高寒地区引水渠道抽水融冰影响因素研究

余 勇

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

我国西北等高寒地区水利设施普遍存在冰冻危害问题[1]，对水电站经济效益、人民生活及工农业发展产生不利影响[2]。抽水融冰技术是将较高温度的井水抽到较低温度的渠水，节省了大量时间，是一项安全可行的技术措施[3]。国内外学者对引水渠道抽水融冰技术做了大量研究。赵梦蕾等[4]对金沟河电站进行了试验研究并分析推导出了该水渠的不冻长度计算公式。黄酒林等[5]计算了红山嘴水电站的不冻长度，并对其应用做了研究。P H Wadia[6]利用二维模型对冰的演变过程进行数值模拟，分析得出水渠内水温和冰花的分布规律。本文以新疆哈德布特水电站抽水融冰为研究对象，对该地区引水渠道抽水融冰的影响因素进行了系统研究，以期为高寒地区引水渠道的稳定运行提供理论指导。

1 试验概况

1.1 试验平台搭建

试验在室外进行，温度低于0℃，试验模型照哈德布特电厂水渠实际尺寸设计，总长度为80m，占地面积9.6m×23.5m，水槽模型结构，如图1所示。

图1 模型结构示意图

1.2 试验装置

水槽融冰试验，从室内的地下水库用水泵抽水，引入室外的蓄水池，构成了引水渠的冷水源即室外蓄水池，水温控制在0℃～1℃之间，便于冰花在引水渠道内的形成。用另一个水泵抽取蓄水池中的水，引入水渠模型，水流在模型中流动的过程中，热量逐渐损失，水温越来越低，在到达第一个弯道时流速减小，冰花开始形成。

1.3 冰花密度试验

观测不同渠水流量、井水流量参数下引水渠道沿程冰花密度及冰花消融变化情况，具体试验步骤为[7- 8]：在渠水流量保持不变，调整井水注入位置及井水流量，渠水与井水充分混合并流经整个渠道，对注水点前后断面以及各断面的冰花进行测量；当冰水混合物体积及断面冰花质量测量结束后，保持注水位置和渠水流量不变，改变井水流量至冰水混合物体积及冰花质量测量完毕；调节渠水流量，重复上述步骤至所有渠道流量对应不同井水流量的冰水混合物体积及冰花质量测量完毕。

2 引水渠道不冻长度的影响因素

2.1 渠水流量的影响

在其他因素保持不变的情况下，改变渠水流量，研究其对不冻长度的影响。在引水渠内引入渠水流量为0.50L/s，0.75L/s和1.00L/s的冷水，将0.07L/s的井水注入在30m处，对各断面进行数据采集和计算，分析冰花密度的变化规律。当池内的水温下降至最初测温度时，再次注入0.13L/s井水，重复该步骤至井水中注入速度为0.19L/s，并记录全部数据。相同注水温度，井水流量q分别为0.07L/s，0.13L/s和0.19L/s，注水点在32m处，不同渠水流量对冰花密度的影响，如图2～4所示。可以看出，渠水流量Q分别为1.00L/s，0.75L/s和0.50L/s时，水渠末端冰花的密度分别为1.30%，4.10%和4.60%，表明随着渠水流量的减小冰花密度不断增大，水渠内生成的冰花越多，冰花产生的时间也越早。渠水流量为0.50L/s时，在9m处开始产生较多冰花，而当井水注入之后，之前产生的大量冰花又被井水的高温融化，在36m的地方只看到较少的冰花，但是随着热量的不断消耗再逐渐形成冰花。

图2 q=0.07L/s冰花密度变化

图3 q=0.13L/s冰花密度变化

图4 q=0.19L/s冰花密度变化

由以上数据可得，无井水注入时，渠水流量越小则产生冰花越早，表明渠水流量的增大可以减小沿程的水温损失。而当井水开始引入之后，井水的高温将部分冰花融化，冰花密度有所减小，而水流动的过程中，热能不断损失，渠水流量较小的地方相对较快的产生冰花，流量较大时不冻长度越长。

2.2 井水流量的影响

注水温度一致时，在30m注水处，0.50L/s，0.75L/s和1.00L/s的渠水流量，只将井水流量进行改变而得到的冰花密度变化过程，如图5～7所示。由图5和图6可以看出，在9m和36m的地方没有产生冰花，这一现象说明了渠道自身流量大的时候结冰速度很慢，可能是在流水之前就已产生冰花，当注入井水之后，由于热量的提升，融化了全部冰花，随着热量的损失，后期又慢慢的产生冰花。

