高寒區(qū)引水渠道抽水融冰原型試驗(yàn)及分析

黃酒林 ，宗全利 ，劉貞姬 ，朱苗苗 ，王子堅(jiān) ，張小燕

（1石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子832003；2新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司一分院，石河子832000）

我國新疆、西藏等西部地區(qū)冬季漫長且氣候嚴(yán)寒，屬典型高寒地區(qū)。建國以來，新疆地區(qū)修建了很多中小型水電站，其中有很大一部分為引水式水電站，為了收集一定的發(fā)電水頭及流量，引水式電站一般都修建有較長的引水渠道，引水渠渠道與空氣接觸面積大且長度比較長，冬季很容易受到冰凍危害。引水渠道由于嚴(yán)寒的氣溫形成的岸冰、冰蓋、冰花等[1]會(huì)嚴(yán)重影響電站的正常運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境、渠道安全輸水、水電站安全發(fā)電以及發(fā)電機(jī)組的壽命等都產(chǎn)生很大的影響。因此，引水渠道冰害是高寒地區(qū)引水式電站冬季運(yùn)行亟需解決的一個(gè)關(guān)鍵問題[2]。

目前，我國高寒地區(qū)引水式電站防冰害技術(shù)措施主要有破冰排冰法、蓄冰法和冰蓋法[3]，此外還有加設(shè)保溫蓋板[4]法、吹泡法和太陽能法等。上述除冰方法一般操作簡單、應(yīng)用廣泛，但成本高、效率低，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)渠道冰害及時(shí)有效的控制。國外相關(guān)研究多集中在對(duì)河、渠內(nèi)冰水變化規(guī)律研究方面，主要包括一維和二維水內(nèi)冰演變研究。Hammar和Shen[5]利用二維紊流模型對(duì)水內(nèi)冰演變進(jìn)行了數(shù)值模擬；Wang[6]等模擬了水內(nèi)冰演變過程；She等[7]建立了一維動(dòng)態(tài)水力模型，模擬了Saint John河冰塞形成過程；Liu等[8]建立了二維河冰模型，模擬了St.Lawrence河上游河冰的演變及消融過程。

增溫融冰法是目前解決引水渠道冬季冰害比較理想的一種方法，最普遍的增溫方法為抽取地下水增溫，簡稱抽水融冰法[9]。該法是利用抽取的地下溫水來消除渠道的岸冰、底冰、冰花危害，同時(shí)也增加了發(fā)電渠道水量，可使地下水所具有的熱能、勢能、灌溉作用同時(shí)發(fā)揮，從而取得水利水電工程安全、發(fā)電、灌溉等水資源利用綜合效益。

目前，抽水融冰法在我國已經(jīng)成功應(yīng)用在多個(gè)水電站并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，例如，青海省香加水電站是國內(nèi)應(yīng)用抽水融冰最早水電站[10]，此外還有新疆瑪納斯河流域紅山嘴電站[11]和金溝河流域電站以及青年電站[12]。本文結(jié)合新疆紅山嘴電站應(yīng)用抽水融冰法的運(yùn)行情況，介紹了高寒區(qū)引水渠道冬季運(yùn)行抽水融冰基本原理，并根據(jù)抽水融冰原型試驗(yàn)結(jié)果分析了引水渠道水溫變化規(guī)律等。

