高寒地區引水渠道抽水融冰影響因素研究

余 勇

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

我國西北等高寒地區水利設施普遍存在冰凍危害問題[1]，對水電站經濟效益、人民生活及工農業發展產生不利影響[2]。抽水融冰技術是將較高溫度的井水抽到較低溫度的渠水，節省了大量時間，是一項安全可行的技術措施[3]。國內外學者對引水渠道抽水融冰技術做了大量研究。趙夢蕾等[4]對金溝河電站進行了試驗研究并分析推導出了該水渠的不凍長度計算公式。黃酒林等[5]計算了紅山嘴水電站的不凍長度，并對其應用做了研究。P H Wadia[6]利用二維模型對冰的演變過程進行數值模擬，分析得出水渠內水溫和冰花的分布規律。本文以新疆哈德布特水電站抽水融冰為研究對象，對該地區引水渠道抽水融冰的影響因素進行了系統研究，以期為高寒地區引水渠道的穩定運行提供理論指導。

1 試驗概況

1.1 試驗平臺搭建

試驗在室外進行，溫度低于0℃，試驗模型照哈德布特電廠水渠實際尺寸設計，總長度為80m，占地面積9.6m×23.5m，水槽模型結構，如圖1所示。

圖1 模型結構示意圖

1.2 試驗裝置

水槽融冰試驗，從室內的地下水庫用水泵抽水，引入室外的蓄水池，構成了引水渠的冷水源即室外蓄水池，水溫控制在0℃～1℃之間，便于冰花在引水渠道內的形成。用另一個水泵抽取蓄水池中的水，引入水渠模型，水流在模型中流動的過程中，熱量逐漸損失，水溫越來越低，在到達第一個彎道時流速減小，冰花開始形成。

1.3 冰花密度試驗

觀測不同渠水流量、井水流量參數下引水渠道沿程冰花密度及冰花消融變化情況，具體試驗步驟為[7- 8]：在渠水流量保持不變，調整井水注入位置及井水流量，渠水與井水充分混合并流經整個渠道，對注水點前后斷面以及各斷面的冰花進行測量；當冰水混合物體積及斷面冰花質量測量結束后，保持注水位置和渠水流量不變，改變井水流量至冰水混合物體積及冰花質量測量完畢；調節渠水流量，重復上述步驟至所有渠道流量對應不同井水流量的冰水混合物體積及冰花質量測量完畢。

2 引水渠道不凍長度的影響因素

2.1 渠水流量的影響

在其他因素保持不變的情況下，改變渠水流量，研究其對不凍長度的影響。在引水渠內引入渠水流量為0.50L/s，0.75L/s和1.00L/s的冷水，將0.07L/s的井水注入在30m處，對各斷面進行數據采集和計算，分析冰花密度的變化規律。當池內的水溫下降至最初測溫度時，再次注入0.13L/s井水，重復該步驟至井水中注入速度為0.19L/s，并記錄全部數據。相同注水溫度，井水流量q分別為0.07L/s，0.13L/s和0.19L/s，注水點在32m處，不同渠水流量對冰花密度的影響，如圖2～4所示。可以看出，渠水流量Q分別為1.00L/s，0.75L/s和0.50L/s時，水渠末端冰花的密度分別為1.30%，4.10%和4.60%，表明隨著渠水流量的減小冰花密度不斷增大，水渠內生成的冰花越多，冰花產生的時間也越早。渠水流量為0.50L/s時，在9m處開始產生較多冰花，而當井水注入之后，之前產生的大量冰花又被井水的高溫融化，在36m的地方只看到較少的冰花，但是隨著熱量的不斷消耗再逐漸形成冰花。

圖2 q=0.07L/s冰花密度變化

圖3 q=0.13L/s冰花密度變化

圖4 q=0.19L/s冰花密度變化

由以上數據可得，無井水注入時，渠水流量越小則產生冰花越早，表明渠水流量的增大可以減小沿程的水溫損失。而當井水開始引入之后，井水的高溫將部分冰花融化，冰花密度有所減小，而水流動的過程中，熱能不斷損失，渠水流量較小的地方相對較快的產生冰花，流量較大時不凍長度越長。

2.2 井水流量的影響

注水溫度一致時，在30m注水處，0.50L/s，0.75L/s和1.00L/s的渠水流量，只將井水流量進行改變而得到的冰花密度變化過程，如圖5～7所示。由圖5和圖6可以看出，在9m和36m的地方沒有產生冰花，這一現象說明了渠道自身流量大的時候結冰速度很慢，可能是在流水之前就已產生冰花，當注入井水之后，由于熱量的提升，融化了全部冰花，隨著熱量的損失，后期又慢慢的產生冰花。

