寒區(qū)抽水蓄能電站冰情發(fā)育特征研究

溫斌

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130061）

0 引言

目前，我國抽水蓄能儲備項目布局550 余個，總裝機規(guī)模約6.8 億kW 的發(fā)展目標(biāo)，其中，約150座抽水蓄能電站位于嚴(yán)寒地區(qū)，因電網(wǎng)調(diào)度及調(diào)峰填谷需求，這些抽水蓄能電站即使在冬季低溫結(jié)冰等極端氣候條件下，仍需保持正常運行[1，2]。抽水蓄能電站相比于一般電站，其最大特點是上水庫庫容較小，且水位運行期間會出現(xiàn)大幅度升降，升降幅度可達(dá)數(shù)米至數(shù)十米，升降過程頻繁，一晝夜可升降幾次，反復(fù)升降使冰情長消過程極為復(fù)雜[3-6]，因此，研究和掌握冰情發(fā)展特征規(guī)律，為寒區(qū)抽水蓄能電站防冰凍措施研究提供寶貴的基礎(chǔ)資料，是十分必要的。

1 冰情觀測方法

早期的冰情觀測方法為人工觀測，每周對冰情變化進(jìn)行一次觀測，特殊情況（如機組停機、氣溫驟降等）觀測周期縮短至每天一次[7-9]。隨著物聯(lián)網(wǎng)與無人機科技的不斷發(fā)展，為充分研究冰情發(fā)育過程和變化規(guī)律，采用人工觀測、冰情實時觀測系統(tǒng)和無人機測繪技術(shù)相結(jié)合的手段，進(jìn)行抽水蓄能電站冰情觀測，利用庫區(qū)實時監(jiān)控系統(tǒng)全天觀測庫區(qū)冰情變化，定期采用無人機對庫區(qū)結(jié)冰范圍與冰蓋的結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行全域拍攝，人工觀測重點部位的冰厚變化，尤其是進(jìn)出水口附近的冰厚變化，既能提高工作效率，又能充實觀測數(shù)據(jù)，為后續(xù)研究提供更加詳盡的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[10]。

2 冰情發(fā)育特征

2.1 結(jié)冰過程

嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站庫區(qū)冰層的形成與長消可分為如下階段。

1）第1 階段為初冰階段。此階段是指日平均氣溫開始進(jìn)入0 ℃以下到進(jìn)入穩(wěn)定負(fù)溫階段，一般歷時15 d 左右。這一階段的特點是晝夜呈正負(fù)溫交替，白天平均氣溫在0 ℃以上，晚上氣溫下降到0 ℃以下，整體平均氣溫在0 ℃左右，夜間氣溫較低時，在庫區(qū)靠近擋水建筑物附近形成一層薄（岸)冰，白天氣溫上升時，夜間形成的薄冰層受氣溫和日照影響再次融化。

水庫表面的水溫受低溫影響，下降至冰點。當(dāng)有風(fēng)力作用時，將形成混合層，水中產(chǎn)生冰花。冰花量的大小與混合層的厚度有關(guān)，如果無混合作用，則水面將很快結(jié)冰。觀測時發(fā)現(xiàn)，在平均風(fēng)速為1.5 m/s 的條件下，產(chǎn)生混合作用的幾率較小，因此，在現(xiàn)場觀測過程中也未發(fā)現(xiàn)水中有冰花。

2）第2 階段為結(jié)冰階段。當(dāng)晝夜氣溫達(dá)到穩(wěn)定負(fù)溫后，庫面逐漸形成冰蓋，直至冰層覆蓋整個庫面，此階段一般歷時30 d 左右。這一階段氣溫總體上逐步下降，初期在遠(yuǎn)離進(jìn)出水口水流擾動的位置形成小面積冰蓋，冰蓋慢慢從四周向進(jìn)出水口前方的擾動區(qū)發(fā)展，直至進(jìn)入第3 階段。

