阿基米德螺旋泵的原理

历史学家狄奥多罗斯（Diodorus Siculus，公元前1世纪）记载阿基米德在埃及时，发明一种螺旋水泵，被埃及人广泛使用。

这种扬水机是为了将水从大船的船舱中排出而发明的。扬水机可以利用螺旋把搬运到高处,在埃及得到了广泛的应用，是现代螺旋泵的前身。

水的提升对于人类生活和生产都十分重要。古代已有各种提水器具，各种泵的起源国家是不同的。如：

埃及的链泵（前17世纪），中国的桔槔（前17世纪）、辘轳（前11世纪）、水车（公元1世纪），公元前3世纪古希腊阿基米德发明的螺旋杆等。

公元前200年左右，古希腊工匠克特西比乌斯发明了最原始的活塞泵-灭火泵。早在1588年就有了关于4叶片滑片泵的记载，以后陆续出现了其他各种回转泵 。

1689年，法国的D.帕潘发明了4叶片叶轮的蜗壳离心泵。

1818年 ，美国出现了具有径向直叶片 、半开式双吸叶轮和蜗壳的离心泵。

1840～1850年，美国的H.R.沃辛顿发明了泵缸和蒸汽缸对置的蒸汽直接作用的活塞泵，标志着现代活塞泵的形成。1851～1875年，带有导叶的多级离心泵相继发明，使发展高扬程离心泵成为可能。随后，各种泵相继问世。随着各种先进技术的应用，泵的效率逐步提高，性能范围和应

公元前200年左右，古希腊工匠克特西比乌斯发明的灭火泵是一种最原始的活塞泵，已具备典型活塞泵的主要元件，但活塞泵只是在出现了蒸汽机之后才得到迅速发展。

1840-1850年，美国沃辛顿发明泵缸和蒸汽缸对置的，蒸汽直接作用的活塞泵，标志着现代活塞泵的形成。1851-1875年，带有导叶的多级离心泵相继发明，使发展高扬程离心泵成为可能。19世纪是活塞泵发展的高潮时期，当时已用于水压机等多种机械中。然而随着需水量的剧增，从20世纪20年代起，低速的、流量受到很大限制的活塞泵逐渐被高速的离心泵和回转泵所代替。但是在高压小流量领域往复泵仍占有主要地位，尤其是隔膜泵、柱塞泵独具优点，应用日益增多。

①使用的目的不同。水泵的目的在于制热，研究的着眼点是工质在系统高压侧通过换热器与外界环境之间的热量交换；制冷机的目的在于制冷或低温，研究的着眼点是工质在系统低压侧通过换热器与外界之间的换热；

②系统工作的温度区域不同。水泵是将环境温度作为低温热源，将被调节对象作为高温热源；制冷机则是将环境温度作为高温热源，将被调节对象作为低温热源。因而，当环境条件相当时，水泵系统的工作温度高于制冷系统的工作温度。

2。水泵的由来

随着工业革命的发展，19世纪初，人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”送到温度较高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。英国物理学家J.P.Joule提出了“通过改变可压缩流体的压力就能够使其温度发生变化”的原理。1854年，W.Thomson教授（即大家熟知的LordKelvin勋爵）发表论文，提出了热量倍增器（HeatMultiplier）的概念，首次描述了水泵的设想。

当时，水泵供暖的对象主要是民用，供暖需求总量小，特别是对由于采暖方式及其对环境的影响尚没有足够的意识。人们采暖的方式主要是燃煤和木材，因而，热泵的发展长期明显滞后于制冷机的发展。

上世纪30年代，随着氟利昂制冷机的发展，水泵有了较快的发展。特别是二战以后，工业经济的长足发展带来的对供热的大量需求及相对能源短缺，促进了大型供热及工业用水泵的发展。1973年的全球性能源危机，进一步促进了水泵在全世界范围内的发展。

中东地区严重缺水，埃及作为一个中东国家，也面临着缺水的难题。水资源是中东地区动荡的原因之一，同时也制约着中东国家的经济发展。同样作为中东国家的以色列，在老美的扶持下站稳了脚跟，凭借着先进的科技将沙漠变为良田。把尼罗河水引入沙漠造绿洲，埃及曾经实施过，不过最终以失败告终。

埃及位于非洲东北部，地处欧亚非三大洲的交界地带，其境内的苏伊士运河连接着大西洋与印度洋，是世界上最重要的海上交通航线之一。曾经的古埃及是世界四大文明古国之一，他们建造了闻名世界的金字塔。如今，斯人已去，现在统治埃及这片土地的是阿拉伯人，总人口已经快接近1亿。

埃及国土虽然有100万平方公里，但是沙漠与半沙漠却占了国土总面积的95%，是名副其实的沙漠之国。仅西部沙漠，就占全国面积三分之二，且大部为流沙。因此，埃及全境干燥少雨，气候干热。埃及毗邻世界上最大的沙漠——撒哈拉沙漠，埃及国土内的沙漠其实就是撒哈拉沙漠的一小部分。

