嚴(yán)寒地區(qū)輸水渠道冰期運(yùn)行控制研究

鄒江保，劉 云

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程背景及概況

克孜河南岸輸水干渠位于疏附縣木什鄉(xiāng)境內(nèi)，距疏附縣27 km，疏附縣距喀什市19 km，工程區(qū)采用喀什氣象站(1951年～2010年)實(shí)測資料，其中多年平均降水量為67.5 mm，多年平均蒸發(fā)量為2305.2 mm，多年平均年氣溫為11.7℃，7月份為氣溫最高月，多年平均氣溫為25.8℃，1月份為氣溫最低月，多年平均氣溫為-6.4℃，歷年極端最高年氣溫40.1℃(1958年7月12日)，歷年極端最低氣溫-24.4℃(1959年1月12日)；多年平均風(fēng)速1.9 m/s，最大風(fēng)速15 m/s，最大瞬時風(fēng)速27 m/s(1979年4月)，大風(fēng)日數(shù)23.1 d，5月、6月是大風(fēng)多發(fā)季節(jié)，風(fēng)向多為西北風(fēng)；歷年最大凍土深度為90 cm，凍土深度大于30 cm的最早凍結(jié)日期為12月17日，最早解凍日期為1月23日。

根據(jù)干渠地形地貌、地層巖性的不同，將干渠工程地質(zhì)條件分成4段：K3+000～K7+100段干渠位于克孜河右岸Ⅱ級階地上，地形坡降7‰。階面高出河床10 m以上，渠線距階地前緣200 m左右，該段上部地層由第四系上更新統(tǒng)沖洪積層，巖性為卵石混合土，下部為第三系上新統(tǒng)～中新統(tǒng)砂巖、泥巖。K7+100～K7+760段干渠位于克孜河右岸Ⅰ級階地上，階地面平坦、開闊，現(xiàn)狀多為耕地、林帶。在勘探深度內(nèi)揭露的地層為：第一層耕植土，分布于地表表面，巖性為粉土，厚約0.2 m～2.8 m，植物根系發(fā)育；第二層混合土卵石，埋深0.2 m～2.7 m，未揭穿，一般粒徑20 mm～60 mm，最大粒徑300 mm，天然密度2.3 g/cm3，滲透系數(shù)1.4×10-2cm/s，為強(qiáng)透水地層。建議混合土卵石地基承載力容許值350 kPa。該段在勘探深度10 m內(nèi)未揭露地下水。K7+760～K19+700段干渠位于克孜河河床及漫灘上，地形開闊、河床寬1000 m～2000 m，海拔高程1406 m～1495 m，地勢由西向東微傾，河床縱坡7‰。在勘探深度內(nèi)揭露的地層為混合土卵石：未揭穿，一般粒徑20 mm～60 mm，最大粒徑達(dá)400 mm，天然密度2.2 g/cm3～2.3 g/cm3，滲透系數(shù)1.2×10-2cm/s，該段在勘探深度10 m內(nèi)未揭露地下水，建議地基承載力容許值350 kPa。

2 輸水渠道冰期水情變化過程分析

2.1 分析模型

2.1.1 非恒定流模型

(1)

(2)

2.1.2 水溫方程

(3)

式中：Tw表示干渠渠系斷面水溫均值；u表示斷面流速均值；Φ表示水面熱量散失程度；ρ為水密度；Cp表示渠系水比熱；D表示渠系斷面水深均值。

通過特征差分法求解上式，可得：

(4)

式中：Δx表示距離步長；Δt表示時間步長；j是斷面所在位置；n是計算次數(shù)。

在通過特征差分法求解時，必須符合柯朗條件，即Δx≥uΔt。根據(jù)式(4)，影響輸水干渠渠系斷面水溫的主要因素包括上游斷面水溫、渠系水流速流量、斷面水深、水位及熱交換條件、環(huán)境溫度等。