3）第3 階段為封凍階段。此階段是指冰層基本全部覆蓋庫面至冰層開始消融的時段。上庫水面形成完整冰蓋，封凍階段歷時約30 d。觀測期間發(fā)現(xiàn)，部分抽水蓄能電站上庫進(jìn)出水口前方的水流擾動區(qū)封凍時間較短，約為5 d，表現(xiàn)為庫內(nèi)冰蓋在該階段無法持續(xù)保持封凍狀態(tài)。

4）第4 階段為融冰階段。該階段氣溫緩慢回升，靠近陽坡位置的冰蓋開始融化，出現(xiàn)開敞水域，并呈線條狀擴展，這是冰層融化的第一階段。此后，日平均氣溫進(jìn)入總體回升過程，庫區(qū)冰蓋開始變薄，密度減小，容易破碎，線條狀融化帶寬度擴大，直至冰蓋全部融化。

2.2 結(jié)冰形態(tài)

通過觀測資料，整理嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站結(jié)冰形態(tài)，具體可分為四部分。

1）環(huán)庫岸冰帶。在累積凍結(jié)的過程中，沿水庫冬季高運行水位所形成的閉合庫岸將形成較穩(wěn)定的環(huán)庫岸冰，岸冰凍結(jié)于庫岸上，不再隨水位而升降。坡度越陡處岸冰越薄，坡度越緩岸冰的累積結(jié)冰厚度越大，在干砌石護(hù)坡處，由于坡度較緩，岸冰最大厚度可達(dá)幾十厘米；而在坡度較陡且為混凝土護(hù)坡或面板位置，岸冰厚度較小，約為幾厘米，且與岸坡粘結(jié)不牢，在水位上升的浮力作用下，易從岸坡上剝離，而后在負(fù)溫作用下，形成新的岸冰。

2）環(huán)庫薄冰帶。薄冰帶緊鄰環(huán)庫岸冰帶，環(huán)繞庫岸一周，觀測發(fā)現(xiàn)，庫區(qū)內(nèi)的薄冰帶厚度基本一致，冰厚基本上在1.5～4.0 cm 之間，寬度與庫岸坡度有關(guān)，坡度陡處寬度小，坡度緩處寬度大，從0.5 m 到十幾米不等。

3）環(huán)庫碎冰帶。觀察中發(fā)現(xiàn)，碎冰帶與薄冰帶形成冰水混合物，無明顯分界線，薄冰帶位于靠近庫岸側(cè)，碎冰帶位于庫內(nèi)一側(cè)，寬度約為1 m。

4）庫內(nèi)懸浮冰蓋。在碎冰帶之外，形成了一整塊漂浮在庫中的冰蓋，約占整個庫區(qū)面積的90%，觀測時發(fā)現(xiàn)，進(jìn)出水口正前方水流擾動位置處的冰封時間較短，最短冰封時間僅為5 d，在冰蓋上形成內(nèi)外交換的“窗口”，面積約為100 m2。同時，對庫區(qū)懸浮冰蓋的厚度進(jìn)行了觀測，其最大冰厚為同期天然河道最大冰厚的30%～40%。

3 冰情特征分析

由觀測結(jié)果可知，抽水蓄能電站庫區(qū)冰情與結(jié)冰形態(tài)相比于常規(guī)水庫，存在較大差別，主要有：1）整體結(jié)冰時間短。庫區(qū)冰層的形成過程歷時較長，進(jìn)入融冰階段的時間要早于常規(guī)水庫，封凍時間較短，整體結(jié)冰時間較常規(guī)水庫縮短了約30 d，有利于抽水蓄能電站的冬季運維，減少冰凍不利影響。2）結(jié)冰形態(tài)較復(fù)雜。在結(jié)冰期間，抽水蓄能電站庫區(qū)未完全形成封閉的完整冰蓋，而是整體分為環(huán)庫岸冰帶、環(huán)庫薄冰帶、環(huán)庫碎冰帶和庫內(nèi)懸浮冰蓋四部分。3）冰蓋厚度明顯減小。抽水蓄能電站庫內(nèi)懸浮冰蓋厚度遠(yuǎn)小于同期天然河道冰厚，由觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，其冰厚為天然河道冰厚的30%～40%。

