摘要：首先应用力学基本理论，结合大小便的特点及生活常识,分析大小便冲洗运动过程，探讨节水冲洗途径；然后运用分析结果，深入探究现有便器冲水装置在节水方面存在的不足，最后指明新型科学节水便器冲洗装置所应具备的特点。
关键词：便器冲洗装置；节水；理论分析
中国是世界13个严重缺水国家之一,人均拥有淡水量居世界第88位,人均水资源拥有量为2370m3,约为世界平均水平的1/4[1]。当前,全国600多座城市缺水,日缺水量達1600万m3[2],每年因缺水影响工业生产值2300亿元[3]。随着我国社会和经济的发展，水的缺口越来越大，,严重缺水将是中国21世纪可持续发展的重大制约因素之一，节水势在必行。
2006年全国用水消耗总量3042亿m3，其中生活耗水占12.2%，城镇生活耗水率（消耗量占用水量的百分比）为29%[4]。在生活用水量中，便器冲洗水量占30%-40%[5]，因此如果能在便器节水冲洗上能有突破，不仅能减少污水排放，而且还会创造巨大的经济效益和社会效益。
1 大便冲洗时的受力及运动分析
大便冲洗时的特点是重量大，阻力大，所需的冲击力大，附着面积通常较小。为了便于分析，将大便抽象为图1所示方形重物。在大便由静止运动至下水道过程中，水平方向受水的冲击力F，便器壁面对大便的摩擦阻力f；垂直方向受大便自重G与便器壁面对大便的支撑力N。
整个冲洗过程分为如下四个阶段：
⑴ 在冲水前，大便处于静止状态；⑵ 冲水过程中，大便由静止开始运动，其摩擦力f由静摩擦力变为动摩擦力，由于静摩擦系数大于动摩擦系数[6]，阻力f由大变到小；⑶ 大便冲入下水道后，接下来水的作用主要是冲洗附着在壁面上的大便；⑷ 大便冲洗干净后，冲水的最后作用是在下水道的弯头上产生虹吸，吸走大便，并形成新的封水弯头。
上述四个阶段的“摩擦阻力f---时间t”的近似关系如下图2所示：
由上图可知，在冲水量相同的情况下，如果能缩短t1的时间，使大便尽快由静止开始运动，同时如果能提高大便运动速度，就可缩短t2的时间，相应增长t3冲洗残余时间，提高冲洗效果；相反如果要达到相同冲洗效果，缩短t1+t2+t3+t4，就能减少冲水量，节约用水；
生活中经常看到由于水压不够，冲击力低而导致上图中t1时间很长，间接导致t2、t3、t4时间过长，严重浪费水资源。
提高水的出水压力就能提高水的冲击力，达到节水和增强冲便效果。在相同的冲便效果下，最节水的冲便装置是使水冲击力顺应上图化的规律。
2 小便冲洗分析
除大便以外的脏物都等同于小便，其特点是重量轻，阻力小，所需的冲击力也小，但是其附着面积大，冲洗时需扫过的面积大，相当于表面冲洗，冲洗分为三个阶段，如图3所示：
⑴ 在冲水前，脏物处于静止状态，附着面积最大；⑵ 冲水过程中，脏物面积随水的扫过时，面积逐渐减少；⑶ 脏物冲入下水道后，剩余的水有一个作用，就是下水道的弯头上产生虹吸，吸走脏物，并形成新的封水弯头。
由上图可知，如果提高水流速度，使水在较短的时间里扫过脏物的附着面积，缩短t1就可以节水；同时水的冲击力大，有效的清除附着在壁面的脏物，增强冲洗效果。
3 现有便器冲洗机构节水性分析
综合前面论述，提高水的冲击速度，是节水的关键。要提高水的冲击速度，就要提高水压，很显然不能盲目要求自来水厂提高其送水的压力，送水的管网系统有其能承受的最大压力，各种阀门接头也有其承受的最大压力，不能超过这一极限压力。为达到节水和增强冲便效果的目的，应该充分利用水厂的供水压力，提高水的冲击力。