克孜河南岸輸水干渠渠系內(nèi)的多個串聯(lián)渠池由控制閘分隔開，渠系內(nèi)渠池在尺寸、長度、設(shè)計水深等方面均不相同，且在控制閘的阻隔作用下，渠系水流條件也與無閘門渠道不同，各渠池內(nèi)均形成一條高度不同于下游常水位的壅水水面線[2]。渠系內(nèi)所修建的暗渠、涵洞等也對渠系輸水和水溫變化存在一定影響。

2.2 輸水渠道冰期水流運(yùn)動特性

2.2.1 輸水流量的影響

近年來，克孜河南岸輸水干渠1月份渠系斷面初始水溫均值和渠首來水水溫均值均為-14℃，并按設(shè)計輸水流量及占比進(jìn)行沿程分水口和下游取水量分析，模擬結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 上游冰蓋位置與渠首距離和輸水流量占比的關(guān)系

圖2 各渠池內(nèi)形成冰蓋的時間

由圖1和圖2可知，在初始水溫和來水水溫溫度既定的條件下，渠系在進(jìn)入嚴(yán)寒條件后形成冰蓋的距離和輸水流量成比例變化，且輸水流量越小，則冰蓋形成范圍越大，上游來水溫控范圍也越小。隨著渠系輸水流量的變化，在觀測時間內(nèi)最上游渠池冰蓋發(fā)生的時間幾乎相同，充分說明，上游來水的溫度既定時，輸水流量只是改變冰蓋形成的范圍，而不改變渠道內(nèi)形成冰蓋的時間。最上游渠池內(nèi)冰蓋的形成時間主要受渠首水溫、初始水溫和寒潮等的影響，且最上游渠池內(nèi)冰蓋形成時間相當(dāng)接近；對于下游渠池，渠首水溫對冰蓋形成的影響程度越來越減弱，而初始水溫和寒潮影響就成為影響冰蓋形成的主要因素，同時，在流量既定情況下，渠道形成冰蓋的時間十分接近，隨著輸水流量的增大，在下游常水位下水面線越陡峭水深越大，水溫降溫過程便會得到延緩，形成冰蓋的時間也越晚。為此，可將形成冰蓋的渠道劃分成三個區(qū)域：一是渠首水溫、初始水溫和寒潮等綜合影響的最上游渠池，二是渠首水溫作用逐漸減小的過度渠道，三是冰蓋形成主要受初始水溫和寒潮影響的渠池。

2.2.2 渠首水溫的影響

按照克孜河南岸輸水干渠水量設(shè)計，渠系沿程分水口和下游取水分別為各自設(shè)計流量的40%，渠系沿程的初始水溫為-15℃，上游渠首來水水溫在-10℃～4℃之間。根據(jù)圖3分析結(jié)果可知，隨著渠首來水溫度的升高，最上游冰蓋斷面距渠首的距離逐漸增大，冰蓋面積相應(yīng)減小。

圖3 最上游冰蓋斷面距渠首距離與渠首來水溫度的關(guān)系

由圖4可知，隨著渠首斷面水溫的升高，冰蓋范圍減小，當(dāng)渠首斷面水溫為-20℃時，渠系內(nèi)全部冰蓋均僅存在于第三區(qū)域，且第三區(qū)域內(nèi)幾乎同時在100 h左右形成冰蓋，表明上游來水溫度在水溫降至-20℃前便使控制流域內(nèi)水溫迅速降低；當(dāng)渠首來水溫度在-15℃～-5℃之間時，結(jié)冰區(qū)段僅為渠首水溫、初始水溫和寒潮等綜合影響的最上游渠池以及主要受初始水溫和寒潮影響的渠池，無渠首水溫作用逐漸減小的過度區(qū)域，表明在該溫度段內(nèi)，來水溫度在寒潮影響下對下游區(qū)段的影響有較快衰減。當(dāng)來水水溫升高至0～5℃時，結(jié)冰渠段又劃分為較為明顯的三個區(qū)域，但第三區(qū)段因較高來水溫度的作用而逐漸減小。由于不同渠首水溫抵御寒潮的能力不盡相同，所以，不同上游來水溫度所對應(yīng)的上游區(qū)段形成冰蓋的時間隨溫度的升高而延后。