埃及国土面积虽然比较大，但可供人居住的地方很少。位于埃及北边的尼罗河三角洲和北部沿海地区，与地中海相傍，属亚热带地中海气候，气候相对温和，90%多的人口都集中居住在这个仅占国土面积不到5%的地区，人多地少的矛盾十分突出，用于农业发展的耕地就更少了。

而尼罗河是世界第一长河，全长6000多公里。尼罗河由南到北贯穿埃及全境，这一段的长度大约1500公里，形成了狭长的河谷，沿河两岸谷地还形成了绿洲带。尼罗河的水最终注入了地中海，并在首都开罗以北形成了尼罗河三角洲。尼罗河在埃及的地位，就如同黄河和长江在中国的地位，属于母亲河。没有尼罗河，也就没有古埃及文明。

在上世纪50年代，埃及人就已经有了引尼罗河水灌溉沙漠的想法，并提出了新河谷计划。当时的埃及刚刚建国不久，无论是在技术还是资金方面都达不到要求，最终放弃了。为了与干旱缺水做斗争，上世纪70年代，在苏联的帮助下，埃及建造了阿斯旺大坝，并形成了非洲最大的人工湖——纳赛尔水库。

上图为纳塞尔水库一角。

纳赛尔水库让埃及人尝到了甜头，埃及总统穆巴拉克于1997年启动了新的计划——图什卡工程，计划将埃及西部沙漠变成绿洲。这项工程的规模甚至比三峡大坝工程还大，预计20年完成，被称之为穆巴拉克的金字塔。不过终究是纸上谈兵，没有考虑实际情况，最终因为资金、管理等问题烂尾了。2011年，随着穆巴拉克政府的倒台，埃及人民改造沙漠的梦想终究没能实现，图什卡工程投入的60多亿美元也打了水漂。

埃及人的引水造地计划之所以没有实现，除了资金和管理上的问题，没有科学合理地制定相应的计划也是重要的原因。图什卡工程引水用的是水泵抽水，并且是在尼罗河埃及段的上游大量抽水，这势必会导致下游水量减少。而且该工程没有像以色列那样采用滴灌技术，而是大水漫灌，这十分浪费水资源。图什卡工程本质上是政治强人穆巴拉克为埃及人构建的一个美好梦想，根本没有考虑实际情况和可操作性。

沙漠改造是一项大工程，并且是一项长期工程，不是一朝一夕能够完成的。国土大面积沙漠化，不管是自然原因还是人为原因，先要植树造林、防风固沙、固定水资源，从沙漠的边缘地带向内推进，或者分区域推进，然后才是造田造地以及移民，在水资源和绿色植物的配合下，最终改变当地气候环境。

在引水以及改造沙漠戈壁方面，我国有拥有丰富的经验，南水北调和三北防护林就是例子。青山绿水就是真金白银，我国建国之初就开始了防风治沙，并且一直鼓励民众参与植树，每年的3月12日就是我国的植树节。

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1.水资源及开发利用

埃及以干旱著称，降水稀少，年均仅10毫米，地中海沿岸年降水150～200毫米，开罗地区28毫米，开罗以南广大地区基本为无雨区，而且蒸发强烈，纳赛尔湖年均蒸发2500毫米。尼罗河是埃及唯一的河流，也是唯一的地表水源，可以这样说，尼罗河哺育了埃及人民，没有尼罗河也就没有埃及。尼罗河在阿斯旺年径流量840亿立方米，根据1959年埃及和苏丹两国签订的分水协议，埃及分享水量555亿立方米，苏丹分享185亿立方米，另100亿立方米作为最大蒸发量。待尼罗河上游工程完成后，尼罗河增加180亿立方米可用水量，埃及可再多分得90亿立方米，那时享有尼罗河水6.45亿立方米，另有地下水5亿立方米，灌溉回归水约1.20亿立方米，部分资源化后，水资源总量为685亿立方米，如果全部资源化，最大可能水资源770亿立方米。1990年埃及总用水量达到514亿立方米，水资源的开发利用达到很高程度，农业灌溉是最主要的用水户，年用水440亿立方米，约占总水量的85%，工业用水占9%，城市生活占6%，人均综合用水量为913立方米。

2.西水东调工程

(1)西水东调缘由埃及经济以农业为主，但人口多，耕地少，1997年人口6200多万，耕地4200余万亩(280余万公顷)，人均耕地不足0.7亩(0.047公顷)，在耕地面积中约1／3种植棉花，是世界长绒棉的主要产地，也是埃及主要的出口物资，粮食不能自给，根据埃及农业发展政策，要求采取扩大耕地面积和提高单位面积产量双管齐下举措，增加粮食产量，最大限度地减少粮食进口，增加水果、蔬菜出口，其次是埃及人口集中在尼罗河三角洲和尼罗河谷，其它地方人烟稀少，位于亚洲部分的西奈半岛基本没有开发，对国家均衡发展极为不利，从长远社会经济发展要求考虑，迫切需要开发。西奈北部地势平坦，适于农耕，制约西奈发展的关键因素是水，而西奈半岛非常缺水，地表大部为沙漠覆盖，埃及唯一的水源是尼罗河，要开发西奈只有跨大洲从尼罗河调水，别无他途。