图5 Q=1.00L/s时的冰花密度变化

图6 Q=0.75L/s的冰花密度变化

由图7中可以看出，在四个位置均有冰花产生，并且数量特别多，表明井水流量越小，冰花形成的速度越快，对应的渠道内不冻长度就越短。

图7 Q=0.50L/s时的冰花密度变化

2.3 渠水流速的影响

流速是冰的输移、演变、生成的主要因素。输冰流速临界值小于渠道流速时，由于水流的拖拽作用，冰花不会由于自身的粘结而形成冰盖。随着形成的冰花增加，输冰速度临界值大于渠道流速，便会形成冰盖。在注水点位置高温井水大量减少了冰花的形成并且增加渠水流速，最终减小渠水内的冰花密度。注水前后的渠水的流速变化过程，如图8～11所示。可以看出，未注入井水时，随着距离的增加流速变得越来越小，渠水流速Q=1.00L/s时，流速由30cm/s降到22.7cm/s，渠水流速Q=0.75L/s时，流速由22.5cm/s降到14.5cm/s，渠水流速Q=0.50L/s时，流速由15.5cm/s降到5.6cm/s。由此可知，随着流量的改变，流速的大小也会产生相应的变化，并且流量越大，流速也越大。结合图8～11可知，水的流速越小，冰花的形成密度越大，导致不冻长度则越短。相反，水的流速越大，冰花的形成密度就越小，则不冻长度就更长。

图8 q=0.00L/s时渠水的流速变化

图9 Q=1.00L/s时渠水的流速变化

图10 Q=0.75L/s时渠水的流速变化

图11 Q=0.50L/s时渠水的流速变化

2.4 气候条件的影响

在其他因素都保持不变的情况下，只改变水的温度来观察不冻长度的变化[9]。冬季的低温使得水温降低，容易形成冰花，当注入的井水温度越高时，水温得到提升，混合后的水温变化和渠水温度变化规律一致。改变气候条件来观察其对不冻长度的影响，气象要素(风、降水、温度等)的实时统计数据是作为气候表述的依据。由于空气能直接和水体界面接触从而能够影响水的温度变化，所以气温对水温产生了最大且最重要的影响。本次观察结果关系图如图12所示。在图中可以看出，气温在-9℃至27℃时，水温出现缓慢降低趋势，单位长度下降的水温由0.022℃升高到了0.036℃，并且由于室外气温变低时，水温和气温差值变大，导致单位长度的水温下降幅度变大，最大幅度的下降出现在气温-27℃。

图12 气温和单位长度下水温下降幅度的关系

气温和渠道末端冰花密度的关系，如图13所示，可见，-20℃之前冰花密度处于较低水平，保持在2.05%～2.55%的范围，但当气温降到-27℃时，渠道末端的结冰量增加到4.55%。由此可得，在低气温的不同情况下，冰花出现的最初位置也在缓慢移动，为大量冰花的形成提供了条件。

图13 气温和冰花密度的关系

2.5 引水渠道不冻长度的定量关系

单位长度水温和大气温度的下降幅度关系基本为指数关系，由于当冷空气接触到的过水断面面积越大的时候，水温则会越快的降低，缩短了不冻长度的距离，因此可以确定不冻长度与气温和水断面的关系：

(1)

式中，Tair—气温，℃；A—过水的断面面积，m2。

不冻长度、井水温度与渠水温度和井水流量、渠水流量成正比，其计算式为：

(2)

式中，e—热损失强度，取0.08～0.1kW/m2;K—流量系数，取0.63～1.00。

不冻长度的定量关系式，如下：

(3)

(4)

式中，c—修正系数。

当气温为-20℃至-25℃，在渠水流量Q<4m3/s的时候，公式(2)比较准确。经验公式计算结果和本文公式计算结果对比如图14所示。在其他条件相同的情况下，共设计了9种工况见表1。

表1 不同工况

从图14中可以看出，经验公式计算结果和本文推导公式计算结果的最大误差为3.16%，最小误差为2.34%，拟合性很好。所以当外界的温度在0℃以下，渠水流量小于1.00L/s的情况下，本文公式是可用的。

图14 经验公式和本文公式计算结果的对比

按比例将公式(3)计算的结果和最初的哈德布特电站的井群安置进行对比，见表2。

表2 模型和原型结果的对比

从表2中可以看出，理论距离均大于实际的布置距离。这主要是由于进行理论计算未考虑其他影响因素，若考虑其他因素会导致结果变小，同时短距离布置较为安全，也便于日后的维修和运行。

3 结论

以新疆哈德布特水电站抽水融冰为研究对象，通过建立实验模型进行试验和实时观测，以此测得的数据对抽水融冰效果进行分析，得出以下结论：注入的渠水和井水流量越大，不冻长度的距离越长；测得的井水、渠水混合后的流速越大，不冻长度的距离越长。室外的气温越高，水表面的热量损失越慢，冰体积分数和产冰量越小，不冻长度越长；反之则越短。并且推导出了相应的不冻长度定量关系式，拟合度较高，对其他高寒地区引水渠道的稳定运行具有重要的现实意义。