對觀測結(jié)果進(jìn)行分析可知，抽水蓄能電站在機組運行期間，每天抽、放水較頻繁，水流不斷往復(fù)運動，在水流擾動及水溫產(chǎn)生的熱力作用下，水面紊動會阻止庫面冰蓋形成，導(dǎo)致整體結(jié)冰時間比常規(guī)水庫短，同時也是造成庫內(nèi)冰層厚度較小的主要原因。

在機組運行時，隨著水位升降，上覆冰層受浮力或重力作用，此時，冰層在靠近庫岸處所受彎矩最大，因此，在此處最易發(fā)生斷裂，從而形成一定寬度的靜水水面，形成環(huán)庫薄冰帶，斷裂后的碎冰或塌落于岸邊，形成環(huán)庫岸冰帶，或漂浮于薄冰帶寬度內(nèi)的水面上，在水流和風(fēng)的作用下，會將庫內(nèi)漂浮的冰蓋推向庫岸，同時，在冰蓋擠壓作用下，也會產(chǎn)生大量的碎冰，形成環(huán)庫碎冰帶，大部分冰蓋漂浮在庫區(qū)內(nèi)，形成庫內(nèi)懸浮冰蓋，最終形成獨特的結(jié)冰形態(tài)。

復(fù)雜的結(jié)冰形態(tài)是冰凍與抽水蓄能電站運行共同作用的結(jié)果，主要影響因素包括氣溫、運行工況、水溫、流速、水位變化等，需要通過大量、長期的觀測數(shù)據(jù)總結(jié)出每個影響因素之間的聯(lián)系、各自權(quán)重、組合作用等，最終實現(xiàn)定量評價冰凍對抽水蓄能電站的影響程度。

觀測期間發(fā)現(xiàn)，庫岸水位變化區(qū)的凍融循環(huán)作用時間短，頻率快，對面板等建筑物的抗凍融耐久性要求更高，環(huán)庫岸冰帶在浮力作用下，會對庫岸產(chǎn)生冰拔力，尤其是干砌石護(hù)坡，部分干砌石被拔出，散落在干砌石護(hù)坡表面，環(huán)庫薄冰帶則隨著水位上升下降，不斷重復(fù)結(jié)冰破壞的循環(huán)過程，庫內(nèi)懸浮冰蓋在重力、浮力和風(fēng)力作用下，頻繁地對庫岸面板、護(hù)坡產(chǎn)生冰推力、撞擊和摩擦擠壓，或?qū)彀对斐梢欢〒p壞，由于觀測周期較短，暫未發(fā)現(xiàn)庫岸建筑出現(xiàn)破壞，但在長期運行后，應(yīng)對這些部位加強觀測。

4 結(jié)語

抽水蓄能電站與常規(guī)水庫冰情存在較大差異，且機組運行因素的加入，使其冰情變化更為復(fù)雜，常規(guī)的數(shù)值計算、冰厚預(yù)測方法在抽水蓄能電站中已不再適用，無法預(yù)測庫區(qū)冰情變化情況，因此，無法量化評價冰情對機組運行的影響。通過對多個寒區(qū)抽水蓄能電站冰情變化情況的調(diào)查，收集寶貴的基礎(chǔ)資料，總結(jié)冰情變化的規(guī)律，找到影響寒區(qū)抽水蓄能電站冬季運行的制約因素，為目前已建和在建的寒區(qū)抽水蓄能電站提供更為科學(xué)高效的運行方案，防范冰凍對水工建筑物的不利影響，既是今后需要重點研究的內(nèi)容，也是未來亟需完成的目標(biāo)。