1 抽水融冰基本原理

1.1 引水渠道冬季運(yùn)行中冰害的形成過程及影響

引水渠道冰害主要的形成過程如下：在嚴(yán)寒冬季，河道中最初誘發(fā)水內(nèi)冰主要是由于水表面水流熱交換產(chǎn)生過冷卻，從而在水體表面產(chǎn)生細(xì)小冰晶，當(dāng)水溫降到0℃后進(jìn)一步散熱形成。水流的紊動(dòng)作用使全斷面的任何地方都會(huì)有冰晶出現(xiàn)[13]。隨著氣溫不斷下降，水中的冰晶逐漸在岸邊聚集慢慢發(fā)展成岸冰，岸冰不斷由岸邊向河心發(fā)展，冰體的厚度也逐漸增加，發(fā)展到一定時(shí)期兩邊的岸冰凍接在一起形成冰蓋，岸冰和冰蓋是河道冰堵、冰塞的支撐體。氣溫下降到一定程度，低溫延續(xù)一定的時(shí)間在河水較淺的河底部位，冰花也開始凝結(jié)到一起，隨著附著的冰花逐漸聚集，慢慢形成類似附著在底部的一個(gè)冰塊，實(shí)際中常被稱作做底冰。隨著底冰的發(fā)育，水流斷面發(fā)生變化，使岸冰發(fā)育加快，結(jié)冰量劇增，如果冰害繼續(xù)發(fā)展可能引起渠道漫流、渠道潰壩等嚴(yán)重后果[14]。

引水渠道冰害具體形成過程如圖1所示。

圖1 引水渠道冰害形成過程示意圖Fig.1 The formation process of ice problem for water diversion channel

引水渠道冰害對(duì)水電站冬季運(yùn)行影響很大。例如，新疆紅山嘴電站位于新疆北部準(zhǔn)噶爾盆地南緣的瑪納斯河流域中游，該流域歷年全年平均氣溫為5.9℃，最低氣溫可達(dá)-39.8℃，每年0℃以下氣溫持續(xù)天數(shù)平均有130多天，屬于典型高寒地區(qū)。該電站現(xiàn)有梯級(jí)電站5座，19臺(tái)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)11.505萬kW，年設(shè)計(jì)發(fā)電量4.5億kW·h，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)[15]，但電站冬季發(fā)電受冰害影響較大，電站引水渠結(jié)岸冰、冰凌嚴(yán)重，水中冰花密度大，嚴(yán)重的冰害使電站經(jīng)常處于排冰和停機(jī)狀態(tài)，冬季發(fā)電時(shí)間短且效率低。在氣溫較低時(shí)，上游來水量較少，此時(shí)更加嚴(yán)重的冰情會(huì)使二、三級(jí)電站引水渠無法引水，被迫停機(jī)達(dá)2個(gè)月之久；在氣溫合適時(shí)，只有組織人工通過反復(fù)炸冰、排冰才能勉強(qiáng)保證引水渠道暢通[16]，這樣不僅上游二、三級(jí)電站機(jī)組不能連續(xù)運(yùn)行，而且下游四、五級(jí)電站也要經(jīng)常排冰，造成水資源和發(fā)電設(shè)備利用效率大大降低，同時(shí)人工排冰成本高、危險(xiǎn)性很大。

1.2 抽水融冰基本原理

抽水融冰基本原理[17]是采取鑿井提取地下水注入引水渠，提高渠水的水溫，使渠水中的冰花、冰塊在溫度較高水流的浸泡和沖刷下部分融化，控制渠道內(nèi)底冰、岸冰發(fā)育，使渠道暢通，再利用地下水體流經(jīng)電站形成的勢能發(fā)電，使發(fā)電量大于或等于抽水的耗電量，從而產(chǎn)生增能作用，最后水體用于下游工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活。這種技術(shù)使地下水所具有的熱能、勢能、灌溉作用同時(shí)發(fā)揮，從而取得水利水電工程安全運(yùn)行、發(fā)電、灌溉等水資源利用綜合效益。

抽水融冰基本原理如圖2所示。

從圖2可知，渠道中溫度較低水流（0.1～0.2℃）與溫度較高井水（9.6～10.6℃）混合后，渠水溫度將保持在0.5～2.8℃，能保證渠道水流不會(huì)形成冰花。

圖2 抽水融冰基本原理示意圖Fig.2 The principle of pumping well water to melt ice

2 新疆紅山嘴電站抽冰融冰法應(yīng)用概況

2.1 抽水融冰井運(yùn)行概況與基本參數(shù)

