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1、淺論中國城鎮(zhèn)水務行業(yè)節(jié)能降耗之路摘 要:本文總結分析了我國水務行業(yè)存在高投資、高耗能以及難以治理的關鍵性問題,討論了傳統(tǒng)的不合理的城市管網(wǎng)改造方式,通過詳細介紹“真空高速流”技術在城鎮(zhèn)水務領域節(jié)能降耗的巨大潛力,以多年的研究成果為依據(jù),論述了“真空流”技術與水務行業(yè)各領域相結合的作用和意義,并提出我國水務行業(yè)未來節(jié)能降耗的發(fā)展思路與可持續(xù)發(fā)展趨向。關鍵詞:真空高速流 重力流 節(jié)能降耗 氣阻 管網(wǎng)Discussion on the Path of Energy-Saving & Consumption-Reducing for Water Supplies in Urban and To

2、wn in ChinaAbstract: The article summarizes the critical issues on huge investment, large energy consumption, and difficult management in the industry of water supplies in China, and discusses unreasonable traditional urban piping reformation mode. By introducing the great potentials about vacuum hi

3、gh-speed flow technology for energy-saving and consumption-reducing in water supplies industry in urban and town area, based on the research results derived from many years experience, this article explains the action and significance of combination of vacuum flow technology and water supplies indus

4、try, also provides the development consideration and sustainable development tendency about future energy-saving & consumption-reducing in water supplies industry in China. Keyword: Vacuum High-Speed Flow; Gravity Flow; Energy-Saving & Consumption-Reducing; Air Resistance; Piping Network城鎮(zhèn)水務

5、行業(yè)作為關系著國計民生的命脈行業(yè),牽動著廣泛的公眾利益,同時也影響著廣大水務企業(yè)的發(fā)展。面對日益嚴重的水荒,我國政府決定加大整個水務市場的投資總額,解決愈演愈烈的水資源供需矛盾。作為水務企業(yè)如何才能降低資金投入風險、把提高生產(chǎn)效率列入企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略,在保障需求的前提下以節(jié)能降耗為原則,積極應用成熟可靠的新技術、新產(chǎn)品,構建更加合理的生產(chǎn)方式,成為首要議題。節(jié)能降耗不僅關系國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,對企業(yè)本身也意味著降低成本,提升競爭力。管道輸水作為城鎮(zhèn)水務工程投資的重要組成,城市管網(wǎng)對于原水引水、配水的設計、投資、改造普遍存在投資大、能耗高、效率低等傳統(tǒng)特點。為達到節(jié)能降耗目標,水務企業(yè)在引水、配水

6、領域針對性的選擇并實施技術上成熟的“真空高速流”技術,對于未來城市管網(wǎng)運行、降低能耗投資、減少維護成本、提高生產(chǎn)效率都具有重大意義?!罢婵崭咚倭鳌奔夹g,以節(jié)能降耗為設計理念,經(jīng)過22年理論摸索,100多項水務工程實踐,為我國城鎮(zhèn)水務行業(yè)提出了最科學可行的節(jié)能降耗發(fā)展思路,它以區(qū)別于任何傳統(tǒng)供水方式的全新面貌出現(xiàn),將成為我國城鎮(zhèn)水資源可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。本文著重涉及管道供水節(jié)能方面。1我國水務行業(yè)城鎮(zhèn)供水問題剖析1.1管網(wǎng)漏失嚴重供水漏損率是反映水務行業(yè)企業(yè)管理水平的重要標志之一,長期以來,管網(wǎng)漏失率高,既困擾著供水企業(yè)的經(jīng)營與發(fā)展,也嚴重影響城市供水。根據(jù)建設部城市管網(wǎng)漏損率控制及評定標準規(guī)

7、定,城市供水基本漏損率為12%,我國城市供水平均漏損率約20%,與歐美先進城市7%漏失率相比還有較大差距。隨著我國城市化進程的推進,管網(wǎng)減漏對于節(jié)約水資源,保障經(jīng)濟和社會健康發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。管網(wǎng)漏失的原因:1.由于供水壓力的波動對管網(wǎng)的沖擊,管線瞬時水壓波動大,造成漏水;2.舊管網(wǎng)基礎設施落后,建設年代長,配水管網(wǎng)管徑小,銹蝕嚴重,管線老化;3.管網(wǎng)分布不合理,爆管現(xiàn)象時有發(fā)生,不僅嚴重浪費水資源,也成為安全供水的一大隱患。4.管網(wǎng)中安裝有大量排氣閥,一方面,閥門本身的密封性不好,會使水量流失造成浪費且流速高時進氣;另一方面,當處理爆管等突發(fā)事故時,若閥門不能及時關閉(或關閉不嚴),延

