给水补偿式虹吸系统在水位监测中的应用

王维维

摘 要：给水补偿式虹吸装置技术属于新型环保节能技术范畴，其机理是在虹吸作用原理的基础上进行改进创新而成。该技术在上桥闸防汛抗旱（水位监测）实践中获得圆满成功。文章重点论述该虹吸系统装置设计、操作及应用效果。

关键词：虹吸作用；虹吸破坏机理；虹吸补偿装置；系统操作；效果

1 概况

上桥枢纽工程位于安徽省怀远县找郢乡境内。主要功能以分洪、蓄水灌溉、排涝和通航为主。上桥闸为本枢纽主体工程之一，设计排洪标准为20年一遇，闸上水位23.1m，闸下水位22.95m，流量2600m3/s；校核排洪标准为50年一遇，闸上水位24.35m，闸下水位24.20m，流量2900m3/s。设计闸上正常蓄水位22.5m，最高蓄水位23.0m，最低蓄水位21.0m。河底高程13.20m。上桥闸闸上历史最高水位23.45m，最低水位15.74m，水位变幅为7.61m。

上桥闸上水位测站于2011年11月开工，2012年4月完工并验收通过。其中虹吸装置安装是其主要项目之一，经2年多实践检验，证明给水补偿式虹吸系统优点突出，效果良好。文章根据工程特性及使用效果进行总结，供读者参考。

2 虹吸作用及破坏机理

虹吸现象是在正常的大气压下，管内液体在液态分子间引力与位能差作用下，液体由压力大的一边管口流向压力小的一边，直到管口两端的压力相等，液体面高度相同时，管内液体就会停止流动。现今人们利用大自然的虹吸现象在水力发电、防汛抗旱、溢流灌溉、水库清淤、地下水回灌等工程水利领域得到广泛应用，属于新型的节能环保技术。

但是，在实际应用中虹吸管道往往要越过一较高障碍物，自然形成虹吸管“驼峰”，“驼峰”顶点即为虹吸作用高度。要使虹吸现象发生，必须使虹吸管充满液体或使管道内的气体排出，形成真空后，才能产生虹吸作用。由于本工程外河水面上下动态变化，致使溶解于水中气体缓慢进入并滞留在虹吸管驼峰内产生气泡，当气泡两端阻断虹吸管流体时，从而破坏了虹吸作用。

3 补偿式虹吸装置设计及使用效果

为维持虹吸作用时长，目前解决虹吸问题的常用方法是利用电动真空泵提取虹吸管内空气，形成真空（负压）。依据上桥多年实践，其优点是直观，易理解。但是其缺点尤为突出：耗时、耗能；虹吸作用时间短，开机频次高（据统计每10天提取真空1次）。

2012年3月，本工程大胆采用给水补偿式虹吸装置设计，见图1。该系统配置为PE63级聚乙烯管材（Φ75、0.8MPa）、无塔供水钢罐（150L）、上海产真空表及气阀等构成。钢气罐是修复虹吸作用的关键设备。经2年多的实验，取得圆满成功。其优点较为突出：高效节能、省时、省力；补水方式灵活、快捷；延长虹吸作用时长，降低操作频次（每45天提取真空1次）。

4 补偿式虹吸系统操作要领

4.1 初次虹吸系统操作步骤

首先打开气阀A（控制钢气罐与虹吸管进出水道）、气阀B（控制钢气罐与外接管进出水道），关闭气阀C（控制排气及溢流作用），此时气罐内的水体在自重及外力作用下，通过气阀A流入虹吸管内。测井内水位不断上升，当水面淹没至虹吸管口以上时，真空表指针由0.0Mpa逐渐上升，并伴随管内气体向外排出声。当虹吸管内水位上升至“驼峰”位以上时，虹吸作用产生（外河水与井内水发生虹吸现象），真空表指针逐渐上升至0.04MPa停止（真空度适虹吸作用高度不同而不同），关闭供水气阀B。观测外河水位，人工校对井内传感显示水位，并注意观察内外河水位是否同步变化。

4.2 真空度巩固及后期补偿操作

为加强和巩固虹吸作用，补偿后期真空度损失，本系统操作要领如下：首先关闭气阀A，打开气阀C，此时真空表指针指示为0.0MPa；打开气阀B向气罐内供水至气阀C溢流后，关闭气阀C和气阀B，再打开气阀A使气罐内的水体与虹吸管联通，达到补偿真空度的目的，起到延长虹吸作用时长。而此时的真空表指针上升至0.04MPa左右。注意人工校对井内传感显示水位。

虹吸系统运行正常后，虹吸真空度能有效维持一定的时间。本工程真空度有效维持时长45～60d，当真空表显示值小于0.02MPa时，水位失真。此时，必须向钢气罐补水，提高虹吸真空度，使其恢复到0.04MPa。其操作程序：关闭气阀A，打开气阀C，再打开气阀B直接向气罐内补水。当气阀C溢流后，关闭气阀C和气阀B，再打开气阀A，此时真空表指针逐步上升至0.04MPa左右时，便达到了补偿真空度的目的。

5 结束语

5.1 认真填写管道真空补偿时间记录及统计分析工作。表格主要内容：补水时间（开始和结束）；校核水位（开始和结束）；传感器水位（开始和结束）；真空表指示数值（开始和结束）。记录表统计分析工作，其目的是确定有效传感水位的时间（天）及无效传感水位的最小真空值，以便在今后使用过程中，及时给水补偿气缸真空度，确保系统虹吸作用，及时有效地传感准确水位，为防汛抗旱部门决策提供可靠的依据。

5.2 加强虹吸系统设备检查及保養。重点检查部位是伸入外河内的管道头是否畅通，管道连接部位及其与设备连接处是否漏气，气闸阀是否漏气。

5.3 虹吸系统在水文自动测报系统中是十分关键的设施，如果测报系统显示水位有异常现象，必须查明原因，进行现场人工校核。