(2)西奈北部开发总体规划埃及公共工程和水资源部为开发西奈半岛成立了“西奈北部开发委员会”，专司西奈北部开发工程的建设和管理，即埃及西水东调工程，工程主要有三部分：①苏伊士运河以西渠道；②穿苏伊士运河输水隧洞；③西奈北部输水工程，规划开发耕地378万亩(25.2万公顷)，其中苏伊士运河西侧非洲部分开发126万亩(8.4万公顷)。

苏伊士运河以东亚洲部分西奈半岛北部开发252万亩(17.36万公顷)，总用水44，5亿立方米，其中引用尼罗河淡水21，1亿立方米，利用三角洲灌溉回归水23.4亿立方米，大体按1:1混合进行灌溉，部分采用喷滴灌。根据不同土壤，分别种植谷物、水果、蔬菜、牧草和油料等作物，发展工农业生产，提供就业机会，减少粮食进口，增加水果、蔬菜出口。按规划将从人口过密的尼罗河谷移民75万人，来西奈北部发展，建立新村45个，每村约5万亩(0.33万公顷)耕地，建立中心村10个，每个中心村辖4～6个新村，划分成5个区进行开发。

(3)西水东调工程的规划与施工西水东调工程从尼罗河三角洲地区起建萨拉姆渠，引尼罗河(杜米亚特河)水东调，在东调中加入排水(灌溉回归水)，萨拉姆渠到苏伊士运河段长约87公里，调水从苏伊士运河底下经隧洞立交穿过，继续东调175公里直达阿里什干河谷，连同运西段，西水东调工程主干线全长262公里。西奈北部开发工程基本是在沙漠地区进行，建设条件艰苦，但工程设计标准高，施工质量好，输水工程为减少渗漏损失，采取混凝土全断面衬砌，引进成套渠道衬砌设备进行施工，从渠道削坡、混凝土浇筑、震捣、切割分缝等全部机械化作业。尼罗河三角洲地势低平，穿苏伊士运河工程两端又有水位控制，因此东水西调工程为顺畅输水，设有九处抽水泵站，其中在输水干线上设有7级泵站，逐级提水东调，在最后一段，即第四开发区到阿里什河谷的第五开发区。由于地形复杂采用压力管道输水，水泵加压75.5米，抽水流量52.6立方米每秒。为预防干旱地区因灌溉产生土壤盐碱化问题，在灌溉工程建设的同时建设了排水系统，以控制开发区的地下水位。

(4)穿苏伊士运河工程这是埃及西水东调工程中的最大单项工程，也是工程技术难度最大的一项工程。苏伊士运河为沟通地中海与红海的齐洋面运河，水位为0.0米，现运河底为—19.5米，计划将来浚深拓宽，河底深至-27米，设计输水隧洞顶部高程为—39米，距运河设计河底有12米距离，砂黏土地层，运河西侧有公路、铁路、供水渠道等设施，全部以隧洞形式与这些设施立交，设计输水隧洞长770米，最大输送流量160立方米每秒，设4条圆形隧洞，内径5.1米。隧洞由英国豪克公司设计，意大利公司施工，使用德国海伦克奈特公司盾构机开挖衬砌，隧洞外衬用预制30厘米厚混凝土拱片，中置2毫米厚pvc薄膜，内衬混凝土厚32厘米，隧洞两端进出口设有控制建筑物。

(5)工程投资与效益西水东调开发西奈北部沙漠是埃及最大的土地开发项目，建设内容包括两大部分：①基础设施工程，主要有灌溉排水系统、输变电系统、道路工程；②开发区及新村建设，主要有农场内部的灌排水网、住房、公共服务设施、内部供电和交通等，按1994年价，总投资约17.24亿美元。工程于20世纪90年代初全面开工建设，至1995年苏伊士运河以西萨拉姆渠及土地开发等项目全部完工，1994年初开始建设穿苏伊士运河输水隧洞工程，工期3年，于1997年5月完工。

1998年10月26日，埃及总统穆巴拉克亲临西水东调穿苏伊士运河工程，按动提闸放水的电钮，在埃及历史上开天辟地头一回，通过苏伊士运河底下的输水隧洞，将尼罗河水调至干旱缺水的西奈半岛，为工农业生产和人民生活提供了宝贵的水资源。预计西奈北部开发工程将在2000年全部完成，届时西水东调工程将横贯西奈北部平原，苏伊士运河东西两岸将新增约380万亩(25万公顷)耕地，大片沙漠因有水而变为良田沃野，新建45座新村和住宅区，为150万人口提供生活用水，有效缓解埃及粮食的短缺状况，增加水果、蔬菜出口，促进西奈经济社会的全面发展与繁荣。