8、誤搶修時間,也將造成巨大損失。有時閥門因本身質量問題而無法正常啟閉,需更換時又造成新的水損。筆者經(jīng)過長期研究,認為長距離引水管道及配水管網(wǎng)中不斷摻入的大量空氣是造成以上四個主因的最根本原因,而管材、管徑、配件等則是次要影響因素。一些城鎮(zhèn)的地形溝壑縱橫、變化萬千,地貌凹凸不平、路形曲折。管網(wǎng)受地形限制,彎曲敷設。當管徑越大、流速越快,水源進水始端渦流摻進氣量越大。這些被旋渦源源不斷卷進管內的極微小氣泡,運行一段距離后,停留在各段管道的高凸處,形成氣阻,流體被空氣阻斷,過流截面減小,流速降低。一些管線距離較長,由于空氣大量的窩存于管道最高點,致使空化區(qū)附近的水流固體邊壁產(chǎn)生了剝蝕破壞,久而久之引起

9、材料的疲勞和管道的斷裂。氣體進入管道,易引起銹蝕,使管道老化加速。由于空氣的局部應力集中,爆管發(fā)生頻率增大。為驅除氣體而增設的排氣閥,成了管網(wǎng)摻氣及跑冒滴漏的新源頭。為提高供水流量、降低漏損,以提高管材質量和增大管徑為主的管網(wǎng)改造成為水務建設的重要手段。管網(wǎng)改造,投資巨大,許多供水部門在資金上存在較大困難,且改造后雖然局部改善水壓、管網(wǎng)漏失降低,但新管仍然擺脫不了氣阻的困擾,水壓不均、爆管隱患等問題無法徹底解決。提高管網(wǎng)輸水配水能力、降低漏失是否只能重新鋪設新管網(wǎng)?在通過對新型發(fā)展城市管網(wǎng)改造觀察中發(fā)現(xiàn),“真空高速流”在不改變原城市管網(wǎng)基礎上不僅提高供水能力15%100%,管道壓力反而降低了1

10、0%,使管網(wǎng)形成有效的保護機制,延長了管材壽命,降低了爆管率。唯有排除空氣對管網(wǎng)的直接影響,從源頭徹底杜絕氣體進入管道,是降低引水、配水管網(wǎng)漏損率的最有效方法。1.2供水壓力不足不少城鎮(zhèn)由于就近水源不足,大規(guī)模遠距離甚至跨流域調水,橫越河川、公路、鐵路等障礙物之底部的U形倒虹吸管段成為管流輸送必經(jīng)之路,摻入管內的大量氣體運行到U形管的始端,由于流速低,垂直向下運行困難,造成氣體窩積,過流截面縮小,流量不足、供水壓力不足、極易爆管。由于水頭損失的影響,多層住戶、邊遠地區(qū)易成為供水低壓區(qū)甚至零壓區(qū),經(jīng)常出現(xiàn)供水壓力不足,需要增壓的問題。自來水斷斷續(xù)續(xù),有時滴水皆無,24小時連續(xù)供水得不到全面保證。

11、居民吃水困難,影響正常生活;工廠缺水,導致生產(chǎn)停滯甚至產(chǎn)品報廢、設備損壞;消防水壓不足,將引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。供水壓力不足的問題,給供水企業(yè)和多層住戶造成增壓負擔,耗費大量能源。供水加壓還引起水質二次污染等附加問題。水質細菌超標,增加水箱清刷消毒成本,水質與水價的反比例增長,使大部分用戶難以接受。隨著人民生活水平的提高,供水矛盾逐漸突出,如何降低水頭損失、降低能耗、提高供水能力、根治二次污染、降低供水成本,成為我國水務行業(yè)必須優(yōu)先解決的重大問題。筆者認為,不改變管網(wǎng)現(xiàn)狀,大幅度減少水頭損失、提高引水配水流量是解決城鎮(zhèn)供水的最有效方法。2真空高速管流技術理論核心 通過以上分析,排除空氣對

