不同流量條件下引水渠道抽水融冰冰花演變規(guī)律研究

吳 濤

(河北省廊坊水文勘測(cè)研究中心,河北 廊坊 065000)

1 概 述

在我國(guó)寒冷地區(qū),引水渠道在氣溫較低時(shí),存在不同程度的河冰現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成渠道堵塞和冰水泛濫。為了防止冰塞等對(duì)引水渠道造成破壞,影響渠道的輸水能力,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。宗全利等[1]對(duì)高寒區(qū)引水渠道抽水融冰不凍長(zhǎng)度計(jì)算模型及應(yīng)用進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,渠道來(lái)水流量對(duì)不凍長(zhǎng)度影響較小,井水注入量、大氣溫度、風(fēng)速等對(duì)不凍長(zhǎng)度影響較顯著。熊慧等[2]對(duì)寒區(qū)引水渠道抽水融冰過(guò)程的數(shù)值模擬進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,采取增加井水流量可更有效地解決渠道冰害問(wèn)題。劉玉杰[3]對(duì)引水渠道冬季土層溫度及位移變化進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,距離渠底深度越小,土壤溫度隨著氣溫變化越劇烈。吳素杰等[4]對(duì)高寒區(qū)多口融冰井引水渠道水溫變化三維模擬及井群優(yōu)化布置進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,將井前渠道水溫分別降低和升高0.2℃和0.4℃時(shí),井前渠道水溫與混合水溫成正比。吳建良[5]對(duì)嚴(yán)寒高海拔地區(qū)水電站引水渠道設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,采用引水渠道結(jié)冰蓋運(yùn)行方式,可有效解決冬季引水渠道打冰、撈冰、破冰等問(wèn)題。趙夢(mèng)蕾等[6]對(duì)引水渠道單井注水對(duì)不凍長(zhǎng)度的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,只改變水力條件,所變因素越小,冰花密度可由0%迅速增長(zhǎng)至4.5%,同時(shí)不凍長(zhǎng)度距離變短。

上述文獻(xiàn)研究了高寒地區(qū)引水渠道水溫的變化,分析了引水渠道抽水融冰對(duì)不凍長(zhǎng)度的影響。本文參考以上研究結(jié)論,通過(guò)抽水融冰試驗(yàn),對(duì)不同流量條件下引水渠道抽水融冰冰花演變規(guī)律進(jìn)行研究,并分析不同渠水流量和不同井水流量對(duì)冰花密度的影響。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本次模擬試驗(yàn)在室外進(jìn)行。為了保證試驗(yàn)順利進(jìn)行,室外溫度須低于0℃。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶凑崭吆畢^(qū)某發(fā)電廠引水渠道尺寸設(shè)計(jì),引水渠道總長(zhǎng)85m,渠道寬0.7m,在渠道中間段有4個(gè)彎道,彎道由中心點(diǎn)至外壁半徑為2m,其模型結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 引水渠道模型示意圖

2.2 試驗(yàn)方法

本次引水渠道抽水融冰試驗(yàn),需先構(gòu)建引水渠道的冷水源。試驗(yàn)采用室外的蓄水池作為冷水源,再?gòu)奈挥谑覂?nèi)的地下水庫(kù)抽水至室外的蓄水池,并保持抽取水的水溫在0℃～1℃范圍內(nèi)。在此溫度范圍內(nèi),有利于冰花在引水渠道內(nèi)順利產(chǎn)生。然后將蓄水池中的水抽取至引水渠道,水流流入引水渠道后,在流動(dòng)的過(guò)程中,由于室外氣溫的作用,水流熱量逐漸流失,因此水溫越來(lái)越低。在到達(dá)第1個(gè)彎道段時(shí),在彎道作用下,流速減小,渠道內(nèi)水流表面開(kāi)始形成冰花。

試驗(yàn)設(shè)置了不同的渠水流量和井水流量,分別在不同的流量條件下,觀察沿程冰花產(chǎn)生的密度和冰化消融的變化,并找出其演變規(guī)律。試驗(yàn)中,先保持渠道內(nèi)水流量不變,抽取井水至渠道內(nèi),在不同的位置注入不同的流量,使渠水和井水充分混合后,在整個(gè)水渠內(nèi)流動(dòng)。然后對(duì)渠水和井水混合的體積進(jìn)行測(cè)量,再對(duì)注水位置前后斷面以及離注水點(diǎn)較遠(yuǎn)的其它斷面的冰花進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量,并記錄數(shù)據(jù)。

