余 勇

(新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

我國(guó)西北等高寒地區(qū)水利設(shè)施普遍存在冰凍危害問(wèn)題[1]，對(duì)水電站經(jīng)濟(jì)效益、人民生活及工農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生不利影響[2]。抽水融冰技術(shù)是將較高溫度的井水抽到較低溫度的渠水，節(jié)省了大量時(shí)間，是一項(xiàng)安全可行的技術(shù)措施[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)引水渠道抽水融冰技術(shù)做了大量研究。趙夢(mèng)蕾等[4]對(duì)金溝河電站進(jìn)行了試驗(yàn)研究并分析推導(dǎo)出了該水渠的不凍長(zhǎng)度計(jì)算公式。黃酒林等[5]計(jì)算了紅山嘴水電站的不凍長(zhǎng)度，并對(duì)其應(yīng)用做了研究。P H Wadia[6]利用二維模型對(duì)冰的演變過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析得出水渠內(nèi)水溫和冰花的分布規(guī)律。本文以新疆哈德布特水電站抽水融冰為研究對(duì)象，對(duì)該地區(qū)引水渠道抽水融冰的影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以期為高寒地區(qū)引水渠道的穩(wěn)定運(yùn)行提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

試驗(yàn)在室外進(jìn)行，溫度低于0℃，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼展虏继仉姀S(chǎng)水渠實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)，總長(zhǎng)度為80m，占地面積9.6m×23.5m，水槽模型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 模型結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)裝置

水槽融冰試驗(yàn)，從室內(nèi)的地下水庫(kù)用水泵抽水，引入室外的蓄水池，構(gòu)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(nèi)的形成。用另一個(gè)水泵抽取蓄水池中的水，引入水渠模型，水流在模型中流動(dòng)的過(guò)程中，熱量逐漸損失，水溫越來(lái)越低，在到達(dá)第一個(gè)彎道時(shí)流速減小，冰花開(kāi)始形成。

1.3 冰花密度試驗(yàn)

觀(guān)測(cè)不同渠水流量、井水流量參數(shù)下引水渠道沿程冰花密度及冰花消融變化情況，具體試驗(yàn)步驟為[7- 8]：在渠水流量保持不變，調(diào)整井水注入位置及井水流量，渠水與井水充分混合并流經(jīng)整個(gè)渠道，對(duì)注水點(diǎn)前后斷面以及各斷面的冰花進(jìn)行測(cè)量；當(dāng)冰水混合物體積及斷面冰花質(zhì)量測(cè)量結(jié)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(zhì)量測(cè)量完畢；調(diào)節(jié)渠水流量，重復(fù)上述步驟至所有渠道流量對(duì)應(yīng)不同井水流量的冰水混合物體積及冰花質(zhì)量測(cè)量完畢。

2 引水渠道不凍長(zhǎng)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(duì)不凍長(zhǎng)度的影響。在引水渠內(nèi)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(duì)各斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，分析冰花密度的變化規(guī)律。當(dāng)池內(nèi)的水溫下降至最初測(cè)溫度時(shí)，再次注入0.13L/s井水，重復(fù)該步驟至井水中注入速度為0.19L/s，并記錄全部數(shù)據(jù)。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(diǎn)在32m處，不同渠水流量對(duì)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(shí)，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(nèi)生成的冰花越多，冰花產(chǎn)生的時(shí)間也越早。渠水流量為0.50L/s時(shí)，在9m處開(kāi)始產(chǎn)生較多冰花，而當(dāng)井水注入之后，之前產(chǎn)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(shù)據(jù)可得，無(wú)井水注入時(shí)，渠水流量越小則產(chǎn)生冰花越早，表明渠水流量的增大可以減小沿程的水溫?fù)p失。而當(dāng)井水開(kāi)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(dòng)的過(guò)程中，熱能不斷損失，渠水流量較小的地方相對(duì)較快的產(chǎn)生冰花，流量較大時(shí)不凍長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

2.2 井水流量的影響

注水溫度一致時(shí)，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(jìn)行改變而得到的冰花密度變化過(guò)程，如圖5～7所示。由圖5和圖6可以看出，在9m和36m的地方?jīng)]有產(chǎn)生冰花，這一現(xiàn)象說(shuō)明了渠道自身流量大的時(shí)候結(jié)冰速度很慢，可能是在流水之前就已產(chǎn)生冰花，當(dāng)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(chǎn)生冰花。

圖5 Q=1.00L/s時(shí)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(gè)位置均有冰花產(chǎn)生，并且數(shù)量特別多，表明井水流量越小，冰花形成的速度越快，對(duì)應(yīng)的渠道內(nèi)不凍長(zhǎng)度就越短。

