太阳能动力虹吸管在小型水利工程中的应用

曾 宇，孙国政，冯国强，戚高晟，刘 帅，黄 凯，周建芬

（1.浙江水利水电学院水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018；2.诸暨市水利局，浙江 诸暨 311800；3.湖州市南浔区千金镇农业综合服务中心，浙江 湖州 313016）

太阳能动力虹吸管在小型水利工程中的应用

曾 宇1，孙国政2，冯国强3，戚高晟1，刘 帅1，黄 凯1，周建芬1

（1.浙江水利水电学院水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018；2.诸暨市水利局，浙江 诸暨 311800；3.湖州市南浔区千金镇农业综合服务中心，浙江 湖州 313016）

研发太阳能发电装置，为小型水库虹吸管运行维护提供动力支持。该系统主要由太阳能发电装置、潜水泵、虹吸管、控制阀、逆止阀等组件构成。通过优化配置，降低偏远地区小型水利工程取水工程建设成本。针对取水工程运行特点，设计控制装置并提供技术参数匹配表，改进虹吸管关键组件设计，为工程应用提供理论和应用参数。

太阳能发电；虹吸管；参数匹配；组件优化设计

1 问题的提出

我国水资源存在时空分布不均、开发利用难度较大的问题。山区丘陵地区的水资源的开发利用问题更加突出，实现水资源合理配置，缓解山区丘陵地区人民的用水紧张任务十分艰巨。虹吸管作为简便高效的水库山塘输水设施，由于具有工程量少、施工方便、节约劳动力及造价低、可以工厂化生产等优点，在我国农田水利建设中，修建了大量虹吸管，对建设旱涝保收、高产稳产农田及供应城市工业和生活用水都起了一定作用[1]。在山区，由于水头充裕，虹吸管特别受欢迎。

目前山区水库山塘供电设施不健全，存在部分工程不通电或通电而夏季用电高峰阶段停电断电等情况，导致电机无法为虹吸管补水提供动力，在一定程度上制约了虹吸管的应用。山区丘陵道路地势复杂多样，架设电缆成本高，制约了虹吸管在山区丘陵水库山塘工程中的广泛应用[2]。

针对上述问题，本项目研发和改进虹吸管装置，应用清洁可再生能源—太阳能发电为虹吸管运行提供动力，改进关键组件设计，改善虹吸管的密封性能，保证虹吸管高效可靠运行。解决了虹吸管在水库山塘中的推广应用关键技术难题，具有现实意义。

2 研究背景

虹吸管是一种压力输水管道，一般顶部弯曲且其高程高于上游供水水面，由于虹吸管内的真空，在上游水面的大气压强和虹吸管内压强之间产生压差，利用虹吸原理使水流通过虹吸管最高处，跨过坝顶引向下游低处，达到正常供水的目的[3]。汛期来临前放空水库蓄水，利于工程安全检修和安全度汛。

工程应用中，虹吸管的优点：①利用虹吸管内压力差使蓄水跨越坝顶，避免或减少埋设输水涵管对土石坝的大开挖，避免建设坝下涵管形成的渗漏隐患；②水库山塘建设配置太阳能发电装置的虹吸管成本较低，只有坝下涵管建设费用的50%左右。缺点有：①虹吸管运行需要动力支持；②虹吸管运行过程中存在漏气现象，管内真空度降低影响虹吸管工作，解决了补水问题才可以保证其正常运行。只有解决了上述2个缺点，即为虹吸管运行提供便捷可靠的动力，保持虹吸管真空状态，减少漏气，才能更加充分的发挥虹吸管的优点。

3 设计原理

3.1 设计思路

虹吸的实质是：在重力作用下,管内最高点液体往低位管口处移动，在U型管内部产生负压，使高位管口的液体被吸进最高点，从而使液体源源不断地流入低位置容器[4]。

水库山塘虹吸管运行需借助动力促使管道进入虹吸状态，本设计采用太阳能发电装置，解决水库山塘虹吸管补水动力问题。对于某些供电难的水库山塘，该太阳能发电装置便捷的解决了虹吸管运行动力问题。该装置建成后运行维护简单，便于村民使用管护。本设计利用清洁能源，采用太阳能驱动潜水泵为集水箱与虹吸管补水，降耗节能，可持续发展，不会有二次污染。