12、供水管網(wǎng)的直接影響、大幅度的減少水頭損失,將成為水行業(yè)必須關注的兩大焦點。真空高速流技術自主創(chuàng)新,成功地克服這兩大難題,在減低管網(wǎng)漏失率,提高供水壓力方面具有創(chuàng)新突破性,節(jié)能效果顯著。2.1真空高速輸水運行原理概述“真空高速流”技術以大氣壓力與勢能為運行原動力,在節(jié)能方面具有天然優(yōu)勢。它雖以虹吸原理為基礎,卻與傳統(tǒng)虹吸明顯不同。真空整流裝置作為潛水式的固定裝置,避免了每次放水均需向管內充滿水的繁瑣過程,輸送管徑、距離可以無限大,虹吸最大真空高度可達到8mH2O,(如圖1所示),通過真空泵抽吸及液氣交換箱置換作用使真空部位產(chǎn)生高真空負壓,從而使倒U形管兩邊水位相互連通,當虹吸倒U形管兩端具有水位

13、差時,即可自行從高水位向低水位抽吸。運行過程無需任何外加動力。圖1 真空高速輸水運行原理圖2.2 真空高速流挑戰(zhàn)水頭損失根源論經(jīng)典理論認為,液體質點間的相互摩擦和碰撞產(chǎn)生的內摩擦阻力(粘滯力)是水頭損失產(chǎn)生的根本原因。紊流的脈動與液體質點的相互混摻產(chǎn)生的內摩擦也是紊流流速減弱,能量損失增加的最主要因素。所有“重力流”,都是依靠流體自重自上而下流動,受到地球的自轉偏向力影響,保持一定的旋轉狀態(tài)。當流速增大時,這種旋轉形成渦流(如圖2所示),水面直接與空氣接觸,當水體內部形成渦體,空氣也就伴隨著渦體卷入管道,水卷吸挾帶著空氣在管內運行。在無壓環(huán)境中,水在大氣中流動時受到的空氣阻力非常小,幾乎可以忽

14、略不計,但管道是一個相對密閉的有壓空間,當水分子挾帶著氣體分子在管內流動時,兩種質點相互混摻,氣體分子圖2重力流渦流摻氣現(xiàn)象 必將擾亂水體的正常流動,使質點相互碰撞和摩擦,運動要素產(chǎn)生不規(guī)則的急劇變化。在這種狀況下,水中的氣體分子由于浮力的作用上升到管壁,形成大小不等的氣泡,隨著氣泡的聚積,微小的氣泡將逐漸的長大并達到一定的體積而形成氣囊,氣囊使水體斷開,在局部形成“氣阻空管”狀態(tài)。由于氣體的可壓縮性,將對管道產(chǎn)生應力集中,而造成管壓的不穩(wěn)定性,此時流體中氣體摻入是造成液流附加切應力的直接原因,也是形成紊流的重要影響因素。利用水泵對水流進行做功,把機械能轉變成壓力能,使流體能量增加的輸水形式,

15、稱為“壓力流”。由于水泵是依靠葉輪的高速旋轉產(chǎn)生離心力作用于流體的,壓力管內流體只受到一個旋轉的、單向的“推力”,這個“推力”依靠流體本身的傳遞,既要克服流體的重力,又要克服沿程的摩擦阻力,由于不斷的摻氣而管內水充盈度不高,能量的傳遞受阻,其結果是:壓力管的始端水壓大,遠離的水壓小,水壓隨著管線距離的延長而逐漸降低?!皦毫α鳌彼w的旋轉同樣形成了渦流。水在管道中挾氣運行,空氣由于受到擠壓作用形成的局部氣壓過高對水流的阻礙作用(簡稱為“氣阻”)已經(jīng)超越了管壁摩擦力以及液體粘滯力而上升為影響管流運行的主要矛盾,不可視為忽略不計的因素。在實際重力流、壓力流工程中,沿程需要設置大量的排氣閥驅除空氣,以