圖5 Q=1.00L/s時的冰花密度變化

圖6 Q=0.75L/s的冰花密度變化

由圖7中可以看出，在四個位置均有冰花產生，并且數量特別多，表明井水流量越小，冰花形成的速度越快，對應的渠道內不凍長度就越短。

圖7 Q=0.50L/s時的冰花密度變化

2.3 渠水流速的影響

流速是冰的輸移、演變、生成的主要因素。輸冰流速臨界值小于渠道流速時，由于水流的拖拽作用，冰花不會由于自身的粘結而形成冰蓋。隨著形成的冰花增加，輸冰速度臨界值大于渠道流速，便會形成冰蓋。在注水點位置高溫井水大量減少了冰花的形成并且增加渠水流速，最終減小渠水內的冰花密度。注水前后的渠水的流速變化過程，如圖8～11所示?？梢钥闯?，未注入井水時，隨著距離的增加流速變得越來越小，渠水流速Q=1.00L/s時，流速由30cm/s降到22.7cm/s，渠水流速Q=0.75L/s時，流速由22.5cm/s降到14.5cm/s，渠水流速Q=0.50L/s時，流速由15.5cm/s降到5.6cm/s。由此可知，隨著流量的改變，流速的大小也會產生相應的變化，并且流量越大，流速也越大。結合圖8～11可知，水的流速越小，冰花的形成密度越大，導致不凍長度則越短。相反，水的流速越大，冰花的形成密度就越小，則不凍長度就更長。

圖8 q=0.00L/s時渠水的流速變化

圖9 Q=1.00L/s時渠水的流速變化

圖10 Q=0.75L/s時渠水的流速變化

圖11 Q=0.50L/s時渠水的流速變化

2.4 氣候條件的影響

在其他因素都保持不變的情況下，只改變水的溫度來觀察不凍長度的變化[9]。冬季的低溫使得水溫降低，容易形成冰花，當注入的井水溫度越高時，水溫得到提升，混合后的水溫變化和渠水溫度變化規律一致。改變氣候條件來觀察其對不凍長度的影響，氣象要素(風、降水、溫度等)的實時統計數據是作為氣候表述的依據。由于空氣能直接和水體界面接觸從而能夠影響水的溫度變化，所以氣溫對水溫產生了最大且最重要的影響。本次觀察結果關系圖如圖12所示。在圖中可以看出，氣溫在-9℃至27℃時，水溫出現緩慢降低趨勢，單位長度下降的水溫由0.022℃升高到了0.036℃，并且由于室外氣溫變低時，水溫和氣溫差值變大，導致單位長度的水溫下降幅度變大，最大幅度的下降出現在氣溫-27℃。

圖12 氣溫和單位長度下水溫下降幅度的關系

氣溫和渠道末端冰花密度的關系，如圖13所示，可見，-20℃之前冰花密度處于較低水平，保持在2.05%～2.55%的范圍，但當氣溫降到-27℃時，渠道末端的結冰量增加到4.55%。由此可得，在低氣溫的不同情況下，冰花出現的最初位置也在緩慢移動，為大量冰花的形成提供了條件。

圖13 氣溫和冰花密度的關系

2.5 引水渠道不凍長度的定量關系

單位長度水溫和大氣溫度的下降幅度關系基本為指數關系，由于當冷空氣接觸到的過水斷面面積越大的時候，水溫則會越快的降低，縮短了不凍長度的距離，因此可以確定不凍長度與氣溫和水斷面的關系：

(1)

式中，Tair—氣溫，℃；A—過水的斷面面積，m2。

不凍長度、井水溫度與渠水溫度和井水流量、渠水流量成正比，其計算式為：

(2)

式中，e—熱損失強度，取0.08～0.1kW/m2;K—流量系數，取0.63～1.00。

不凍長度的定量關系式，如下：

(3)

(4)

式中，c—修正系數。

當氣溫為-20℃至-25℃，在渠水流量Q<4m3/s的時候，公式(2)比較準確。經驗公式計算結果和本文公式計算結果對比如圖14所示。在其他條件相同的情況下，共設計了9種工況見表1。

表1 不同工況

從圖14中可以看出，經驗公式計算結果和本文推導公式計算結果的最大誤差為3.16%，最小誤差為2.34%，擬合性很好。所以當外界的溫度在0℃以下，渠水流量小于1.00L/s的情況下，本文公式是可用的。

圖14 經驗公式和本文公式計算結果的對比

按比例將公式(3)計算的結果和最初的哈德布特電站的井群安置進行對比，見表2。

表2 模型和原型結果的對比

從表2中可以看出，理論距離均大于實際的布置距離。這主要是由于進行理論計算未考慮其他影響因素，若考慮其他因素會導致結果變小，同時短距離布置較為安全，也便于日后的維修和運行。

3 結論

以新疆哈德布特水電站抽水融冰為研究對象，通過建立實驗模型進行試驗和實時觀測，以此測得的數據對抽水融冰效果進行分析，得出以下結論：注入的渠水和井水流量越大，不凍長度的距離越長；測得的井水、渠水混合后的流速越大，不凍長度的距離越長。室外的氣溫越高，水表面的熱量損失越慢，冰體積分數和產冰量越小，不凍長度越長；反之則越短。并且推導出了相應的不凍長度定量關系式，擬合度較高，對其他高寒地區引水渠道的穩定運行具有重要的現實意義。