寒区复式输水渠道冰盖厚度变化特征模型试验研究

刘朝英

（哈尔滨市双城区水务局河道管理站，黑龙江 哈尔滨 150100）

我国是淡水资源比较缺乏，同时在时空分布上存在不平衡的问题[1]。为了降低水资源供给不足对经济和社会的发展的制约，进行长距离调水就成为必然手段[2]。同时，随着农业现代化和设施农业产业的发展，北方寒区冬季的农业用水量迅速增长。因此，确保输水渠道冰期输水安全就显得尤为重要，一旦出现冰期输水工程管理和调控方面的失误，就会诱发十分严重的后果[3]。考虑渠道工程在输水方面的优势，冰盖输水在寒区渠道输水中得到广泛应用[4]。在我国的北方寒区，经常采用复式断面或由梯形断面改造而成的复式断面渠道进行冰盖输水[5]。由于冬季输水过程中，冰盖的形成会受到辐射、环境温度、初始水温、流速、含砂率以及风力等诸多因素的影响，因此形成的机理十分复杂[6]，很难通过理论层面对冰盖输水问题进行模拟研究。基于此，本次研究利用模型试验的方式对复式断面渠道冬季输水过程中冰盖厚度的变化特征进行试验研究。

1 试验设计

1.1 试验模型

试验模型由水槽、进出口水箱、动力水泵以及变频控制系统构成。根据模型相似性理论，模型的比尺为1∶10，试验模型图见图1。试验水槽为U型环形水槽，以模拟长距离输水条件。本次研究的渠道原型为浑河灌区2#支渠，该渠道为梯形断面改造而成的复式断面，为了对比研究复式断面与梯形断面冰盖厚度的变化特征，将同尺寸梯形断面作为对比断面水槽由两个U型铁桶制成，侧面设有有机玻璃视窗，渠道断面示意图见图2和图3。系统的电机为KY-03型三相异步电动机，通过动力矩控制水泵运行，利用变频控制器调节水槽内的水体流速。为减少水槽内水体与边壁的热交换，保证试验结果的准确性，所有结构外部均用泡沫塑料包裹[7]。试验过程中，冰盖的厚度利用电阻丝热融法进行测量；冰盖的覆盖宽度利用卡尺进行测量；流速利用ADV多普勒测速仪测量；利用Pt100温度传感器测量水温，利用手持红外测温仪测量冰温。

图1 试验模型示意图

图2 渠道梯形断面示意图

图3 渠道复式断面示意图

1.2 试验对象和目的

本次研究的原型渠道为某灌区2#支渠，基于当地的气象资料，初始水温设定为5℃，恒温室内的气温设定为-9℃。通过循环水槽实验，对连续时间段内的梯形断面和复式断面渠道冰盖形成过程中的垂向厚度变化特征进行观测和记录，基于试验数据的整理和分析，给出不同工况下冰盖厚度的计算公式，并对冰盖形成过程中的安全稳定特征进行探讨。

1.3 试验步骤

根据前人在冰盖形成过程理论和试验研究中获得经验和成果[8]，并尽可能准确模拟自然状态下渠道冰盖的发展过程，确定如下的试验步骤：

（1）启动试验装置，将气温设定为5℃的水体温度预设温度，对试验水槽内水体的深度和流速进行测量，调节变频系统，使水体按照预定的流速运动。

（2）待系统运行稳定，水槽内的水温分布均匀之后，将模拟气温调节为-9℃的预设温度。

（3）观测和测量冰盖的形成过程以及冰盖厚度的变化，并做好相应的数据记录。

（4）对记录的数据进行整理分析，然后进入下一组试验。

1.4 试验工况

结合相关研究成果，选择输水渠道的断面形式以及渠道内的水流流速为试验变量，设计出6组试验。其中，流速大于0.1 m/s的情况下，会在渠道内形成比较大的浪花，不利于冰盖的形成。因此研究中选取0 m/s、0.05 m/s、0.1 m/s三个不同的平均流速变量值。由于梯形断面输水渠道具有施工简单、占地面积小的优势，在灌区渠道工程建设中使用最为广泛。因此研究中将梯形渠道断面作为对照组。具体的研究工况及具体参数见表1。

表1 研究工况

1.5 数据采集

冰盖厚度的现场测量一般采用钻孔测量的方法进行，这需要到冰面上测量，或者测量的仪器与冰盖接触。显然，这种现场测量方法并不适合。在实验室内进行冰盖厚度测量时，主要采用电阻丝热融法进行，其测量装置示意图见图4。在测量时仅需要将装置通电，带镍铬合金丝产生的热量将冰盖穿孔后，向上拉动测量装置，则冰盖上表面到参考点的距离L2与L1的差值即为冰盖的厚度。如果冰盖没有平封或厚度较薄时，则采用千分尺测量。

