（1.武汉大学水利水电学院 武汉 430072；2.湖南省水利水电勘测设计院）

中图分类号：S274.2   文献标识码：A

0 引言

我国是一个水资源紧缺的国家。近年来，随着党中央、国务院对节水工作的高度重视，国家对节水灌溉的投入不断加大，各地都兴建了一些节水灌溉示范工程，推动了节水灌溉的普及与推广。但是，在喷微灌工程的设计中，设计人员往往更多地注意喷头或微灌灌水器的选择、管网的布置，在选择加压水泵时随意性较大，对水泵类型和水泵台数的选择、水泵工作点的确定和调节等问题关注不多。而水泵选型是否合理不仅影响工程投资和运行费用，而且在一定意义上决定着节水灌溉工程能否安全稳定的运行。本文对前述的几个问题进行讨论。

1 水泵选型

水泵选型的主要内容是根据灌溉系统水力计算所确定的需要扬程和总流量，确定水泵类型、台数、型号（口径、流量、扬程、功率、转速等），使之满足系统经济、安全和方便的要求。

1.1水泵类型

水泵一般可分为离心泵、轴流泵和混流泵，机压喷微灌工程中所使用水泵的叶轮一般都属于离心式叶轮，常用的有离心泵、潜水泵、深井潜水泵、自吸泵、管道泵、井用射流泵-离心泵联合装置等几种类型。

1.1.1 离心泵

    目前，喷微灌工程中常用的有单级单吸式（IS型）和单级双吸式（s、sh型），多级泵使用较少。其优点是流量和扬程的范围较广，效率较高，运行较稳定，使用寿命较长，维修方便。缺点是由于启动前泵内必需先充水，因此需要增加充水设备（真空泵、真空罐或人工灌引水）；安装高程受水源水位和水泵允许吸上真空高度的限制，当水源水位变幅较大时，需要采用泵船、泵车或射流泵装置。离心泵一般采用关闭出口阀的启动方式。

1.1.2 潜水泵和深井潜水泵

潜水泵最大的特点是水泵和电动机联接成一个整体，直接投入取水，不需要充水设备，也不需要修建泵房。缺点是由于水泵和电机长期浸泡于水中，对设备的制造和绝缘水平要求较高，使用寿命较岸上式水泵短，维修不方便，价格也较高。

在我国北方井灌区，当地下水埋藏较深，机井井径较小、井深较大时，一般采用深井潜水泵。

1.1.3 自吸泵

    自吸泵使用时不需装底阀，维修操作方便，只要在第一次起动前往泵内灌满水，以后启动可不用再灌水。缺点是效率较低，安装高程同样受到水源水位变幅和水泵允许吸上真空高度的限制，一般用于小型灌溉系统。

1.1.4 管道泵

    管道泵直接串联安装在管道中，安装简单、方便，不需要充水设备，也不需要修建泵房，只需要简单的防雨设施，适用于前一级水泵的扬程不能满足要求的情况，其流量必须和前一级水泵的流量相匹配。

1.1.5 井用射流泵-离心泵联合装置

井用射流泵-离心泵联合装置采用射流泵与离心泵串联的装置形式，离心泵的出水流量一部分直接进入田间管网，另一部分作为射流泵的工作流量，使射流泵从井中吸取流量。在这种装置中，射流泵起到了增加离心泵吸程的作用，由于井下射流泵没有运转部件，不仅结构简单、加工制造容易、成本大大低于深井潜水泵、工作可靠，而且这种装置对井斜要求不高，在含砂水井地区也可使用。该装置的缺点是由于离心泵的出水量一部分作为射流泵的工作流量，因而效率较低。

1.2 水泵台数

水泵台数对泵站的投资、运行费用、生产任务的保证性和适应性以及维修管理等方面都有影响。

①从建站投资看，在泵站流量相同的情况下，无论是泵站土建投资和机电投资，机组数目越少，其投资就越小。但需要指出的是，在单泵容量增大到一定程度后，水泵的汽蚀性能将会降低。这就有可能增加泵站的开挖深度，以致加大工程投资和施工难度。

②从运行管理费用看，水泵台数较少时，不仅便于维护管理，而且每台泵的口径较大时，水泵效率也较高，所需的运行管理人员较少，运行费用较省。

③从泵站工作任务的保证性和适应性看，水泵机组台数越多，对运行期间生产要求流量的适应性则越大。一旦水泵机组出现故障，对生产的影响较少，故具有较高的保证性和适应性。

④从备用容量看，在需要备用机组的情况下，当机组台数较少时，备用机组的容量也较大。一般，备用容量的增加又会加大工程投资。一般控制备用容量不超过总容量的15%。

总之，水泵台数的确定要综合考虑机组容量、工程投资、工程可靠性要求和工程管理水平等因素。

3 水泵工作点的确定及调节

在机组选型时，设计人员往往只是简单地根据最不利轮灌工作组工作时的情况，通过水力计算确定系统的流量和需要扬程，然后查产品样本选择水泵，只要水泵的额定流量和扬程满足计算所需的流量和扬程即可，很少根据所选定的水泵的性能曲线和管网对不同轮灌组工作时的情况进行校核，这样就可能出现水泵运行在高效区以外、灌水器的进口压力过大或过小的情况，从而影响灌溉均匀度和灌溉质量。因此，水泵工作点的确定和调节对喷微灌系统至关重要。