虹吸管驼峰处管顶高程宜与水库山塘正常蓄水位相同，利于虹吸管进入虹吸状态。在虹吸管顶部设置集水箱和排气阀，少量漏气情况下，可利用集水箱的蓄水为虹吸管补水排气，使得虹吸管全断面满水，达到正常运行的条件，避免每次补水都需要启用潜水泵抽水，使虹吸管的使用更加方便。

根据以上设计思路，本系统主要组件为输水管道、太阳能发电装置、逆止阀、集水箱、控制阀等，其系统布置见图1。

图1 太阳能发电虹吸管系统布置图

3.2 设计计算

3.2.1 确定进出水口水位差值H

充分利用进出水口水位差，尽量减小管径，一般按库内最低水位和放水渠道水面高差确定[5]。

3.2.2 虹吸管的泄流量计算

式中：Q为过水流量，m3/s；d为圆管内径，m；λ为沿程损失系数；ξ为局部损失系数；z为虹吸管上下游水位差，m；g为重力加速度，m/s2；L为虹吸管长度，m[6]。

3.2.3 充水设备的选择

根据虹吸管容积，计算潜水泵的流量，从而确定充水泵型号规格，一般均有定型产品，能满足在短时间内（约30 min）将管道充满即可[5]。

在设计中需要包括弯头损失，而在下游管段部分位能转换成压能，压强沿程增加，所以需计算最高管段末端转弯点的真空度[6]。

为保证安全一般将该值控制在7 m以内。

式中：hν为虹吸管的真空值，Pa；Zs为管道最高点的安装高度，m；L2为最高点至进口的管长，m；Σξ为最高点至进口的管线局部阻力系数和；L为虹吸管的总长度，m；V2为管道流速（V = Q/A），m/s。

3.3 结构设计

3.3.1 管道材料的选择

常用的材料一般为钢管，可采用镀锌防锈防腐处理，然后明铺或暗敷，这样可以避免腐蚀，增强耐久性。但钢管存在自重大、运输施工不便、安装难度大等缺点。

近几年来，许多新型管材得到了广泛应用，如塑料管（PE、UPVC管等）[7]。其主要优点有：管道内壁光滑、阻力系数小、耐腐蚀性好、水力性能好、不易积垢。材质轻，运输安装方便灵活，维修简捷容易。但是为了增强塑料管材的耐久性常常需采用暗敷。

3.3.2 虹吸吸管的部分组件

干线公路项目施工过程中的质量安全风险管理问题探析………………………………………………………… 李梅（4-229）

进水口：进口设置喇叭形进水口，这样可以改善水流条件；同时进口处需设置拦污设施，防止水流夹带水草、杂质进入管道；进口还需安装逆止阀，便于虹吸管充水形成真空，避免虹吸管内的水倒流回水库。

管最高点：位于虹吸管最高点的集水箱灌水充满整个管段，达到排除空气、形成真空、产生虹吸的目的。在管段最高点设置充水控制阀。充水排气完毕，关闭充水控制阀即可。

管出口：需设置出水控制阀，便于充水和放水。

3.3.3 虹吸管组件改进设计

通过实地调查发现水库山塘虹吸管设计存在诸多问题，本项目在理论分析实验研究基础上对虹吸管的组件进行改进设计，虹吸管关键组件原状与改进设计对比见表1。

表1 虹吸管关键组件原状与改进设计对比表

3.4 太阳能发电虹吸管系统组件

太阳能发电虹吸管系统组件配置见表2。太阳能发电虹吸管系统坝顶主要组件布置见图2。

表2 太阳能发电虹吸管系统组件配置表

图2 太阳能发电虹吸管系统坝顶主要组件布置图

4 太阳能动力虹吸管的运用注意事项

4.1 虹吸管在小型水库输水涵管改造中的应用

小型水库通常采用坝下涵管输水，出现问题后需要对坝体进行大开挖，埋涵管后进行土方回填，这样不但工期长投资大，而且施工质量控制不当会造成坝体不均匀沉降。采用虹吸管输水则可以避免这些问题。太阳能动力虹吸管技术相比传统的虹吸管技术具有造价低、施工期短、使用灵活、节能环保等特点，而且维修方便。

