給水補償式虹吸系統在水位監測中的應用

王維維

摘 要：給水補償式虹吸裝置技術屬于新型環保節能技術范疇，其機理是在虹吸作用原理的基礎上進行改進創新而成。該技術在上橋閘防汛抗旱（水位監測）實踐中獲得圓滿成功。文章重點論述該虹吸系統裝置設計、操作及應用效果。

關鍵詞：虹吸作用；虹吸破壞機理；虹吸補償裝置；系統操作；效果

1 概況

上橋樞紐工程位于安徽省懷遠縣找郢鄉境內。主要功能以分洪、蓄水灌溉、排澇和通航為主。上橋閘為本樞紐主體工程之一，設計排洪標準為20年一遇，閘上水位23.1m，閘下水位22.95m，流量2600m3/s；校核排洪標準為50年一遇，閘上水位24.35m，閘下水位24.20m，流量2900m3/s。設計閘上正常蓄水位22.5m，最高蓄水位23.0m，最低蓄水位21.0m。河底高程13.20m。上橋閘閘上歷史最高水位23.45m，最低水位15.74m，水位變幅為7.61m。

上橋閘上水位測站于2011年11月開工，2012年4月完工并驗收通過。其中虹吸裝置安裝是其主要項目之一，經2年多實踐檢驗，證明給水補償式虹吸系統優點突出，效果良好。文章根據工程特性及使用效果進行總結，供讀者參考。

2 虹吸作用及破壞機理

虹吸現象是在正常的大氣壓下，管內液體在液態分子間引力與位能差作用下，液體由壓力大的一邊管口流向壓力小的一邊，直到管口兩端的壓力相等，液體面高度相同時，管內液體就會停止流動。現今人們利用大自然的虹吸現象在水力發電、防汛抗旱、溢流灌溉、水庫清淤、地下水回灌等工程水利領域得到廣泛應用，屬于新型的節能環保技術。

但是，在實際應用中虹吸管道往往要越過一較高障礙物，自然形成虹吸管“駝峰”，“駝峰”頂點即為虹吸作用高度。要使虹吸現象發生，必須使虹吸管充滿液體或使管道內的氣體排出，形成真空后，才能產生虹吸作用。由于本工程外河水面上下動態變化，致使溶解于水中氣體緩慢進入并滯留在虹吸管駝峰內產生氣泡，當氣泡兩端阻斷虹吸管流體時，從而破壞了虹吸作用。

3 補償式虹吸裝置設計及使用效果

為維持虹吸作用時長，目前解決虹吸問題的常用方法是利用電動真空泵提取虹吸管內空氣，形成真空（負壓）。依據上橋多年實踐，其優點是直觀，易理解。但是其缺點尤為突出：耗時、耗能；虹吸作用時間短，開機頻次高（據統計每10天提取真空1次）。

2012年3月，本工程大膽采用給水補償式虹吸裝置設計，見圖1。該系統配置為PE63級聚乙烯管材（Φ75、0.8MPa）、無塔供水鋼罐（150L）、上海產真空表及氣閥等構成。鋼氣罐是修復虹吸作用的關鍵設備。經2年多的實驗，取得圓滿成功。其優點較為突出：高效節能、省時、省力；補水方式靈活、快捷；延長虹吸作用時長，降低操作頻次（每45天提取真空1次）。

4 補償式虹吸系統操作要領

4.1 初次虹吸系統操作步驟

首先打開氣閥A（控制鋼氣罐與虹吸管進出水道）、氣閥B（控制鋼氣罐與外接管進出水道），關閉氣閥C（控制排氣及溢流作用），此時氣罐內的水體在自重及外力作用下，通過氣閥A流入虹吸管內。測井內水位不斷上升，當水面淹沒至虹吸管口以上時，真空表指針由0.0Mpa逐漸上升，并伴隨管內氣體向外排出聲。當虹吸管內水位上升至“駝峰”位以上時，虹吸作用產生（外河水與井內水發生虹吸現象），真空表指針逐漸上升至0.04MPa停止（真空度適虹吸作用高度不同而不同），關閉供水氣閥B。觀測外河水位，人工校對井內傳感顯示水位，并注意觀察內外河水位是否同步變化。

4.2 真空度鞏固及后期補償操作

為加強和鞏固虹吸作用，補償后期真空度損失，本系統操作要領如下：首先關閉氣閥A，打開氣閥C，此時真空表指針指示為0.0MPa；打開氣閥B向氣罐內供水至氣閥C溢流后，關閉氣閥C和氣閥B，再打開氣閥A使氣罐內的水體與虹吸管聯通，達到補償真空度的目的，起到延長虹吸作用時長。而此時的真空表指針上升至0.04MPa左右。注意人工校對井內傳感顯示水位。

虹吸系統運行正常后，虹吸真空度能有效維持一定的時間。本工程真空度有效維持時長45～60d，當真空表顯示值小于0.02MPa時，水位失真。此時，必須向鋼氣罐補水，提高虹吸真空度，使其恢復到0.04MPa。其操作程序：關閉氣閥A，打開氣閥C，再打開氣閥B直接向氣罐內補水。當氣閥C溢流后，關閉氣閥C和氣閥B，再打開氣閥A，此時真空表指針逐步上升至0.04MPa左右時，便達到了補償真空度的目的。

5 結束語

5.1 認真填寫管道真空補償時間記錄及統計分析工作。表格主要內容：補水時間（開始和結束）；校核水位（開始和結束）；傳感器水位（開始和結束）；真空表指示數值（開始和結束）。記錄表統計分析工作，其目的是確定有效傳感水位的時間（天）及無效傳感水位的最小真空值，以便在今后使用過程中，及時給水補償氣缸真空度，確保系統虹吸作用，及時有效地傳感準確水位，為防汛抗旱部門決策提供可靠的依據。

5.2 加強虹吸系統設備檢查及保養。重點檢查部位是伸入外河內的管道頭是否暢通，管道連接部位及其與設備連接處是否漏氣，氣閘閥是否漏氣。

5.3 虹吸系統在水文自動測報系統中是十分關鍵的設施，如果測報系統顯示水位有異常現象，必須查明原因，進行現場人工校核。