16、增加過流截面,就說明了氣阻是水頭損失不可忽略的重要因素。真空高速流排除了氣阻,以同樣的水頭、同樣的流體、同樣的管道輸送環(huán)境,克服了同等的粘滯力作用和管道摩阻,不設排氣閥,卻能超常規(guī)地提高流速,增大流量,大幅度減少水頭損失,呈現(xiàn)出區(qū)別于傳統(tǒng)重力流、壓力流的明顯優(yōu)勢。運行過程不挾帶氣體,流速高,流量大,管壓均勻,水頭損失明顯降低。其實際效果說明了氣阻才是水頭損失的根源所在。真空高速流在提高流速的同時,管道壓力不但不增加反而更均衡,出水清澈透明,不含白色泡沫,與重力流、壓力流出水形成明顯區(qū)別。圖3、圖4是一組實際工程中調度室提供的通過圓盤記錄儀實測的同一地點壓力時間曲線圖,在同樣的工程狀況下,重力流

17、的管道壓力狀態(tài)不規(guī)則、呈齒輪狀,分布不均勻;相對而言,真空高速流則在比重力流流速提高的前提下實現(xiàn)了更理想的管壓狀態(tài)。重力流、壓力流在運行時,由于大量氣體的摻入,管道的部分空間被占據(jù),氣體縮小了管道輸送截面,不僅造成能量損失,還使輸送效率降低,流量大幅減少。當應力集中到一定程度,將由量變到質變而引起爆管事故,對于供水安全及節(jié)能降耗都產(chǎn)生極為不利的影響。在長距離引水工程中,排氣閥的使用不僅耗費人力物力財力,更主要的是它不能完全徹底排除氣體對于管流的干擾作用,排除一次之后不能控制氣體的再次進入,必須經(jīng)常性的定時啟閉,且管線流量的增加相當有限,必要時還必須通過“二次加壓”來增加能量。圖3重力流圓盤記錄

18、儀P-T曲線圖 圖4真空高速流圓盤記錄儀P-T曲線圖2.3 真空高速流區(qū)別于層流、紊流的流速分布狀態(tài)2.3.1圓管中層流、紊流的流速狀態(tài)分布圓管中的層流運動,可以看作是許多無限薄的同心圓筒層一個套一個地向前運動,圓管均勻層流的流速分布呈拋物線型。其流速分布表達式:紊流中存在大量渦體,并且渦體沿各方向進行輸移、混摻、碰撞,使紊流中任何一個空間點上的運動要素,包括流速的大小和方向、壓強等隨時間不斷在變化著。紊流的脈動特性使液體質點間不斷地交換動量、能量,從而引起附加切應力,使能量損失增加,導致流速分布均勻化,水流挾沙能力增大,熱量和物質擴散加速,并有可能引起建筑物的振動等一系列有害的現(xiàn)象。紊流的流

19、速分布通常采用半經(jīng)驗公式,應用最廣的是普朗特建議的指數(shù)型分布。其流速分布表達式: 如圖5所示,圖5圓管層流和紊流流動的斷面流速分布由層流向紊流過渡時的波動現(xiàn)象:(如圖6所示)圖6層流、紊流、過渡態(tài)流態(tài)對比示意圖2.3.2真空高速流體在管道中的運動狀態(tài)和流速分布筆者在實際應用和大量的工程實踐中發(fā)現(xiàn),牛頓內摩擦定律在真空高速流體的運行過程中并不完全適用。真空高速流是一種區(qū)別于重力流、壓力流以及傳統(tǒng)虹吸的輸水新形式。運行起始,液氣交換箱與真空泵運行工作,將氣體完全排出管道體系,形成無氣阻的最優(yōu)輸水環(huán)境。在垂直輸水虹吸管道中,由于管道水面以上部位形成了局部的高真空,潛水整流裝置處進口壓強大于大氣壓強,

20、巨大而恒定的壓力差使水在瞬間平穩(wěn)迅速的進入整個管道,由低往高處攀升,并隨著管線持續(xù)不斷的沿一個方向流動,管線建設可隨地形起伏,因地制宜。吸水時,液面異常平靜、無渦流出現(xiàn),進入管內的水流不摻氣,管內水充盈度高,形成“滿管流”,最大的真空輸水高度可跨越水面以上八米。為了避免產(chǎn)生紊流,導致管道內的流層運動呈不規(guī)則的曲線上升狀態(tài),真空整流裝置設計了特殊的精密機械結構克服了與流向相垂直的力學分量。使用密布且排列規(guī)范的微型液壓缸對進入真空的流體進行整流,將大管徑流體分割成有限微元,使每個輸水單元相互之間不擾動、不混摻,改變整管管流的流速梯度(如圖7所示),任意一個“輸水單元”都具有同等的力學性質,在垂直整

