寒區復式輸水渠道冰蓋厚度變化特征模型試驗研究

劉朝英

（哈爾濱市雙城區水務局河道管理站，黑龍江 哈爾濱 150100）

我國是淡水資源比較缺乏，同時在時空分布上存在不平衡的問題[1]。為了降低水資源供給不足對經濟和社會的發展的制約，進行長距離調水就成為必然手段[2]。同時，隨著農業現代化和設施農業產業的發展，北方寒區冬季的農業用水量迅速增長。因此，確保輸水渠道冰期輸水安全就顯得尤為重要，一旦出現冰期輸水工程管理和調控方面的失誤，就會誘發十分嚴重的后果[3]?？紤]渠道工程在輸水方面的優勢，冰蓋輸水在寒區渠道輸水中得到廣泛應用[4]。在我國的北方寒區，經常采用復式斷面或由梯形斷面改造而成的復式斷面渠道進行冰蓋輸水[5]。由于冬季輸水過程中，冰蓋的形成會受到輻射、環境溫度、初始水溫、流速、含砂率以及風力等諸多因素的影響，因此形成的機理十分復雜[6]，很難通過理論層面對冰蓋輸水問題進行模擬研究?；诖?，本次研究利用模型試驗的方式對復式斷面渠道冬季輸水過程中冰蓋厚度的變化特征進行試驗研究。

1 試驗設計

1.1 試驗模型

試驗模型由水槽、進出口水箱、動力水泵以及變頻控制系統構成。根據模型相似性理論，模型的比尺為1∶10，試驗模型圖見圖1。試驗水槽為U型環形水槽，以模擬長距離輸水條件。本次研究的渠道原型為渾河灌區2#支渠，該渠道為梯形斷面改造而成的復式斷面，為了對比研究復式斷面與梯形斷面冰蓋厚度的變化特征，將同尺寸梯形斷面作為對比斷面水槽由兩個U型鐵桶制成，側面設有有機玻璃視窗，渠道斷面示意圖見圖2和圖3。系統的電機為KY-03型三相異步電動機，通過動力矩控制水泵運行，利用變頻控制器調節水槽內的水體流速。為減少水槽內水體與邊壁的熱交換，保證試驗結果的準確性，所有結構外部均用泡沫塑料包裹[7]。試驗過程中，冰蓋的厚度利用電阻絲熱融法進行測量；冰蓋的覆蓋寬度利用卡尺進行測量；流速利用ADV多普勒測速儀測量；利用Pt100溫度傳感器測量水溫，利用手持紅外測溫儀測量冰溫。

圖1 試驗模型示意圖

圖2 渠道梯形斷面示意圖

圖3 渠道復式斷面示意圖

1.2 試驗對象和目的

本次研究的原型渠道為某灌區2#支渠，基于當地的氣象資料，初始水溫設定為5℃，恒溫室內的氣溫設定為-9℃。通過循環水槽實驗，對連續時間段內的梯形斷面和復式斷面渠道冰蓋形成過程中的垂向厚度變化特征進行觀測和記錄，基于試驗數據的整理和分析，給出不同工況下冰蓋厚度的計算公式，并對冰蓋形成過程中的安全穩定特征進行探討。

1.3 試驗步驟

根據前人在冰蓋形成過程理論和試驗研究中獲得經驗和成果[8]，并盡可能準確模擬自然狀態下渠道冰蓋的發展過程，確定如下的試驗步驟：

（1）啟動試驗裝置，將氣溫設定為5℃的水體溫度預設溫度，對試驗水槽內水體的深度和流速進行測量，調節變頻系統，使水體按照預定的流速運動。

（2）待系統運行穩定，水槽內的水溫分布均勻之后，將模擬氣溫調節為-9℃的預設溫度。

（3）觀測和測量冰蓋的形成過程以及冰蓋厚度的變化，并做好相應的數據記錄。

（4）對記錄的數據進行整理分析，然后進入下一組試驗。

1.4 試驗工況

結合相關研究成果，選擇輸水渠道的斷面形式以及渠道內的水流流速為試驗變量，設計出6組試驗。其中，流速大于0.1 m/s的情況下，會在渠道內形成比較大的浪花，不利于冰蓋的形成。因此研究中選取0 m/s、0.05 m/s、0.1 m/s三個不同的平均流速變量值。由于梯形斷面輸水渠道具有施工簡單、占地面積小的優勢，在灌區渠道工程建設中使用最為廣泛。因此研究中將梯形渠道斷面作為對照組。具體的研究工況及具體參數見表1。

