補(bǔ)償虹吸式水位測(cè)井的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王 鋒

在河道水位測(cè)量常使用自記水位測(cè)井，測(cè)井水位通過(guò)管路系統(tǒng)與河道水位保持一致性，從而保證測(cè)井自記水位記錄的精度和質(zhì)量。

一、常見的河流水位測(cè)井管路系統(tǒng)形式

水文站進(jìn)行河流水位觀測(cè)使用的水位自測(cè)井采用的管路系統(tǒng)主要有兩種形式：直通式系統(tǒng)和虹吸式系統(tǒng)，比較表見表1。兩種系統(tǒng)各有優(yōu)劣，各有各的適用范圍。

由于虹吸式系統(tǒng)具有投資相對(duì)較小、靜水能力好，管路具有自動(dòng)清淤功能等優(yōu)點(diǎn)。所以過(guò)去皖北地區(qū)所采用的測(cè)井型式基本上為虹吸式系統(tǒng)。

目前這些測(cè)井運(yùn)行多年，管路密閉性大大下降，運(yùn)行過(guò)程中需要不斷地對(duì)管路抽真空，給運(yùn)行管理單位帶來(lái)極大不便，所以在測(cè)井的更新改造過(guò)程中業(yè)主一般傾向于對(duì)老測(cè)井拆除重建，采用直通式系統(tǒng)取代老舊的虹吸式系統(tǒng)。

二、水位自測(cè)井工程管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

蚌埠市懷遠(yuǎn)縣上橋閘上游水位自測(cè)井為岸式布置虹吸式測(cè)井，位于閘口上游側(cè)護(hù)坡上，在制定更新改造方案過(guò)程中運(yùn)行管理單位傾向于“虹”改“直”。而直通式系統(tǒng)16.0m高程的管路，需要在水面以下的河床上開挖敷設(shè)，受河道水位的影響，施工難度較大，成本較高，因此不宜直接采用直通式系統(tǒng)。

為此，經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)井的原有虹吸式系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)計(jì)了采用密封水箱補(bǔ)償?shù)暮缥焦苈废到y(tǒng)，同時(shí)為測(cè)井預(yù)留了高水位直通式管路系統(tǒng)的雙系統(tǒng)方案（見圖1），得到了業(yè)主的認(rèn)可，并已付諸實(shí)施。

因測(cè)井所在河道常水位一般在20.0m高程以上，設(shè)計(jì)考慮自計(jì)井外河水位高于19.5m時(shí)，系統(tǒng)可以采用直通式或虹吸式兩種系統(tǒng)工作；水位低于19.5m時(shí)啟動(dòng)虹吸式系統(tǒng)使外河水與導(dǎo)管內(nèi)水溝通，通過(guò)測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)水面得知水位。虹吸式系統(tǒng)采用真空補(bǔ)償水箱為虹吸系統(tǒng)注水，并靠水箱為虹吸系統(tǒng)補(bǔ)償真空損失，以達(dá)到虹吸系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的目的。需要啟動(dòng)虹吸系統(tǒng)時(shí)，水箱下真空閥自動(dòng)關(guān)閉，然后上部真空閥打開為水箱注滿水，注滿水后上部真空閥自動(dòng)關(guān)閉，下部真空閥打開為系統(tǒng)注水。直到系統(tǒng)注滿水并保證水箱水位維持在設(shè)計(jì)高度以上后，系統(tǒng)進(jìn)入上部真空閥關(guān)閉，下部真空閥常開狀態(tài)，水箱開始為虹吸系統(tǒng)補(bǔ)償真空損失，直到水箱液面下降到設(shè)定高度后系統(tǒng)才會(huì)再次自動(dòng)啟動(dòng)為水箱補(bǔ)水。系統(tǒng)通過(guò)電磁閥和液位感應(yīng)器自動(dòng)控制。