對(duì)渠水和井水混合的體積以及各斷面冰花的質(zhì)量測(cè)量完成后,保持注水位置和渠水流量不變。然后改變井水注入渠道的流量,再次測(cè)量渠水和井水混合的體積以及各斷面冰花的質(zhì)量,并記錄數(shù)據(jù)。再改變渠道內(nèi)水流的流量,重復(fù)上一次的測(cè)量過(guò)程,并記錄數(shù)據(jù)。

在保持外在因素不變的條件下,為了研究流量對(duì)不凍長(zhǎng)度的影響,試驗(yàn)設(shè)計(jì)3種不同的渠水流量,分別為0.4、0.6、0.9L/s。在以上3種不同渠水流量條件下,將0.08L/s的井水注入引水渠道,注入點(diǎn)位于距進(jìn)水口25m距離。當(dāng)井水注入后,觀察水流狀態(tài)及冰花產(chǎn)生的時(shí)間,然后對(duì)各斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。渠水和井水的混合水流進(jìn)入蓄水池,當(dāng)蓄水池內(nèi)水溫降至初始溫度后,再次在相同位置注入0.16L/s的井水,觀察水流狀態(tài)及冰花產(chǎn)生的時(shí)間,收集并記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)蓄水池內(nèi)水溫再次降至初始溫度后,再次在相同位置注入0.2L/s的井水,然后重復(fù)上一次的觀察和測(cè)量過(guò)程,并記錄數(shù)據(jù)。

在保持3種渠水流量不變(0.4、0.6、0.9L/s)條件下,改變注水點(diǎn)位置為距進(jìn)水口28m距離,然后改變井水流量,重復(fù)上一次試驗(yàn)步驟,并記錄數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同渠水流量對(duì)冰花密度的影響

抽水融冰試驗(yàn)完成后,根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),當(dāng)井水注水點(diǎn)距進(jìn)水口28m距離時(shí),在不同渠水流量條件下,冰花的密度變化見(jiàn)圖2。

由圖2(a)可知,當(dāng)注入渠道內(nèi)井水流量為0.08L/s時(shí),隨著距進(jìn)水口距離的增大,在渠水流量為0.4L/s條件下,冰花密度先減小再快速增大。由于渠水流量較小,在距進(jìn)水口8m時(shí),水渠內(nèi)已產(chǎn)生冰花,冰花密度為1.62%;當(dāng)井水注入之后,已產(chǎn)生的冰花在井水高溫下逐漸融化,在距進(jìn)水口32m時(shí),冰花已溶解到最少狀態(tài),其密度最小,最小值為0.55%;隨著水流的持續(xù)前進(jìn),在室外氣溫的作用下,水流熱量逐漸流失,水溫下降,溶解后的冰花又開(kāi)始生成,當(dāng)在距進(jìn)水口64m時(shí),產(chǎn)生的冰花密度最大,最大值為4.8%。在渠水流量為0.6和0.9L/s條件下,因渠水流量較大,水流流速較快,在距進(jìn)水口小于32m時(shí),渠內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)生冰花;當(dāng)距進(jìn)水口大于32m時(shí),隨著渠水和井水混合水流熱量的流失,水流經(jīng)過(guò)彎道時(shí)流速降低,渠內(nèi)開(kāi)始產(chǎn)生冰花,且產(chǎn)生的冰花密度呈線性增大。