新疆紅山嘴電站從1995年開始探索抽水融冰技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，并于1996～1997年在渠首樞紐至二級(jí)電站引水渠6+600之間建設(shè)了5口抽水融冰井，5口井總抽取水量達(dá)到2470 m3/h。1996年11月～2001年3月近5年的運(yùn)行狀況表明：該電站渠系的冰情明顯改善，冬季運(yùn)行條件得到改善，冬季冰害基本消除。5口井的投產(chǎn)運(yùn)行，使二、三級(jí)電站實(shí)現(xiàn)了氣溫-20℃條件下引水渠不再結(jié)冰蓋、冰塞、冰堵，水位不再上升，二級(jí)引水渠冬季不再炸冰及組織大規(guī)模打冰，15 km渠道全部暢通，二、三級(jí)電站排冰用水全部轉(zhuǎn)化為發(fā)電用水，二、三級(jí)電站發(fā)電量大幅度增加。

2001年12月，瑪納斯河流域天氣氣溫驟變，-32℃的氣溫持續(xù)12 d，5口井全部投入運(yùn)行后，引水渠系流冰花仍非常嚴(yán)重，冰花密度在50%以上，在渠系水流流速較低的渠段水面冰花凍結(jié)成冰蓋，二級(jí)引水渠幾段結(jié)冰蓋處最長達(dá)8 km，致使該電站生產(chǎn)仍然十分困難。為了消除這種嚴(yán)寒冰害對(duì)發(fā)電造成的不利影響，2002年夏季紅山嘴電站選擇渠系地理環(huán)境較優(yōu)越的地段又鑿井3口，而且為了解決一級(jí)電站冬季冰害問題，2006～2007年冬季，該電站將隧洞出口勘察井改建為抽水融冰井，抽取地下水至隧洞出口渠道，2007年秋又將廠房生活井改造為抽水融冰井，從而使抽水融冰井總數(shù)增加到17口。17口井同時(shí)投產(chǎn)運(yùn)行后，基本解決了一級(jí)電站的冰害問題，直到現(xiàn)在電站冬季運(yùn)用行良好，沒有再出現(xiàn)較大的冰害問題。

該電站抽水融冰井的基本參數(shù)見表1。

表1 抽水融冰井基本參數(shù)表Tab.1 he basic parameters of well for pumping water to melt ice

2.2 抽水融冰井運(yùn)行效果

新疆紅山嘴電站經(jīng)過十幾年的摸索和研究，采用抽水融冰法成功消除了冬季發(fā)電的冰害問題。該電站自1995年首次鑿單井試驗(yàn)至2008年共在引水渠道沿線鑿井17口，最大可抽取地下水2.15 m3/s注入引水渠，利用地下水的升溫作用有效地解決了引水渠結(jié)冰的問題，保證了引水渠輸水通暢，結(jié)束了電站大規(guī)模打冰、炸冰、排冰運(yùn)行和冬季停機(jī)運(yùn)行的歷史，使員工從野外打冰和排冰的強(qiáng)體力勞動(dòng)中解放出來，極大改善了電廠的冬季運(yùn)行條件；同時(shí)利用地下水的增能作用，將抽取的地下水注入引水渠，使冬季發(fā)電水量增加，前池運(yùn)行水位增高，冬季發(fā)電水頭增加，增加的水量依次通過下游一至五級(jí)電站增能發(fā)電。

3 抽水融冰原型試驗(yàn)及分析

為了確定該電站抽水融冰的實(shí)際運(yùn)行效果，在2013年2月底到3月初對(duì)紅山嘴電站引水渠道進(jìn)行了渠道水溫的原型試驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 融冰井（a）和引水渠道（b）水溫觀測Fig.3 The water temperature observations in melt ice well(a)and channel(b)