表1 直通式系統(tǒng)和虹吸式系統(tǒng)測(cè)井比較表

本設(shè)計(jì)使用的帶補(bǔ)償水箱的虹吸式管路系統(tǒng)具備管路自清功能，配合PE管使用有效地解決了普通虹吸式管路系統(tǒng)易漏氣、運(yùn)行管理不便的缺點(diǎn)；同時(shí)，由于用真空水箱代替了真空泵，使系統(tǒng)更穩(wěn)定、更精確、運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)。

三、補(bǔ)償虹吸式測(cè)井管路系統(tǒng)原理和優(yōu)勢(shì)

虹吸原理就是連通器的原理，虹吸系統(tǒng)正常工作必須滿足系統(tǒng)除兩端開口外其他部分密閉，管內(nèi)充滿水管連通區(qū)最高點(diǎn)距自由水面的水面高度不得高于大氣壓支持的水柱高度兩個(gè)條件。圖2、圖3是補(bǔ)償虹吸式系統(tǒng)和普通虹吸式系統(tǒng)的示意圖。

圖中A區(qū)及A區(qū)以下管路為虹吸管路，形成虹吸系統(tǒng)的條件就是A區(qū)及A區(qū)以下管路充滿水，不漏氣，且A區(qū)距離河道水面高度不大于一個(gè)大氣壓所支持的水柱高度，即A區(qū)不出現(xiàn)真空。兩套系統(tǒng)的區(qū)別在A區(qū)以上部分，補(bǔ)償虹吸式系統(tǒng)用一個(gè)補(bǔ)償水箱代替了普通虹吸式系統(tǒng)的真空泵。

這樣做的目的主要有三個(gè)方面的好處。第一，整套虹吸式系統(tǒng)運(yùn)行的最關(guān)鍵所在就是保證A區(qū)不能出現(xiàn)真空或氣體，首先要保證管路不漏氣，通過(guò)采用PE管代替鍍鋅鋼管可以很好地解決這個(gè)問題。但是由于管路內(nèi)河道水面高程以上部分的水體始終處于負(fù)壓狀態(tài)，自然界的水體富含空氣，負(fù)壓狀態(tài)下這些氣體會(huì)析出，普通虹吸式系統(tǒng)中這些氣體慢慢聚集于A區(qū)，最終導(dǎo)致A區(qū)水體被氣體替代導(dǎo)致系統(tǒng)失效。所以普通虹吸式系統(tǒng)即便管路密封性再好也要周期性地對(duì)管路抽真空，避免系統(tǒng)失效。而帶補(bǔ)償水箱的補(bǔ)償虹吸系統(tǒng)有效避免了這個(gè)問題，因?yàn)樵撓到y(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，閥2是開啟的，水體內(nèi)析出的空氣會(huì)經(jīng)過(guò)閥2上行進(jìn)入補(bǔ)償水箱，不會(huì)聚集在A區(qū)，從而保證系統(tǒng)正常工作。

第二，采用補(bǔ)償水箱代替真空泵，整個(gè)系統(tǒng)可以無(wú)電運(yùn)行，可以人工操作人工補(bǔ)水，也可以采用自來(lái)水完成對(duì)系統(tǒng)的補(bǔ)水工作，補(bǔ)水維護(hù)周期長(zhǎng)，可以有效節(jié)約運(yùn)行管理費(fèi)用。

第三，補(bǔ)償虹吸式系統(tǒng)采用補(bǔ)償水箱通過(guò)閥1和閥2的交替操作可以輕松完成對(duì)整個(gè)管路的充水工作，也可以通過(guò)補(bǔ)償水箱向下灌水，自動(dòng)沖洗管路，保證管路長(zhǎng)期有效運(yùn)行。

四、結(jié)語(yǔ)

由上述分析可見，帶補(bǔ)償水箱的補(bǔ)償虹吸式系統(tǒng)，可以很好地解決普通虹吸式系統(tǒng)易漏氣，頻繁抽真空運(yùn)行管理不便的缺點(diǎn)，同時(shí)具有穩(wěn)定性及靜水能力好，可以自動(dòng)清淤等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)安裝方便，操作簡(jiǎn)單，有推廣使用的價(jià)值■