现有便器冲洗装置有两大类，一类是水箱式，另一类是阀门式。小便器只是公共场所男士们用，女士大便和非大便都共用一个便器。
3.1 水箱式冲洗装置节水性分析
水箱式冲洗装置如图4所示。根据建设部发布的强制性条文规定，马桶每次冲洗周期大便冲洗用水量不大于6升。当水压为0.3Mpa时，大便冲洗用产品，一次冲水量为6升至8升，小便冲洗用产品一次冲水量2升至4升，这种冲水是利用水的自重所产生的冲击力来冲便的，这种冲水并不真正节水，并不科学。
此类冲水装置的“水压力P-时间t”关系如下图5所示：
AB段为储水箱水满后的压力，其储水高度低于自来水进入储水箱所提供的压力FG。
BC段为大便充水时的水压变化，起点B时冲水阀开启，水箱中水的压力小于直接用自来水直接冲击的压力FG，冲击力小，效果肯定变差；近C点时，水压为0，此时的水完全是一种浪费，没有起到任何冲洗效果。
BD段为小便冲水时的水压变化，其冲水量小是因为阀门提前关闭，仅用了水箱中一半的水冲洗。其冲击力肯定比用自来水压力FG直接冲击的力小，效果差。
CE、DE为冲便结束后由自来水进水时水箱中的水压恢复曲线。
很显然，为了节水和增强冲洗效果，应该充分利用自来水的压力，而不是将其节流减压后再冲便，节水箱并非真正节水。
3.2 阀门式冲洗装置节水性分析
这几种阀门共同点都是利用自来水厂所送水的自身压力来进行冲便，充分利用了自来水压，但存在如下问题：⑴ 受自来水自身的输送压影响较大，例如高楼层上因水压不够而导致大便冲不动，达不到冲便目的，更谈不上好的冲洗效果了。⑵ 大便小便的冲水量完全相同，严重浪费水资源。大多数家庭或公共场所都只安装图用6所示冲便装置，水资源浪费严重。⑶ 冲水时间是固定的，不能根据安装点的水压情况调节，相当一部分水压高的安装点冲洗时间过长，浪费水资源。
4新型节水便器冲水装置的要求
便器冲洗装置是人们生活所必须的，为简化操作，都采用延时关闭技术，使用者只需按一下按钮，剩余的冲洗关闭动作全自完成，该时间由最初的设计确定，使用者不能更改，用水量不能根据实际情况调节。
综合上面的论述，新型节水便器冲水装置应能满足以下要求：4.1 在冲水之前应能充分利用自来水的已有水压，局部提高水压，增强水的冲击力，实现节水目标，并且强化冲便效果，提高装置的楼层适应性，即不同楼层、不同水压情况均能用较少的水实现冲便效果。4.2 具备延时关闭功能，使用者只需做一次操作，剩余的冲洗关闭动作全自动完成，不能增加操作的难度。4.3 合并男士女士大小便冲洗装置，使得脏物无论轻重，都能用不同的水量冲洗干净，实现全面节水目标。4.4 能根据不同安装点的水压情况做一次预设置，以后再冲水时都能在最科学的状况下冲水，实现最经济的节水目标。
5结束语
本文基于生活常识，提高便器冲水压力就能提高水的水击力，进而增强冲洗效果，达到节约用水的目的，分析时从基本摩擦理论入手作了定性分析，实际数据还有待科学的实验加以验证，但可以做出合理推论，国家规定大便冲水量为6L，小便冲洗量为3L，3L可以形成虹吸并吸走污物，因此完全可以设计一种在3L以下冲洗所有大便小便的装置，实现真正意义上的节约用水。
参考文献
[1]黄仲杰，我国城市供水现状、问题与对策[J].给水排水,1998,24(2):18~20.
[2]马永平，卫生陶瓷将再次引爆“节水革命”[J].中国建材报,2004-5-7.
[3]王汉贤，水资源短缺与卫生洁具的改进[J].陶城报,2003-12-12.
[4]2006年中国水资源公报 中华人民共和国水利部 2007-09-27.