給水補(bǔ)償式虹吸系統(tǒng)在水位監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王維維

摘 要：給水補(bǔ)償式虹吸裝置技術(shù)屬于新型環(huán)保節(jié)能技術(shù)范疇，其機(jī)理是在虹吸作用原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新而成。該技術(shù)在上橋閘防汛抗旱（水位監(jiān)測(cè)）實(shí)踐中獲得圓滿成功。文章重點(diǎn)論述該虹吸系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)、操作及應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：虹吸作用；虹吸破壞機(jī)理；虹吸補(bǔ)償裝置；系統(tǒng)操作；效果

1 概況

上橋樞紐工程位于安徽省懷遠(yuǎn)縣找郢鄉(xiāng)境內(nèi)。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(shè)計(jì)排洪標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，閘上水位24.35m，閘下水位24.20m，流量2900m3/s。設(shè)計(jì)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(cè)站于2011年11月開(kāi)工，2012年4月完工并驗(yàn)收通過(guò)。其中虹吸裝置安裝是其主要項(xiàng)目之一，經(jīng)2年多實(shí)踐檢驗(yàn)，證明給水補(bǔ)償式虹吸系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)突出，效果良好。文章根據(jù)工程特性及使用效果進(jìn)行總結(jié)，供讀者參考。

2 虹吸作用及破壞機(jī)理

虹吸現(xiàn)象是在正常的大氣壓下，管內(nèi)液體在液態(tài)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(shí)，管內(nèi)液體就會(huì)停止流動(dòng)。現(xiàn)今人們利用大自然的虹吸現(xiàn)象在水力發(fā)電、防汛抗旱、溢流灌溉、水庫(kù)清淤、地下水回灌等工程水利領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，屬于新型的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。

但是，在實(shí)際應(yīng)用中虹吸管道往往要越過(guò)一較高障礙物，自然形成虹吸管“駝峰”，“駝峰”頂點(diǎn)即為虹吸作用高度。要使虹吸現(xiàn)象發(fā)生，必須使虹吸管充滿液體或使管道內(nèi)的氣體排出，形成真空后，才能產(chǎn)生虹吸作用。由于本工程外河水面上下動(dòng)態(tài)變化，致使溶解于水中氣體緩慢進(jìn)入并滯留在虹吸管駝峰內(nèi)產(chǎn)生氣泡，當(dāng)氣泡兩端阻斷虹吸管流體時(shí)，從而破壞了虹吸作用。

3 補(bǔ)償式虹吸裝置設(shè)計(jì)及使用效果

為維持虹吸作用時(shí)長(zhǎng)，目前解決虹吸問(wèn)題的常用方法是利用電動(dòng)真空泵提取虹吸管內(nèi)空氣，形成真空（負(fù)壓）。依據(jù)上橋多年實(shí)踐，其優(yōu)點(diǎn)是直觀，易理解。但是其缺點(diǎn)尤為突出：耗時(shí)、耗能；虹吸作用時(shí)間短，開(kāi)機(jī)頻次高（據(jù)統(tǒng)計(jì)每10天提取真空1次）。

2012年3月，本工程大膽采用給水補(bǔ)償式虹吸裝置設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)配置為PE63級(jí)聚乙烯管材（Φ75、0.8MPa）、無(wú)塔供水鋼罐（150L）、上海產(chǎn)真空表及氣閥等構(gòu)成。鋼氣罐是修復(fù)虹吸作用的關(guān)鍵設(shè)備。經(jīng)2年多的實(shí)驗(yàn)，取得圓滿成功。其優(yōu)點(diǎn)較為突出：高效節(jié)能、省時(shí)、省力；補(bǔ)水方式靈活、快捷；延長(zhǎng)虹吸作用時(shí)長(zhǎng)，降低操作頻次（每45天提取真空1次）。

4 補(bǔ)償式虹吸系統(tǒng)操作要領(lǐng)