圖7 Q=0.50L/s時(shí)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(shí)，由于水流的拖拽作用，冰花不會(huì)由于自身的粘結(jié)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(huì)形成冰蓋。在注水點(diǎn)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(nèi)的冰花密度。注水前后的渠水的流速變化過(guò)程，如圖8～11所示?？梢钥闯?，未注入井水時(shí)，隨著距離的增加流速變得越來(lái)越小，渠水流速Q(mào)=1.00L/s時(shí)，流速由30cm/s降到22.7cm/s，渠水流速Q(mào)=0.75L/s時(shí)，流速由22.5cm/s降到14.5cm/s，渠水流速Q(mào)=0.50L/s時(shí)，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(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，并且流量越大，流速也越大。結(jié)合圖8～11可知，水的流速越小，冰花的形成密度越大，導(dǎo)致不凍長(zhǎng)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(zhǎng)度就更長(zhǎng)。

圖8 q=0.00L/s時(shí)渠水的流速變化

圖9 Q=1.00L/s時(shí)渠水的流速變化

圖10 Q=0.75L/s時(shí)渠水的流速變化

圖11 Q=0.50L/s時(shí)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(lái)觀(guān)察不凍長(zhǎng)度的變化[9]。冬季的低溫使得水溫降低，容易形成冰花，當(dāng)注入的井水溫度越高時(shí)，水溫得到提升，混合后的水溫變化和渠水溫度變化規(guī)律一致。改變氣候條件來(lái)觀(guān)察其對(duì)不凍長(zhǎng)度的影響，氣象要素(風(fēng)、降水、溫度等)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是作為氣候表述的依據(jù)。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(duì)水溫產(chǎn)生了最大且最重要的影響。本次觀(guān)察結(jié)果關(guān)系圖如圖12所示。在圖中可以看出，氣溫在-9℃至27℃時(shí)，水溫出現(xiàn)緩慢降低趨勢(shì)，單位長(zhǎng)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(shí)，水溫和氣溫差值變大，導(dǎo)致單位長(zhǎng)度的水溫下降幅度變大，最大幅度的下降出現(xiàn)在氣溫-27℃。

圖12 氣溫和單位長(zhǎng)度下水溫下降幅度的關(guān)系

氣溫和渠道末端冰花密度的關(guān)系，如圖13所示，可見(jiàn)，-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(dāng)氣溫降到-27℃時(shí)，渠道末端的結(jié)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(xiàn)的最初位置也在緩慢移動(dòng)，為大量冰花的形成提供了條件。

圖13 氣溫和冰花密度的關(guān)系

2.5 引水渠道不凍長(zhǎng)度的定量關(guān)系

單位長(zhǎng)度水溫和大氣溫度的下降幅度關(guān)系基本為指數(shù)關(guān)系，由于當(dāng)冷空氣接觸到的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e越大的時(shí)候，水溫則會(huì)越快的降低，縮短了不凍長(zhǎng)度的距離，因此可以確定不凍長(zhǎng)度與氣溫和水?dāng)嗝娴年P(guān)系：

(1)

式中，Tair—?dú)鉁?，℃；A—過(guò)水的斷面面積，m2。

不凍長(zhǎng)度、井水溫度與渠水溫度和井水流量、渠水流量成正比，其計(jì)算式為：

(2)

式中，e—熱損失強(qiáng)度，取0.08～0.1kW/m2;K—流量系數(shù)，取0.63～1.00。

不凍長(zhǎng)度的定量關(guān)系式，如下：

(3)

(4)

式中，c—修正系數(shù)。

當(dāng)氣溫為-20℃至-25℃，在渠水流量Q<4m3/s的時(shí)候，公式(2)比較準(zhǔn)確。經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果和本文公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖14所示。在其他條件相同的情況下，共設(shè)計(jì)了9種工況見(jiàn)表1。

表1 不同工況

從圖14中可以看出，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果和本文推導(dǎo)公式計(jì)算結(jié)果的最大誤差為3.16%，最小誤差為2.34%，擬合性很好。所以當(dāng)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(jīng)驗(yàn)公式和本文公式計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

按比例將公式(3)計(jì)算的結(jié)果和最初的哈德布特電站的井群安置進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。

表2 模型和原型結(jié)果的對(duì)比

從表2中可以看出，理論距離均大于實(shí)際的布置距離。這主要是由于進(jìn)行理論計(jì)算未考慮其他影響因素，若考慮其他因素會(huì)導(dǎo)致結(jié)果變小，同時(shí)短距離布置較為安全，也便于日后的維修和運(yùn)行。

3 結(jié)論

以新疆哈德布特水電站抽水融冰為研究對(duì)象，通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行試驗(yàn)和實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)，以此測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)抽水融冰效果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：注入的渠水和井水流量越大，不凍長(zhǎng)度的距離越長(zhǎng)；測(cè)得的井水、渠水混合后的流速越大，不凍長(zhǎng)度的距離越長(zhǎng)。室外的氣溫越高，水表面的熱量損失越慢，冰體積分?jǐn)?shù)和產(chǎn)冰量越小，不凍長(zhǎng)度越長(zhǎng)；反之則越短。并且推導(dǎo)出了相應(yīng)的不凍長(zhǎng)度定量關(guān)系式，擬合度較高，對(duì)其他高寒地區(qū)引水渠道的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。