图4 电阻丝热融法冰厚测量装置示意图

2 试验结果与分析

2.1 冰盖厚度变化

冰盖的厚度在横断面上的变化并不具有均匀性，水流速度较大时尤其如此。研究中选取靠近岸边的冰盖最厚位置进行测量，三种不同流速下的测量时间分别为750 min、1000 min和1250 min。根据试验过程中的测量数据，整理获得的冰盖厚度与生长速率计算结果见表2。

表2 冰盖厚度与生长速率

由表2的结果可知，在流速相同的条件下，复式断面渠道的冰盖厚度生长速率相较于梯形断面偏大，并且冰盖的最大厚度也较大。在动水条件下，梯形断面的生长速率的均值为0.0868 cm/h，复式断面的生长速率均值为0.0951 cm/h，比梯形断面的生长速率快9.56%；无论何种断面渠道，静水条件下的冰盖生长速率最快，且随着渠道流速的增加而不断变慢。例如，对于梯形断面渠道，流速0.05 cm/s条件下比流速0.1 cm/s条件下的生长速率快20.46%；对于复式断面渠道，流速0.05 cm/s条件下比流速0.1 cm/s条件下的生长速率快18.76%；在静水条件下，两种不同断面形式渠道的最大冰厚比较接近，而动水条件下存在较大的差距。究其原因，主要是静水条件下冰盖的发展受断面特征影响较小，动水条件下复式断面的漫滩水流容易受到糙率的影响。

图5～图10为不同工况下冰盖厚度随时间变化的曲线。其中，图5和图6为静水工况，由于不存在水流紊动作用的影响，冰盖厚度随时间基本呈线性增长态势。在动水工况下，水流紊动造成的热交换是影响冰盖厚度变化的主要因素。因此，冰盖厚度的增加呈现开始增长较快、之后逐渐趋于稳定的特征。

图5 工况1条件下渠道冰盖厚度变化曲线

图6 工况4条件下渠道冰盖厚度变化曲线

图7 工况2条件下渠道冰盖厚度变化曲线

图8 工况5条件下渠道冰盖厚度变化曲线

图9 工况3条件下渠道冰盖厚度变化曲线

图10 工况6条件下渠道冰盖厚度变化曲线

综上，输水渠道的断面和流速是影响冰盖厚度增长的两个主要因素，其中复式断面渠道的冰盖生长速率高于梯形断面渠道；低流速渠道的冰盖生长速率高于流速高的渠道。因此，为了保证冰期输水渠道的运行安全，防止冰坝、冰塞等灾害情况的出现，迅速形成稳定、厚实的冰盖更为有利。因此推荐采用复式断面滩地部分低流速输水，以促进冰盖的形成和加厚。

2.2 冰盖厚度计算

鉴于静水工况下冰盖厚度与时间之间基本呈线性关系，研究中对复式断面渠道在静水工况下的冰盖厚度与累积小时负气温之间的关系进行拟合，结果见图11。其数学表达式如下：

式中：T累积小时负气温，℃·h；h为冰盖厚度，cm。相关系数为0.923，说明两者之间为典型的线性相关关系。

在动水工况下，研究中利用Stefan的度日法对复式断面渠道冰盖厚度和累计冻结度-时之间的关系进行拟合，结果见图12，数学表达式为：

式中：S为累积小时负气温，℃·h；h为冰厚，cm，相关系数为0.897。

图11 静水水工况下累积小时负温与冰厚关系

图12 动水工况下冰厚与冻结度-时之间的关系

3 结论

本文利用模型试验研究的方法，对输水渠道冰盖厚度变化规律进行研究，获得的主要结论如下：

（1）在流速相同的条件下，复式断面渠道的冰盖厚度生长速率相较于梯形断面偏大，并且冰盖的最大厚度也较大；无论何种断面渠道，静水条件下的冰盖生长速率最快，且随着渠道流速的增加而不断变慢；在静水条件下，两种不同断面形式渠道的最大冰厚比较接近，而动水条件下存在较大的差距。

（2）静水工况下冰盖厚度随时间基本呈线性增长态势；在动水工况下，冰盖厚度的增加呈现出开始增长较快，之后逐渐趋于稳定的特征。

（3）为了保证冰期输水渠道的运行安全，防止冰坝、冰塞等灾害情况的出现，迅速形成稳定、厚实的冰盖更为有利。因此推荐采用复式断面滩地部分低流速输水，以促进冰盖的形成和加厚。

（4）研究中给出了静水和动水条件下复式断面渠道冰盖厚度的计算公式，具有一定的实际应用价值。