4.1 初次虹吸系統(tǒng)操作步驟

首先打開(kāi)氣閥A（控制鋼氣罐與虹吸管進(jìn)出水道）、氣閥B（控制鋼氣罐與外接管進(jìn)出水道），關(guān)閉氣閥C（控制排氣及溢流作用），此時(shí)氣罐內(nèi)的水體在自重及外力作用下，通過(guò)氣閥A流入虹吸管內(nèi)。測(cè)井內(nèi)水位不斷上升，當(dāng)水面淹沒(méi)至虹吸管口以上時(shí)，真空表指針由0.0Mpa逐漸上升，并伴隨管內(nèi)氣體向外排出聲。當(dāng)虹吸管內(nèi)水位上升至“駝峰”位以上時(shí)，虹吸作用產(chǎn)生（外河水與井內(nèi)水發(fā)生虹吸現(xiàn)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(guān)閉供水氣閥B。觀測(cè)外河水位，人工校對(duì)井內(nèi)傳感顯示水位，并注意觀察內(nèi)外河水位是否同步變化。

4.2 真空度鞏固及后期補(bǔ)償操作

為加強(qiáng)和鞏固虹吸作用，補(bǔ)償后期真空度損失，本系統(tǒng)操作要領(lǐng)如下：首先關(guān)閉氣閥A，打開(kāi)氣閥C，此時(shí)真空表指針指示為0.0MPa；打開(kāi)氣閥B向氣罐內(nèi)供水至氣閥C溢流后，關(guān)閉氣閥C和氣閥B，再打開(kāi)氣閥A使氣罐內(nèi)的水體與虹吸管聯(lián)通，達(dá)到補(bǔ)償真空度的目的，起到延長(zhǎng)虹吸作用時(shí)長(zhǎng)。而此時(shí)的真空表指針上升至0.04MPa左右。注意人工校對(duì)井內(nèi)傳感顯示水位。

虹吸系統(tǒng)運(yùn)行正常后，虹吸真空度能有效維持一定的時(shí)間。本工程真空度有效維持時(shí)長(zhǎng)45～60d，當(dāng)真空表顯示值小于0.02MPa時(shí)，水位失真。此時(shí)，必須向鋼氣罐補(bǔ)水，提高虹吸真空度，使其恢復(fù)到0.04MPa。其操作程序：關(guān)閉氣閥A，打開(kāi)氣閥C，再打開(kāi)氣閥B直接向氣罐內(nèi)補(bǔ)水。當(dāng)氣閥C溢流后，關(guān)閉氣閥C和氣閥B，再打開(kāi)氣閥A，此時(shí)真空表指針逐步上升至0.04MPa左右時(shí)，便達(dá)到了補(bǔ)償真空度的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

5.1 認(rèn)真填寫(xiě)管道真空補(bǔ)償時(shí)間記錄及統(tǒng)計(jì)分析工作。表格主要內(nèi)容：補(bǔ)水時(shí)間（開(kāi)始和結(jié)束）；校核水位（開(kāi)始和結(jié)束）；傳感器水位（開(kāi)始和結(jié)束）；真空表指示數(shù)值（開(kāi)始和結(jié)束）。記錄表統(tǒng)計(jì)分析工作，其目的是確定有效傳感水位的時(shí)間（天）及無(wú)效傳感水位的最小真空值，以便在今后使用過(guò)程中，及時(shí)給水補(bǔ)償氣缸真空度，確保系統(tǒng)虹吸作用，及時(shí)有效地傳感準(zhǔn)確水位，為防汛抗旱部門(mén)決策提供可靠的依據(jù)。

5.2 加強(qiáng)虹吸系統(tǒng)設(shè)備檢查及保養(yǎng)。重點(diǎn)檢查部位是伸入外河內(nèi)的管道頭是否暢通，管道連接部位及其與設(shè)備連接處是否漏氣，氣閘閥是否漏氣。

5.3 虹吸系統(tǒng)在水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中是十分關(guān)鍵的設(shè)施，如果測(cè)報(bào)系統(tǒng)顯示水位有異?，F(xiàn)象，必須查明原因，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人工校核。