涡和折曲，沙粒对表面形成反复冲击使壁面破坏[5]。由于沙粒的棱角和尖角的冲击，单位面积上所受压力很大，超过金属表面极限强度而损坏，特别是产生涡流，回流部位，这种作用特别明显。如叶片、叶轮盘两侧、口环、泵壳等处的磨损，主要是由于涡流、回流撞击而引起的。由于以上两种作用，前者磨损形成条痕，后者形成坑洼，两者共同作用的结果形成鱼鳞状沟。因此，泥沙磨损严重降低了水泵使用寿命。
而且在泥沙较多的江河流域，大量的泥沙会阻塞在泵中，对水泵造成致命伤害，这样会造成大量的人力物力的损失，让投资成本大大增加。为了解决这些问题，该研究提出一种应用于江河提水灌溉的排沙取水装置，适用于江河流域基于光伏提水的排沙去污装置在源头取水处就进行过滤排沙去污处理，利用深沟渠从江河取水，浅沟渠取深沟渠中的上层水，引水到滤池再过滤，最后由抽水泵将层层过滤后的水引到目的地。
2 排沙除泥装置设计
应用于江河提水灌溉的排沙取水装置，包括取水沟渠、滤网、过滤池、控制闸阀、管道和水泵。光伏提水灌溉的排沙取水装置适用于江河地区使用，深沟渠上端从江河取水，下端排泥沙到江河，中下段的闸阀的底端留口以便排泥沙，季节性开关闸阀调节水位（旱季关闸，雨季开闸）以便深沟渠里的水能够充足的流向浅沟渠，由浅沟渠流向过滤池进行深层次的过滤，最终流入泵池，经由水泵扬水到高地蓄水池。此种设计解决了江河泥沙大的问题，同时提高了水泵的使用寿命，减少了维修管理费用，其装置结构简单，便于推广利用，是江河流域取水灌溉的上好选择。
2.1 装置原理结构图
图1中标示：1.泵房；2.泵池；3.水泵；4.滤池；4a.二级过滤；4b.污水泵；5.浅沟渠；5a.一级过滤；6.深沟渠；7.闸阀（底端留口，方便泥沙流出）；8.进水口（加滤网）；9.出水口。
2.2 装置工作原理及过程
在安装建设使用过程中，应先挖掘建设深沟渠，其进水口和出水口应是弯曲的，便于从江河中取水及排水回到江河中，并且取水口应加滤网；接下来就是浅沟渠，其作用在于取到的水较深沟渠的泥沙更少，浅沟渠末端便是滤池和泵池，而两个尺子的容积和深度应逐级递增；浅沟渠和滤池连接处是一级过滤网，滤池和泵池连接处是二级过滤网；最后是泵房的建设，闸阀和管道的铺设。水经过一级和二级后，再由污水泵的工作，从而达到排沙除泥的目的，以提高抽水泵的使用寿命和降低抽水系统的维护成本。
3 推广应用背景
目前，我国仍有17个无电县，7 600多万无电人口。多分散居住在边远落后贫困地区。由于能源短缺，至今连饮水以及灌溉问题都还没有彻底解决，特别是西北地区，由于气候干旱，少雨，年平均降水量约145 mm，可视为极端干旱和半干旱地区[6]，土地荒漠化，草原退化情况越来越严重，生态环境日益恶化，严重阻碍着农村经济和社会的发展。然而，西北地区地下水资源并不贫乏，目前这些地区地下水资源利用率并不高，其原因之一是缺乏电力供应，若靠架设输电线，投资巨大（新疆地区架设输电线平均需投资8万元/km），但效益甚微，得不偿失。而西北地区的太阳能辐射强 ，日照时间长，太阳能资源非常丰富，因此，只有利用太阳能光伏水泵系统才能开发地下水资源解决这些贫困地区的饮水和农牧业用水。太阳能光伏水泵的应用领域非常广泛，国内潜在市场需求巨大，大规模发展和应用太阳能光伏水泵系统具有经济、社会、生态环境等多方面的重要意义，也将大大促进我国太阳能工业的发展。目前，光伏水泵最大的问题就是泥沙损坏水泵问题，此装置的出现必将为水泵行业带来历史性的飞跃，应用前景十分广泛。
4 结语
应用于江河光伏提水灌溉的排沙取水装置的构成及各个组成部分的基本功能，分析了造成光伏水泵的损坏的原因，并从源头、水流过程中寻找到解决办法，在源头取水处就进行过滤排沙去污处理，利用深沟渠从江河取水，浅沟渠取深沟渠中的上层水，引水到滤池再过滤，最后由抽水泵将层层过滤后的水引到目的地，可有效解决水泵损坏问题，降低江河提水灌溉系统的日常维护成本。能有效解决因泥沙阻塞而导致水泵损坏影响灌溉系统的正常运营的问题，减少系统维护成本，降低生产成本，在生态、环保、节能等方面具有重要的社会效益。
参考文献
[1]黄永坚.水库分层取水[M].北京：水利水电出版社，1986：101-109.
[2]陕西省水利水电水土保持厅.水库排沙清淤技术[M].北京：水利电力出版社，1889：19.
[3]钱宁，万兆惠.泥沙运动力学[M].北京：科学出版社，2003：33-45.
[4]李圭白，张杰.水质工程学[M].北京：中国建筑工业出版社，2005：120-127.
[5]傅文德，许保玖.高浊度给水工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1994：69-78.
[6]余世杰，何慧若，曹仁贤.光伏水泵系统中 CVMPPT的控制比较[J].太阳能学报，1998，19（4）：394-396.
（责任编辑：赵中正）