圖2 不同渠水流量條件下冰花密度變化

由圖2(b)可知,當(dāng)注入渠道內(nèi)井水流量為0.16L/s時(shí),隨著距進(jìn)水口距離的增大,在渠水流量為0.4L/s條件下,冰花密度先減小再快速增大。在距進(jìn)水口8m時(shí),水渠內(nèi)已生在冰花,冰花密度為1.74%;當(dāng)井水注入之后,已產(chǎn)生的冰花在井水高溫下逐漸融化,在距進(jìn)水口32m時(shí),冰花已溶解到最少狀態(tài),最小值為0.3%;當(dāng)在距進(jìn)水口64m時(shí),產(chǎn)生冰花的密度最大,最大值為4.26%。在渠水流量為0.6L/s條件下,當(dāng)距進(jìn)水口大于32m時(shí),渠內(nèi)開(kāi)始產(chǎn)生冰花;在距進(jìn)水口為48m時(shí),產(chǎn)生的冰花密度與渠水流量為0.4L/s時(shí)基本相同。在距進(jìn)水口為64m時(shí),渠內(nèi)產(chǎn)生的冰花密度最大,最大值為3.19%。在渠水流量為0.9L/s條件下,當(dāng)距進(jìn)水口大于48m時(shí),渠內(nèi)開(kāi)始產(chǎn)生冰花;在距進(jìn)水口為64m時(shí),渠內(nèi)產(chǎn)生的冰花密度最大,最大值為2.12%。

由圖2(c)可知,當(dāng)注入渠道內(nèi)井水流量為0.20L/s時(shí),隨著距進(jìn)水口距離的增大,在渠水流量為0.4L/s條件下,冰花密度先減小再快速增大。當(dāng)井水注入之后,已產(chǎn)生的冰花在井水高溫下逐漸融化,在距進(jìn)水口32m時(shí),冰花已溶解到最少狀態(tài),最小值為0.2%;當(dāng)在距進(jìn)水口64m時(shí),產(chǎn)生冰花的密度最大,最大值為3.73%。在渠水流量為0.6L/s條件下,當(dāng)距進(jìn)水口大于48m時(shí),渠內(nèi)開(kāi)始產(chǎn)生冰花;在距進(jìn)水口為64m時(shí),渠內(nèi)產(chǎn)生的冰花密度最大,最大值為1.9%。在渠水流量為0.9L/s條件下,在距進(jìn)水口小于64m時(shí),整個(gè)沿程沒(méi)有產(chǎn)生冰花。

由圖2可知,隨著距進(jìn)水口距離的增大,在相同渠水流量條件下,注入井水流量較小時(shí),產(chǎn)生的冰花密度較大,且產(chǎn)生的冰花越多,產(chǎn)生冰花的時(shí)間越早。在相同井水流量條件下,渠水的流量越小,產(chǎn)生的冰花越多,且最先產(chǎn)生冰花的距離越靠近進(jìn)水口。當(dāng)注入井水流量為0.20L/s時(shí),在渠水流量為0.9L/s條件下,在距進(jìn)水口小于64m時(shí),整個(gè)沿程沒(méi)有產(chǎn)生冰花。

3.2 不同井水流量對(duì)冰花密度的影響

抽水融冰試驗(yàn)完成后,根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),當(dāng)井水注水點(diǎn)距進(jìn)水口25m距離時(shí),在不同井水流量條件下,冰花的密度變化見(jiàn)圖3。

圖3 不同井水流量條件下冰花密度變化

由圖3(a)可知,當(dāng)渠道內(nèi)渠水流量為0.4L/s時(shí),隨著距進(jìn)水口距離的增大,在注入井水流量分別為0.08、0.16和0.20L/s條件下,產(chǎn)生的冰花密度均先減少再快速增大。在距進(jìn)水口8m時(shí),水渠內(nèi)已產(chǎn)生冰花,冰花密度分別為1.61%、1.36%、1.36%。當(dāng)井水注入之后,已產(chǎn)生的冰花在井水高溫下逐漸融化,在距進(jìn)水口32m時(shí),冰花已溶解到最少狀態(tài),其密度最小,其密度最小值分別為0.52%、0.32%、0.09%;隨著水流的持續(xù)前進(jìn),在室外氣溫的作用下,水流熱量逐漸流失,水溫下降,溶解后的冰花又開(kāi)始產(chǎn)生,當(dāng)在距進(jìn)水口64m時(shí),產(chǎn)生的冰花密度最大,最大值分別為4.81%、4.27%、3.73%。由此可知,在渠水流量為0.4L/s條件下,當(dāng)注入井水流量越小,產(chǎn)生的冰花密度越大。在距進(jìn)水口距離相同的條件下,注入井水流量為0.08L/s時(shí),產(chǎn)生的冰花密度最大;注入井水流量為0.20L/s時(shí),產(chǎn)生的冰花密度最小。