原型試驗(yàn)數(shù)據(jù)以溫度測量為主，氣溫計(jì)采用分度值為0.1℃水銀溫度計(jì)，最低可測溫度為-30℃，滿足本次觀測要求。整個(gè)觀測過程中氣溫測量結(jié)果為最高氣溫為-1.3℃，最低氣溫為-3℃，低于水的冰點(diǎn)溫度。紅山嘴電站二級(jí)引水渠分布有13口抽水融冰井，本次原型試驗(yàn)以二級(jí)引水渠為主要觀測渠道。由于渠道坡度陡峭，直接測量水渠水溫不方便，采用小水壺多次多點(diǎn)取水測平均溫度的方法，不僅快速安全，也能夠保證水溫的準(zhǔn)確性。采用2支校核過的水銀溫度計(jì)多次測量取平均值。主要觀測對(duì)象為井水溫度以及井水入渠前后引水渠沿程水溫的變化情況等。

圖4是所觀測井水的出水溫度值。

圖4 抽水融冰井抽水溫度及混合后渠道水溫Fig.4 The temperatures of well water and channel water after being mixed

從圖4可見：

（1）8口融冰井出口的井水溫度基本在10℃左右，混合后的水溫均在0℃以上，可以保證渠道暢通不結(jié)冰。

（2）總體趨勢是越到下游，混合后的水溫越高，說明了沿程井水的注入有連續(xù)加溫的作用。

圖5是引水渠道沿程水溫的變化情況。

圖5 引水渠道水溫沿程變化Fig.5 The changing of temperature along the diversion channel

從圖5可以看出：

（1）井水加入后渠道沿程水溫都在0.5～2.8℃，均高于0℃，渠道不會(huì)形成冰花，更不會(huì)結(jié)冰形成冰蓋；對(duì)于每一段抽水融冰井的引水渠道，10℃ 左右的井水與渠水混合后，水溫迅速變?yōu)?.9～2.8℃，渠水溫度沿程逐漸降低，降至0.5～1.7℃，直至到達(dá)下一口融冰井位置，水溫又會(huì)從高至低沿程減小。

（2）在每一條溫度變化曲線中，剛開始溫度下降較快，而到下游時(shí)溫度變化放緩。另外，起始水溫越高，水溫下降的速度越快，例如圖11#與13#井后渠道水溫下降幅度明顯高于上施其他井后渠道，這與水溫與氣溫差值有關(guān)，溫差越大，水溫變化速度越快。

（3）每一口融冰井均控制一定長度的引水渠道，能保證渠水溫度不會(huì)降至0℃以下。若引水渠道沒有融冰井水的持續(xù)匯入，沿程水溫會(huì)連續(xù)降低直至降到0℃以下，此時(shí)渠道達(dá)到結(jié)冰臨界點(diǎn)。對(duì)于水溫大于0℃的渠段長度，稱之為不凍長度。每口井控制的引水渠道長度為250～1445 m，而根據(jù)紅山嘴電站計(jì)算得到不凍長度為700～1500 m[18]，所以每口井控制的引水渠道長度均在不凍長度范圍之內(nèi)，可以保證引水渠道不結(jié)冰。實(shí)際若計(jì)算得到不凍長度，在渠道流量、當(dāng)?shù)貧鉁匾约俺樗疁囟纫阎闆r下，可以反算需要在引水渠中引入多大流量井水。

4 結(jié)論

結(jié)合新疆紅山嘴水電站應(yīng)用抽水融冰情況，對(duì)該電站抽水融冰進(jìn)行了基本原理分析、原型試驗(yàn)及分析，得到了以下結(jié)論：

（1）抽水融冰的基本原理和渠水與井水混合后水溫變化的規(guī)律是：溫度10℃左右的井水入渠與渠水混合后，水溫迅速變?yōu)?.9～2.8℃，渠水溫度沿程逐漸降低，降至0.5～1.7℃，直至到達(dá)下一口融冰井位置，水溫又會(huì)從高至低沿程減??；井水加入后渠道沿程水溫都在0.5～2.8℃，均高于0℃，渠道不會(huì)形成冰花，更不會(huì)結(jié)冰形成冰蓋，可保證渠道不出現(xiàn)冰害問題。

（2）該電站抽取地下水溫度為10℃左右，混合后的水溫均在0℃以上，井水的注入對(duì)引水渠道有明顯的增溫效果，說明抽水融冰效果顯著。

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