21、流管中,真空高速流體質點在管道內的分布基本是均勻的。當有限微元的數(shù)量趨近于無窮大,則管流接近于無粘滯力的理想狀態(tài)。圖7圓管真空高速流流動的斷面流速分布3真空高速流技術應用現(xiàn)狀真空高速流是一項利用自然條件,無需任何外加動力,節(jié)能高效的全新輸水技術。它人為疏導完善了輸水運行環(huán)境,改變了水體運行的流態(tài),大幅度的減低了水頭損失。在實際應用中日臻成熟,已實施工程百余項,解決了眾多水工程技術難題。可應用在城鎮(zhèn)自來水供水配水、長距離引水、水庫溢洪、防汛抗旱、水電站增容發(fā)電、水庫清淤、農(nóng)田灌溉、工業(yè)循環(huán)水、地下水回灌、輸送石油、海水、鹵水等諸多領域,幾乎涵蓋了水行業(yè)的方方面面。特別適用于高水頭、大管徑、長距離

22、、耗資巨、地形復雜、起伏大、水質二次污染、需二次加壓且流量無法滿足、管道氣蝕爆裂嚴重等系列工程改造。對于城鎮(zhèn)水務工程,采用“真空高速流”對重力流、壓力流工程進行改造,改善水務行業(yè)“瓶頸”狀況,有助于中國水行業(yè)節(jié)能降耗工作的順利實施。4真空高速流技術節(jié)能優(yōu)勢真空高速流技術節(jié)能優(yōu)勢眾多,應用領域廣泛,以最少的能源消耗量(運行不耗任何能源),達到最優(yōu)的輸水效率,節(jié)能效果顯著。如下表1:節(jié)能優(yōu)勢對中國城鎮(zhèn)水務行業(yè)產(chǎn)生的影響1流量大增,大幅度降低工程水頭損失不改變原供水管網(wǎng)任何條件,流量比同條件“重力流”供水提升15%-100%;提高幅度依據(jù)地形特點以及管徑的大小而變化。地形越復雜,起伏越多,管徑越大,

23、則流量提升越顯著。2運行不耗電,節(jié)省電力資源運行完全依靠大氣壓力與勢能作用,節(jié)能無污染,不耗用電能,完全自動抽吸供水,不必人工值守,只需一次充水即可終身使用,運行方便,流量可通過閥門控制。3解決爆管事故問題,降低水資源漏損由于沒有氣體集中應力作用,管壓更均勻,更有利于保護管網(wǎng),大量減少爆管事故發(fā)生,增加管材壽命。避免爆管引起的人民生產(chǎn)、生活損失,利于供水企業(yè)的后期維護。同時,減少水資源直接及間接的浪費,防止漏損,高效節(jié)能。4無需設置排氣閥,減少工程設備投資供水全程無需設置排氣裝置,在進水口處徹底杜絕氣體進入,水體更連續(xù),運行更安全,在減少排氣閥投資的同時,也降低了許多工程附加維護投資,避免了人

24、工定期進行管網(wǎng)排氣的麻煩,維護更輕松,投資更節(jié)省。5無需二次加壓,減少泵站投資輸水距離更長,供水壓力更足。只要配水點與原水液面具有一定的落差,水體無需經(jīng)過二次加壓可直接上多層建筑及一些相對較高的小山坡,高于引水水面有揚程的部位可局部加壓。供水壓力甚至比重力流二次加壓后更大,效果更佳。大量節(jié)省二次泵站及樓頂水池的投資。6輸送效率高,減少管材投資輸送效率顯著提高,無需費巨資更新管材,同樣達到節(jié)能效果。7充分利用地形,減少土石方開挖真空高速流技術可替代壩下泄水涵管,徹底消除土壩放水涵管的隱患,且比大開挖壩體重新埋設涵管節(jié)省投資。任何水工程或水電站可充分利用地形,隨著地形起伏敷設管道,縮短工期且減少土