由圖3(b)可知,當(dāng)渠道內(nèi)渠水流量為0.6L/s時(shí),隨著距進(jìn)水口距離的增大,當(dāng)井水注入渠道后,在距進(jìn)水口小于32m時(shí),渠道內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)生冰花。當(dāng)距進(jìn)水口大于32m時(shí),在井水流量分別為0.08和0.16L/s條件下,渠道內(nèi)開(kāi)始產(chǎn)生冰花;當(dāng)在距進(jìn)水口64m時(shí),產(chǎn)生的冰花密度最大,最大值分別為4.6%、3.73%。在井水流量為0.20L/s條件下,在距進(jìn)水口大于48m時(shí),渠道內(nèi)開(kāi)始產(chǎn)生冰花;當(dāng)在距進(jìn)水口64m時(shí),產(chǎn)生的冰花密度最大,最大值分別為1.58%。由此可知,在渠水流量為0.6L/s條件下,由于渠水流量較大,水流流速較快,在距進(jìn)水口小于32m時(shí),渠道內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)生冰花;在距進(jìn)水口大于32m時(shí),注入井水流量越小,產(chǎn)生的冰花密度越大,而注入井水流量越大,產(chǎn)生冰花的距離越遠(yuǎn)離進(jìn)水口。

由圖3(c)可知,當(dāng)渠道內(nèi)渠水流量為0.9L/s時(shí),隨著距進(jìn)水口距離的增大,當(dāng)井水注入渠道后,在距進(jìn)水口小于32m時(shí),渠道內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)生冰花。當(dāng)距進(jìn)水口大于32m時(shí),在井水流量為0.08L/s條件下,渠道內(nèi)開(kāi)始產(chǎn)生冰花;當(dāng)在距進(jìn)水口64m時(shí),產(chǎn)生的冰花密度最大,最大值為3.75%。當(dāng)距進(jìn)水口大于48m時(shí),在井水流量為0.16L/s條件下,渠道內(nèi)開(kāi)始產(chǎn)生冰花;當(dāng)在距進(jìn)水口64m時(shí),產(chǎn)生的冰花密度最大,最大值為2.12%。在井水流量為0.20L/s條件下,在距進(jìn)水口小于64m時(shí),整個(gè)沿程沒(méi)有產(chǎn)生冰花。

由圖3可知,隨著距進(jìn)水口距離增大,渠道內(nèi)水流流量較大時(shí),產(chǎn)生冰花速度較慢,且產(chǎn)生冰花的距離距進(jìn)水口越遠(yuǎn)。當(dāng)注入井水流量越小時(shí),產(chǎn)生冰花的密度越大;在相同渠水流量條件下,注入的井水流量越小,產(chǎn)生的冰花越多,且最先產(chǎn)生冰花的距離越靠近進(jìn)水口。當(dāng)渠水流量為0.9L/s時(shí),在井水流量為0.20L/s條件下,在距進(jìn)水口小于64m時(shí),整個(gè)沿程沒(méi)有產(chǎn)生冰花。

4 結(jié) 論

通過(guò)抽水融冰試驗(yàn),本文對(duì)不同流量條件下引水渠道抽水融冰冰花演變規(guī)律進(jìn)行了研究,并分析了不同渠水流量和不同井水流量對(duì)冰花密度的影響。結(jié)論如下:

1)隨著距進(jìn)水口距離增大,產(chǎn)生冰花密度隨著注入井水流量的減小而增大。井水流量越小,渠道沿程產(chǎn)生的冰花密度越大,產(chǎn)生冰花的時(shí)間越早,且最先產(chǎn)生冰花的距離越靠近進(jìn)水口。

2)隨著距進(jìn)水口距離增大,產(chǎn)生冰花速度隨著渠道內(nèi)水流流量的增大而減小。渠道內(nèi)水流流量越大,產(chǎn)生冰花的密度越小,產(chǎn)生冰花時(shí)間越慢,且最先產(chǎn)生冰花的距離距進(jìn)水口越遠(yuǎn)。

3)在注入井水流量0.20L/s、渠水流量0.9L/s條件下,當(dāng)距進(jìn)水口小于64m時(shí),在此范圍內(nèi)渠道沿程沒(méi)有產(chǎn)生冰花;當(dāng)流量越大時(shí),渠道產(chǎn)生冰花的距離距進(jìn)水口越遠(yuǎn)。