补偿虹吸式水位测井的设计及应用

王 锋

在河道水位测量常使用自记水位测井，测井水位通过管路系统与河道水位保持一致性，从而保证测井自记水位记录的精度和质量。

一、常见的河流水位测井管路系统形式

水文站进行河流水位观测使用的水位自测井采用的管路系统主要有两种形式：直通式系统和虹吸式系统，比较表见表1。两种系统各有优劣，各有各的适用范围。

由于虹吸式系统具有投资相对较小、静水能力好，管路具有自动清淤功能等优点。所以过去皖北地区所采用的测井型式基本上为虹吸式系统。

目前这些测井运行多年，管路密闭性大大下降，运行过程中需要不断地对管路抽真空，给运行管理单位带来极大不便，所以在测井的更新改造过程中业主一般倾向于对老测井拆除重建，采用直通式系统取代老旧的虹吸式系统。

二、水位自测井工程管路系统设计应用实例

蚌埠市怀远县上桥闸上游水位自测井为岸式布置虹吸式测井，位于闸口上游侧护坡上，在制定更新改造方案过程中运行管理单位倾向于“虹”改“直”。而直通式系统16.0m高程的管路，需要在水面以下的河床上开挖敷设，受河道水位的影响，施工难度较大，成本较高，因此不宜直接采用直通式系统。

为此，经过对测井的原有虹吸式系统进行分析和研究后，结合现场情况设计了采用密封水箱补偿的虹吸式管路系统，同时为测井预留了高水位直通式管路系统的双系统方案（见图1），得到了业主的认可，并已付诸实施。

因测井所在河道常水位一般在20.0m高程以上，设计考虑自计井外河水位高于19.5m时，系统可以采用直通式或虹吸式两种系统工作；水位低于19.5m时启动虹吸式系统使外河水与导管内水沟通，通过测量导管内水面得知水位。虹吸式系统采用真空补偿水箱为虹吸系统注水，并靠水箱为虹吸系统补偿真空损失，以达到虹吸系统长期稳定运行的目的。需要启动虹吸系统时，水箱下真空阀自动关闭，然后上部真空阀打开为水箱注满水，注满水后上部真空阀自动关闭，下部真空阀打开为系统注水。直到系统注满水并保证水箱水位维持在设计高度以上后，系统进入上部真空阀关闭，下部真空阀常开状态，水箱开始为虹吸系统补偿真空损失，直到水箱液面下降到设定高度后系统才会再次自动启动为水箱补水。系统通过电磁阀和液位感应器自动控制。

表1 直通式系统和虹吸式系统测井比较表

本设计使用的带补偿水箱的虹吸式管路系统具备管路自清功能，配合PE管使用有效地解决了普通虹吸式管路系统易漏气、运行管理不便的缺点；同时，由于用真空水箱代替了真空泵，使系统更稳定、更精确、运行更经济。

三、补偿虹吸式测井管路系统原理和优势

虹吸原理就是连通器的原理，虹吸系统正常工作必须满足系统除两端开口外其他部分密闭，管内充满水管连通区最高点距自由水面的水面高度不得高于大气压支持的水柱高度两个条件。图2、图3是补偿虹吸式系统和普通虹吸式系统的示意图。

图中A区及A区以下管路为虹吸管路，形成虹吸系统的条件就是A区及A区以下管路充满水，不漏气，且A区距离河道水面高度不大于一个大气压所支持的水柱高度，即A区不出现真空。两套系统的区别在A区以上部分，补偿虹吸式系统用一个补偿水箱代替了普通虹吸式系统的真空泵。

这样做的目的主要有三个方面的好处。第一，整套虹吸式系统运行的最关键所在就是保证A区不能出现真空或气体，首先要保证管路不漏气，通过采用PE管代替镀锌钢管可以很好地解决这个问题。但是由于管路内河道水面高程以上部分的水体始终处于负压状态，自然界的水体富含空气，负压状态下这些气体会析出，普通虹吸式系统中这些气体慢慢聚集于A区，最终导致A区水体被气体替代导致系统失效。所以普通虹吸式系统即便管路密封性再好也要周期性地对管路抽真空，避免系统失效。而带补偿水箱的补偿虹吸系统有效避免了这个问题，因为该系统运行过程中，阀2是开启的，水体内析出的空气会经过阀2上行进入补偿水箱，不会聚集在A区，从而保证系统正常工作。

第二，采用补偿水箱代替真空泵，整个系统可以无电运行，可以人工操作人工补水，也可以采用自来水完成对系统的补水工作，补水维护周期长，可以有效节约运行管理费用。

第三，补偿虹吸式系统采用补偿水箱通过阀1和阀2的交替操作可以轻松完成对整个管路的充水工作，也可以通过补偿水箱向下灌水，自动冲洗管路，保证管路长期有效运行。

四、结语

由上述分析可见，带补偿水箱的补偿虹吸式系统，可以很好地解决普通虹吸式系统易漏气，频繁抽真空运行管理不便的缺点，同时具有稳定性及静水能力好，可以自动清淤等优点，系统安装方便，操作简单，有推广使用的价值■