新疆输水工程冰害防治研究与展望

阿达来提,侯 杰,喻尚生

(1.新疆水利厅喀什噶尔河流域管理处,新疆 喀什844000;2.新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐830052;3.新疆天山源水管理有限公司,新疆乌鲁木齐 830049)

1 新疆的地理、气候及水文特征

新疆维吾尔自治区位于中国西北部,东经 73°30′～ 96°30′,北纬 34°10′～ 49°30′之间,面积 166×104km2,约为中国国土面积的六分之一,是中国土地面积最大的省区。

1.1 新疆的地形特征

新疆的地形特征是山脉与盆地相间排列,盆地被高山环抱,俗喻“三山夹两盆”。北为阿尔泰山,南为昆仑山,天山横亘中部,把新疆分为南北两半,习称天山以北为北疆,天山以南为南疆。北疆的阿尔泰山和天山中间夹着准格尔盆地,南疆的天山和昆仑山中间夹着塔里木盆地。三大山脉海拔高程在4 000 m～8 000 m,山势巍峨,山体宽广。盆地边缘的平原地带海拔高程在300 m～1 200 m。山脊与盆地边缘的平原之间海拔高差一般在3 000 m～6 000 m,高差悬殊。

1.2 新疆的气候特征

新疆的地域辽阔,地跨北纬 34°10′～ 49°30′,纬度跨度大,加之垂直海拔高程由-155 m(艾丁湖)至8 611 m(乔戈里峰),海拔高差很大,造成新疆的气温变化特点是温差变化大,其极值变幅为-51.5℃～48.9℃。较高纬度和较高的海拔高程,使新疆的冬季比较寒冷,无霜期一般150 d左右,属典型的高寒地区。

1.3 新疆的水文特征

新疆的地理位置是深居欧亚大陆中部,远离海洋,气候干旱。但是,中纬度西风环流给新疆天空的水汽输送提供了有利条件,高大山脉阻挡并抬升水汽形成山区较多的降水。由此形成新疆年降水量的地域分布很不均匀,总的趋势是北疆多、南疆少;西北部多、东南部少;山区多、平原、盆地少。年降水量由西北向东南递减。山区年降水量为300 mm～600 mm,平原绿洲区年降水为20 mm～250 mm。夏季洪水期流量很大,冬季枯水期流量很小,洪枯比一般在数百乃至上千。冬季寒冷,河道的流冰期长,一般为100 d～120 d,水流量小而冰流量却很大,河道中的冰水比可达1∶4～1∶2。

2 新疆输水工程冰害概述

新疆的输水工程冰害问题主要以引水式水电站和引水枢纽工程最为突出。引水式电站冬季运行方式基本上有两种,一种是结冰盖运行方式,主要在新疆的高寒地区使用。另一种是输排冰运行方式,尤其以输排冰运行方式冰害问题较多。输水工程冰害的形式主要有:

引水渠首:引水渠首前的河道封冻,造成冰上水、水上冰,导致河道清沟改道而无法引水。而冰洪造成冰坝,堵塞进水闸,也无法引水。

输水渠道:输水渠道冰凌密度过大,形成冰塞,使渠道封冻,冰水漫堤;岸冰严重形成冰桥而造成冰堵、封冻使冰水漫堤;渠道上建筑物阻水而造成冰堵。

排冰闸:排冰闸结构设计不尽合理,其平面方向及位置布置不当,或排冰尺寸偏小,造成排冰不畅。

闸门:闸门与门槽被冻结在一起,使闸门不能开启。

3 新疆输水工程冰害产生的主要原因

3.1 气温低,冰冻期长

新疆地处高寒地区,冬季气温一般在-10℃～-40℃之间,极端最低气温达-50.8℃。年累计日平均负气温在-1000℃～-1500℃之间。年负气温持续时间约为130 d。

3.2 输水流量小,冰流量大,流冰期长

新疆河流大部分为山溪性河流,其水源大部分为冰雪融化,冬季流量小,冰流量却很大,而流冰期又长达百余天,容易造成输水渠道的冰堵、冰塞和冰水漫溢等冰害。

3.3 对冰害的认识不足、设计不当

由于对输水工程中的冰害问题没有足够的认识,特别是早期输水工程的设计在防冰害措施方面存在着诸多的问题,使有些工程一开始运行就面临着冰害的威胁,甚至被迫停产,造成很大的经济损失。

新疆有代表性水电站的特性、冬季运行方式及运行情况见表1。

表1 新疆有代表性水电站特性、冬季运行方式及运行情况

4 输水工程冰害防治的研究

由于新疆输水工程,尤其是引水式电站冬季冰害问题不能有效解决,使大多数电站冬季不能正常运行,严重时被迫停电,并且常年投入大量人力、物力和财力排除冰害,造成生产效率低下。上述冰害问题迫使研究、设计和管理技术人员对冰害的防治问题进行了长期的研究,不断地探索和实践,总结出“蓄冰、结冰盖、融冰、输冰、排冰”等经验,取得了一些研究成果。