3.1 工作点的确定

水泵工作点不仅确定了Q和H，而且可以从水泵性能曲线图中查出对应的所有其它工作参数，以便核验水泵工作效率的高低、相对应的功率的大小，是否有发生汽蚀的危险。所以工作点的确定就是水泵工作状况的确定。

水泵工作点的确定可分为图解法和数解法。

3.1.1 图解法

如图1所示，水泵的工作点就是水泵的性能曲线(即H～Q曲线)和管路需要扬程曲线(即H_需～Q曲线)的交点（A点）。

图1 水泵工作点

水泵的性能曲线只与水泵本身有关，一般水泵出厂时就已经决定。

需要扬程曲线下式决定：

                   （1）

式中  H_需——管路系统的需要扬程；

H_净——进水池与灌水器的高差；

      h_f——管道的沿程水头损失，；

       h_j——管道的局部水头损失，；

h_灌——灌水器的流量与压力关系曲线，可用h=f(q)关系表示；

——沿程阻力系数和局部阻力系数；

          ——管道的长度和直径；

——表征管路沿程和局部阻力损失的参数。

图解法概念清楚，简单实用，但它只适用于管网比较简单的情况。随着计算机的发展，数解法得到了广泛应用。

3.1.2 数解法

    数解法的基本原理是根据水流的连续性方程和水头平衡方程，建立各个节点和边界点的边界条件方程，编制程序进行求解。

    水泵的边界条件方程可表示为：

                         （2）

式中  H——水泵的扬程；

Q——水泵的流量；

  A₁、A₂、A₃——系数。

喷头的边界条件方程可表示为：

                            （3）

式中  q——喷头流量；

——喷头流量系数；

   A——喷嘴过水面积；

       ——喷头工作压力水头。

   微灌灌水器的边界条件方程为：

                               （4）

式中  q——灌水器流量；

k——比例系数；

   h——工作压力；

       x——指数，与流态或喷头特性有关。

    用数解法可以精确求解出不同轮灌组工作时，水泵工作点的位置和管网中各点的压力和流量。当水泵工作点偏离高效点、管网中的压力过高或过低时，必须采取相应的调节措施，使系统正常运行。

3.2 工作点的调节

喷微灌系统中，水泵工作点的调节方法通常采用变阀调节和变速调节。

3.2.1变阀调节

变阀调节是通过改变闸阀的开启度来改变水泵工作点位置。当离水源较近或灌水器较少的轮灌组工作时，灌水器的出流量偏大，水泵工作点位于最高效率点的右边，这时可以把水泵出水管路中的闸阀关小，由于在管路中附加了一个局部阻力，则管路需要扬程曲线变陡，于是，水泵工作点就沿着Q～H曲线朝着流量减小的方向移动，系统流量变小；当离水源较远或灌水器较多的轮灌组工作时，水泵工作点位于最高效率点的左边，这时可以把水泵出水管路中的闸阀开度加大，由于管路阻力系数变小，则管路需要扬程曲线变缓，于是，水泵工作点就沿着Q～H曲线朝着流量增大的方向移动。

3.2.2 变速调节

用改变水泵转速来扩大水泵的使用范围或适应泵的运行要求的方法，叫变速调节。根据比例律，当水泵泵转速n改变时，水泵的性能参数Q、H、N也就随着转速的一次、二次、三次方变化。因此改变水泵的转速，可使水泵性能曲线改变，从而达到调节水泵工作点的目的。变更水泵转速的方法大体有两种：一种是采用可以变速的动力机，另一种是采用可变速的传动设备进行变速。

水泵变速运行的范围不宜过大。如果转速降得过多，不但效率降低，同时也说明该泵选择不当，不宜使用；采用增速运行时，速度增加一般也不宜超过5％，必要时需校核零部件的强度。另外，增速后的水泵汽蚀性能变坏，水泵的吸程变小。

4结语

水泵型号和台数的选择是否合理对工程投资、运行费用和工作保证率都有影响，因此，在喷微灌工程的设计中应结合工程的水源、管理水平、要求保证率等实际情况，根据管网布置和水力计算结果初选水泵，然后根据所选水泵的性能曲线和管网水力特性校核不同轮灌组工作时水泵的工作点和管网各点的压力，必要时通过改变水泵工作点和其他调压措施调节管网中的压力，提高灌溉均匀度和灌溉质量，保证系统安全稳定的运行。

[作者简介] 刘志勇（1972-），男，编辑，在读博士研究生，研究方向为流体机械及工程。

参考文献

[1]  刘竹溪.水泵及水泵站[M].北京：水利电力出版社.1986.

[2]  喷灌工程设计手册编写组[M]. 北京：水利电力出版社.1988.