4.2 注意事项

（1）虹吸管进水口与管顶的安装高度需要考虑足够真空度余量，一般控制在7 m 以下的安装高度差，同时进水口高于下游出水口1 m以上[7]。

（2）安装太阳能动力虹吸管需要注意对电路的保护，随着太阳能转化技术的进步，该应用将愈来愈广。安装时注意保持管道的气密性，连接处施工需谨慎，要选择有专业资质的施工队伍。监理旁站监督，各种阀门无漏气，并做强度检测和严密性试验，保持管道的真空度。

（3）日常运行需安排专人定期检查太阳能动力虹吸管，及时为虹吸管设施补水，避免虹吸管真空状态被破坏。

5 结 语

配置太阳能装置的虹吸管系统解决了偏远山区虹吸管运行动力问题，做到因地制宜，合理布置。本系统的造价远低于偏远山区电网建设的成本，并且单次补水费用耗能也远远低于现有补水技术。本系统大大降低了生产、运行以及维护成本。

浙江省多个县市区开展小型农田水利建设，经调研，由于工程地质、工程造价、施工难度等原因，虹吸管引水技术在山塘水库输水中适应性良好。本新型虹吸管系统解决了虹吸管运行动力问题，改进了关键组件设计，解决了偏远地区虹吸管运行动力难题，提高了虹吸管的工程适用性。本系统在浙江省湖州市小型水利工程虹吸管输水设施改造工程中实验效果良好。综上所述，本系统适用性良好，应用前景广。

[1] 吴世凯.虹吸管的设计与应用[J].东北水利水电，1993，20(8)：2 - 4.

[2] 邬建江.虹吸管在进贤县小型水库中的应用[J].江西水利科技，2009，35(3)：181 - 183.

[3] 王卫平.虹吸管在水库放水涵管改造中的应用[J].节水灌溉, 2008，11(1)：51 - 60.

[4] 杨金勇，王占青，甘巍，等. 煤油汽相干燥系统储油罐虹吸泄漏处理方法[J].电力安全技术，2015，31(7)：85 - 86.

[5] 朱勇豪.浅析虹吸管在小型水库、山塘运行中的应用[J].四川建材，2010，6(3)：285 - 289.

[6] 王卫平.小型水库放水设施改造为虹吸管的运用[J].水利规划与设计，2007，16(3)：68 - 70.

[7] 洪庆松.虹吸管在城市取水工程中的应用[J].有色冶金设计与研究，2014，35(5)：36 - 38.

Application of Solar Power Siphon in Intake Engineering ZENG Yu1，SUN Guo - zheng2，QI Gao - sheng1，LIU Shuai1，

HUANG Kai1，ZHOU Jian - fen1
(1. Institute of Hydraulic & Environmental Engineering，Zhejiang University of Water Resources and Electric Power，Hangzhou 310018，Zhejiang，China；2. Zhuji Water Conservancy Bureau，Zhuji 311800，Zhejiang，China；3. Agricultural Service Center，Qianjin Town，Nanxun District，Huzhou，Huzhou 313016，Zhejiang，China)

This paper studied the system of solar power equipment to support the operation and maintenance of small reservoir siphon.The system consists of solar power installation，submersible pump，siphon，control valve，check valves and other components.By optimizing confi guration，the costs of intake engineering in remote areas were reduced. In view of the characteristics of the intake engineering，the authors designed control device and provided the technical parameter matching table.By improving key components，the authors provided the theoretical and experimental basis for engineering application.

solar power system；siphon；technical parameter match；optimization of key components

TV22

A

1008 - 701X(2017)02 - 0046 - 03

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.02.013

2016-12-20

浙江省自然科学基金计划（Y15E090011）。

曾 宇(1995 - )，男，本科在读，主要从事水利水电工程结构研究。E - mail：422752381@qq.com

周建芬，E - mail：52707079@qq.com