4.1 蓄 冰

蓄冰是修建蓄冰库。其作用是将河道冰凌拦蓄在蓄冰库内,引进不含冰凌的清水,使输水渠道无凌或少凌,保证冬季运行安全。尤其对采取输排冰运行方式的梯级电站,若在一级渠首修建蓄冰库,梯级各站均能受益,且无需再排冰耗水,提高了冬季出力,效益非常明显。

蓄冰库有拦河式和注入式两种。拦河式蓄冰库一般修建在引水渠首,而注入式蓄冰库多建于引水渠道沿线的天然洼地或山沟。

蓄冰库库容除按一般水库原则计算外,其蓄冰部分的容积应按周期最大来凌容积确定,并注意以下问题:

(1)考虑到冰凌可沿河向上游堆积相当距离,实际蓄冰库容可超过夏季库容两倍以上。

(2)蓄冰库应采用胸墙式进水闸,保证闸顶有足够水深,避免潜流挟冰进入引水渠道。

(3)蓄冰库应采用拦河闸式。为了避免蓄冰库库容被泥沙淤积,汛期应采用低水位排沙运行,以保证蓄冰库的有效库容。

采用蓄冰库方案比较成功的是石灰窑水电站,自1976年投入运行以来从未发生冰害而影响发电。

4.2 结冰盖

结冰盖运行方式早在20世纪50年代初期就已成功应用于新疆阿勒泰地区,之后逐渐推广到全新疆。其基本做法是在结冰盖期间,利用气温骤降条件抬高引水渠道水位到结冰盖的最高水位,降低水流流速至0.5 m/s左右,在较短的时间内,整个渠道初步形成完整的冰盖。之后,在冰盖上每隔一段距离人工打冰洞,使冰洞向冰盖上溢水再结冰,以增加冰盖厚度,达到冰厚要求,最终整个引水渠道形成完整的全封闭冰盖。然后降低引水渠道水位,使冰盖和水面之间形成保温层(空气层),水流与冷空气隔绝,避免了再生冰的形成,并可融化一部分入渠的冰凌。结冰盖运行方式要求引水渠道水位比较稳定,以避免破坏冰盖[1]。

4.3 融 冰

式中:KT为综合系数(km/℃),可查表2;Qs为泉水或井水流量(m3/s);ts为泉水或井水温度(℃);Qm为混合后渠水流量(m3/s)。

融冰主要有增温法、压力水射流法和加热法。

4.3.1 增温法

是增加输水渠道的水温。增加水温的途径基本有两类,一类是将水温较高的天然泉水和火电厂的冷却水引入输水渠道,另一类是打井抽取地下水引入输水渠道。

新疆玛纳斯河四级电站采用引天然泉水输入渠道,泉水温度7℃,流量3 m3/s,占冬季渠道引水流量的 25%,增加引水渠道的水温,保证了输水渠道冬季正常运行。

冬季渠道不结冰长度LT(km)的计算可采用新疆水利水电勘测设计研究院铁汉的半理论半经验公式:

表2 综合系数KT值表(km/℃)

新疆沙湾县金沟河水电站采用打井抽取地下水引入渠道增加水温的措施,冬季抽取井水的水温是6.5℃,井水流量0.24 m3/s,占渠道流量的15%,保证了输排冰方式的正常运行。新疆玛纳斯河二级电站采用了该方法后,解决了长期困扰冬季安全运行的冰冻问题。

增温融冰一方面有效地解决了输水渠道冬季的安全输冰问题,同时增加了引水流量,增加了发电量,经济效益非常显著。

4.3.2 压力水射流法

是在建筑物与冰层之间,用压力水射流冲开一条保持不结冰的水带,避免水工建筑物与冰层冻结在一起,以防静冰压力作用在水工建筑物上。

射流法的应用条件:

底层水温补给的热量应大于1m宽不冻水域的热量损失

式中:Qp为潜水泵流量(m3/h);tw为潜水泵放置水深处的水温(℃);E为饱和水压(hPa),按气温查表;ta为最低气温(℃);W为最冷月的最大风速(m/s);L为不冻水域的长度(m);K为安全系数,K=1.5。

融化速度

式中:Δδ为融冰长度(m);ΔT为融冰时间(h);φ为射流孔直径(m);V0为射流孔出口流速(m/s);tw为潜水泵放置水深处的水温(℃);ht为射流管水深(m)。

潜水泵的扬程应大于2倍潜水泵放置水深;潜水泵放置水深处的水温不应低于0.2℃;射流管的放置水深为150 mm～300 mm。

压力水射流法具有设备简单、投资少、不占场地、安装操作维修方便、运行效果良好等优点。

4.3.3 加热法

有电热空气、电热水和电热油3种形式,通过管状电热器将保温介质空气、水和油加热,主要用于闸门、栏污栅等金属结构的防冰冻。

4.4 输 冰

输冰是输水渠道采用输送冰凌的运行方式。影响渠道输冰的技术条件虽很多,但输冰流速是主要技术条件。实践与研究证明,采用原苏联波达波夫公式计算输冰流速比较合适[2],即:

式中:Vk为输冰流速(m/s);C为渠道谢才系数;Di为冰凌颗粒直径(m);hi为冰凌厚度(m)。

输水渠道输冰的技术条件:

(1)保证输水渠道的输冰流速在1.2 m/s～1.5 m/s;

(2)输水渠道选线应平直而少取弯道,而设置弯道时,弯道半径应大于10倍渠道的设计水面宽度;

(3)对于冬夏季流量变幅较大的输水渠道,可采用复式断面渠道,以保证冬季小流量在下部小断面内获得较大的输冰流速和较大的水深,进而安全输冰;

(4)对于水电站的压力前池,由于其过水断面突然扩大而使流速突然降低而不利于输排冰。为了保证一定的流速,一是降低压力前池运行水位,二是缩小前室过水断面,可采取平面缩窄(设置垂直分隔墙),或垂直缩窄(设置活动分层隔板)。如新疆勿甫二级电站前池采用上下两层隔板,冬季装上分层隔板,增大了前池流速,运行良好[3]。

4.5 排 冰

排冰是将渠首或输水渠道的冰凌通过水力或机械的方法排除掉。

4.5.1 水力排冰

水力排冰主要是依靠排冰闸排除冰凌,其成败的关键是排冰闸的布置形式。排冰闸的布置形式可分为:正向排冰正向引水,正向排冰侧向引水,侧向排冰正向引水和弯道排冰等形式。实践经验表明,以正向排冰的效果最佳,弯道排冰是正向排冰的特例,而侧向排冰的效果最差[4]。

排冰闸的结构形式以舌瓣闸门为最好。

4.5.2 机械排冰

机械排冰是利用机械排除冰凌。目前普遍采用的是新疆玛纳斯河五级电站于20世纪70年代发明的回转栅式拦污排冰机[5]。夏季清污,冬季排冰,一机多用,效果良好。既节约了排冰用水,又增加了发电量,经济效益显著。经过30余年的不断改进和完善,已在新疆得到广泛应用,其推广应用前景广阔。

5 高寒地区输水工程冰害防治研究的展望

几十年来,新疆的科研、设计和管理技术人员对输水工程的冰害防治问题进行了长期的研究、不断的探索和实践,总结出正反两方面的经验,取得了一些研究成果,很多研究成果成功地应用于生产实践,并取得了满意的效果。

但是,由于种种原因,新疆输水工程冰害研究现状还不能满足生产需要。特别是近年来,随着国家建设逐渐向中西部倾斜,新疆已被列为国家粮棉基地和能源(石油和煤炭)基地,而制约新疆发展的仍然是“水”。

新疆地域辽阔,水资源分布极不均匀,为了解决经济开发带(区)的日益增长的用水需要,目前正在实施“引额济克”和“引额济乌”调水工程。该工程是将新疆最北部的额尔齐斯河水跨流域长距离地首先输送到油城—克拉玛依市(187 km),再穿越准葛尔盆地,输送至以乌鲁木齐市为中心的经济开发带(394 km)。

为了解决新疆塔里木盆地石油及丰富的后备耕地资源的开发用水需要,具有战略意义的“南水西调”工程的研究已开始[6]。一期工程“引通入塔”是将长江上游通天河水引入塔里木盆地,全长约1 180 km,年引水量50×108m3。二期工程“引雅入塔”是将雅鲁藏布江水引入塔里木盆地,全长约1 540 km,年引水量150×108m3。2010新疆农业大学校长基金项目“西部南水西调战略调研”也已经启动。

上述调水工程在海拔2 700m～4260m高原的高寒地区实施,必将面临着诸多新的研究课题。特别是长距离、大流量、极寒冷条件下明渠输水的冰害问题就是诸多重要研究课题之一。而研究的方法和手段如原型观测、模型试验以及数学模型在原有的基础上应有所创新和突破,才能较好地完成上述科研课题。

总之,随着新疆水利工程建设力度的不断加大,一大批国家和自治区重点项目陆续建设。特别是以新疆“北水南调”和“南水西调”为主的大规模的调水工程实施,使新疆输水工程冰害防治研究将面临着许多新的课题,需要我们去研究、解决。

[1] 李秀唐.新疆引水式水电站冰冻期运行探讨[J].新疆水利科技,1980,(3):37-39.

[2] B.M.波达波夫.引水道式农村水电站的冰冻问题[M].北京:水利水电出版社,1959,81.

[3] 朱瑞森.引水式水电站冬季安全运行对水工设计上的要求[J].新疆水利科技,1980,(3):41-45.

[4] 侯杰,周 著,惠遇甲,等.新疆引水式电站输排冰的试验研究[J].水力发电,1997,(12):47-49.

[5] 铁汉.引水式水电站压力前池的栏污栅[J].新疆水利科技,1980,(3):50.

[6] 杨力行,郑祖国,姜卉芳,等.南水西调初步设想——兼论水资源的高效利用与合理调配[J].八一农学院学报,1995,(1):36-41.