25、石方開挖。8減少汽蝕,延長機電設備使用壽命由于沒有空氣摻雜,不再對壩內涵管及水輪機葉片等形成強烈汽蝕,更有效的保護機電設備,保護管網(wǎng)。9結構簡單,節(jié)省工期及人力投資真空高速流技術只需要在原重力流基礎上加裝一套設備,進行真空改造及整流,即可達到最佳的輸送效果,結構簡單,利于節(jié)省工期。10運行方便,降低后期維護成本完全自動運行,只需要簡單維護,控制水位流量,保護真空不被破壞即可。11避免二次污染,提高供水水質避免了因二次加壓引起的水質二次污染,清淤更方便,減少因氣體引起的管壁銹蝕老化,水質更加清澈透明,安全無污染。12消除水庫事故隱患,確保人民生命財產(chǎn)安全運用于水庫溢洪及長距離引水,迅速自動調配水

26、資源,靈活機動,無需大量人力抗洪搶險,使水庫更無后顧之憂,人民生命財產(chǎn)安全得以保障。表1 真空高速流技術節(jié)能優(yōu)勢一覽表5典型工程實例現(xiàn)以具有典型性的工程案例福建省永安市自來水配水工程與河南省平頂山石龍區(qū)長距離穿壩引水工程的成功改造為例,進一步闡明幾個具體問題。5.1福建省永安市自來水配水工程工程概況:永安市水司配水工程原采用“重力流”輸水方式,兩座各4000立方米清水池,池底標高為240m,其中一池工程管道為700mm,二池工程為 600mm,兩管在1.7km外并網(wǎng)供水,城區(qū)最高處標高為230m,最低處為160m。永安市城區(qū)最高處為一座18層的高層建筑(中國銀行大樓),頂層標高230m,采用“

27、重力流”配水,自來水只能送到10-12層(約215m),但出水量很??;城郊邊遠地區(qū)有一駐地部隊,距水廠18km,支管直徑100mm,供水管道中途需加壓,城區(qū)內的紅頭山高位水池,一般晚間水壓必須達到4.5kg/cm2才能進水。管網(wǎng)摻氣、窩氣量很大,運行中若關閉主管道靠近清水池的第一個排氣閥,2小時后開啟,需排氣3分鐘?!皻庾琛笔窃斐缮鲜霈F(xiàn)象的主要原因,并直接影響了總配水量。按照常規(guī)分析:1、中國銀行大樓與高位水池距離9km,其水頭損失10m (兩地水頭差即240m230m);2、9km的主管道并聯(lián)不少的支管,連接著千家萬戶,大家都在用水,水壓自然下降,城區(qū)多層樓房水上不去是很正常的;3、主管或支

28、管的管徑偏小,導致供水壓力不足,水頭損失大;永安市以上兩處出現(xiàn)的情況普遍存在,具有代表性,樓層最高點及遠程部隊在給水系統(tǒng)中被稱為“最不利點”。當“重力流”改用“真空高速流”配水后6個小時,在用水高峰期,供水高度達到18層,比原供水方案提高了20米以上,而且出水壓力更大;部隊中途無需二次加壓,自來水直達營地,流量比先前二次加壓時更大。由于流速加快,“真空高速流”還具有將長期阻塞在管道內的淤泥從各出水口驅除出來的特殊功效。城區(qū)紅頭山高位水池全天候均能進水,水壓僅在3.8kg/cm2,氣阻減少,凡管網(wǎng)中低于高位清水池液面的用戶,97%在24小時內均能出水,配水量普遍比重力流提高40%左右。永安水司自從使用了“真空高速流”配水,延長配水距離60%以上,完全可以滿足城市地面六七十米高度任何出水口的供水需求,100%消除了“供水最不利點”,減少高樓水池的二次污染,爆管率降低70%以上,徹底解決城市邊遠地區(qū)及高層建筑用戶用水難的問題。對城市進一步實施“分質供水、直飲水”提供了最強大的技術與設備支持。 5.2 河南平頂山石龍區(qū)長距離穿壩引水工程工程概況:河南平頂山石龍區(qū)長距離穿壩引水工程2005年底

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