圖4 不同斷面水溫下各渠池冰蓋形成的時間

3 輸水渠道冰期運(yùn)行控制

3.1 冰期運(yùn)行方式

當(dāng)克孜河南岸輸水干渠在嚴(yán)寒條件下形成冰蓋后，水體失熱過程便會停止，冰蓋之下的水體不再繼續(xù)產(chǎn)生冰花，所以推薦克孜河南岸輸水干渠采用結(jié)冰蓋的輸水方式?？俗魏幽习遁斔汕诙具\(yùn)行時水流所形成的流冰順流而下，遇阻后便會堆積形成冰蓋，并逐漸游向上游。為促進(jìn)冰蓋形成，應(yīng)在節(jié)制閘進(jìn)口處增設(shè)攔冰索，確保所形成的冰花堆積在攔冰索前，并以此為中心逐漸堆積形成冰蓋。當(dāng)冰蓋形成后，冰蓋下渠道糙率增大，在既定的輸水流量下，會增大渠池內(nèi)的蓄水量和水面線壅高；而且輸水干渠渠道水面所形成的冰蓋強(qiáng)度有限，如果冰蓋之下水位的波動超出限度范圍，便會引起冰蓋的破裂，為此，克孜河南岸輸水干渠在嚴(yán)寒條件下運(yùn)行時應(yīng)加強(qiáng)對攔冰索附近水位的控制，確保渠池內(nèi)水位的穩(wěn)定；還應(yīng)按照輸水干渠冰期輸水的控制要求，將閘前水位的變動幅度控制在15 cm/h和30 cm/d。

3.2 水位-流量控制

在克孜河南岸輸水干渠渠道水面形成冰蓋后渠道綜合糙率增大，渠池過流能力降低，而在過流流量既定時，渠池內(nèi)的水面線會出現(xiàn)壅高?？梢妼τ陂l前常水位而言，嚴(yán)寒條件下渠道輸水運(yùn)行過程顯然與正常運(yùn)行狀態(tài)存在不同，而最大的不同在于輸水時冰蓋糙率變化對渠池蓄水量影響較大。為此，在節(jié)制閘運(yùn)行時，必須根據(jù)渠道輸水實(shí)際情況加強(qiáng)閘門開度的調(diào)整與控制，以時應(yīng)渠池內(nèi)蓄水量的變動，保證渠道正常的輸水能力。

本文提出前饋+反饋的克孜河南岸輸水干渠水位-流量控制方式，前饋主要針對已知擾動，反饋則針對未知擾動；如果嚴(yán)寒條件下渠道冰清變化能精確預(yù)測，則應(yīng)采用前饋的冰清控制方式，然而，渠道冰清預(yù)報信息的精確程度往往與氣象預(yù)報精確程度相關(guān)，精確預(yù)測的難度較大。所以，嚴(yán)寒條件下克孜河南岸輸水干渠冰期閘前常水位控制采用反饋控制方式。控制系統(tǒng)包括串聯(lián)的2個控制器，其中，主控制器采用渠池下游閘前水位偏差輸入，渠池上游閘門過流流量輸出，副控制器以主控制器的輸出為輸入，以渠池上游閘門開度為輸出。這種水位-流量控制方式實(shí)施后，通過自適應(yīng)功能，可有效消除水位變化對冰蓋的不利擾動，并降低上游渠池運(yùn)行對下游渠段的不利影響。

4 結(jié)論

通過本文對克孜河南岸輸水干渠渠道冰期水流運(yùn)動特性的分析表明，下游常水位控制狀態(tài)下，沿程輸水流量和上游渠首水溫是影響渠系水冰蓋形成及水流運(yùn)動形態(tài)的主要因素，為此必須加強(qiáng)對渠道取水水溫及輸水力量的調(diào)節(jié)與控制。此外，在減少冰蓋形成區(qū)段輸水流量時，如果上游無冰蓋渠段分水口的流量未發(fā)生較大變化，則渠首流量將減小，冰蓋形成時間延長，為此必須通過合理的水位流量控制，將流量調(diào)整前后的冰蓋形成范圍控制在同一渠池范圍內(nèi)，以保證渠道運(yùn)行安全和輸水流量的最大化。