表1 研究工況

1.5 數據采集

冰蓋厚度的現場測量一般采用鉆孔測量的方法進行，這需要到冰面上測量，或者測量的儀器與冰蓋接觸。顯然，這種現場測量方法并不適合。在實驗室內進行冰蓋厚度測量時，主要采用電阻絲熱融法進行，其測量裝置示意圖見圖4。在測量時僅需要將裝置通電，帶鎳鉻合金絲產生的熱量將冰蓋穿孔后，向上拉動測量裝置，則冰蓋上表面到參考點的距離L2與L1的差值即為冰蓋的厚度。如果冰蓋沒有平封或厚度較薄時，則采用千分尺測量。

圖4 電阻絲熱融法冰厚測量裝置示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 冰蓋厚度變化

冰蓋的厚度在橫斷面上的變化并不具有均勻性，水流速度較大時尤其如此。研究中選取靠近岸邊的冰蓋最厚位置進行測量，三種不同流速下的測量時間分別為750 min、1000 min和1250 min。根據試驗過程中的測量數據，整理獲得的冰蓋厚度與生長速率計算結果見表2。

表2 冰蓋厚度與生長速率

由表2的結果可知，在流速相同的條件下，復式斷面渠道的冰蓋厚度生長速率相較于梯形斷面偏大，并且冰蓋的最大厚度也較大。在動水條件下，梯形斷面的生長速率的均值為0.0868 cm/h，復式斷面的生長速率均值為0.0951 cm/h，比梯形斷面的生長速率快9.56%；無論何種斷面渠道，靜水條件下的冰蓋生長速率最快，且隨著渠道流速的增加而不斷變慢。例如，對于梯形斷面渠道，流速0.05 cm/s條件下比流速0.1 cm/s條件下的生長速率快20.46%；對于復式斷面渠道，流速0.05 cm/s條件下比流速0.1 cm/s條件下的生長速率快18.76%；在靜水條件下，兩種不同斷面形式渠道的最大冰厚比較接近，而動水條件下存在較大的差距。究其原因，主要是靜水條件下冰蓋的發展受斷面特征影響較小，動水條件下復式斷面的漫灘水流容易受到糙率的影響。

圖5～圖10為不同工況下冰蓋厚度隨時間變化的曲線。其中，圖5和圖6為靜水工況，由于不存在水流紊動作用的影響，冰蓋厚度隨時間基本呈線性增長態勢。在動水工況下，水流紊動造成的熱交換是影響冰蓋厚度變化的主要因素。因此，冰蓋厚度的增加呈現開始增長較快、之后逐漸趨于穩定的特征。

圖5 工況1條件下渠道冰蓋厚度變化曲線

圖6 工況4條件下渠道冰蓋厚度變化曲線

圖7 工況2條件下渠道冰蓋厚度變化曲線

圖8 工況5條件下渠道冰蓋厚度變化曲線

圖9 工況3條件下渠道冰蓋厚度變化曲線

圖10 工況6條件下渠道冰蓋厚度變化曲線

綜上，輸水渠道的斷面和流速是影響冰蓋厚度增長的兩個主要因素，其中復式斷面渠道的冰蓋生長速率高于梯形斷面渠道；低流速渠道的冰蓋生長速率高于流速高的渠道。因此，為了保證冰期輸水渠道的運行安全，防止冰壩、冰塞等災害情況的出現，迅速形成穩定、厚實的冰蓋更為有利。因此推薦采用復式斷面灘地部分低流速輸水，以促進冰蓋的形成和加厚。

2.2 冰蓋厚度計算

鑒于靜水工況下冰蓋厚度與時間之間基本呈線性關系，研究中對復式斷面渠道在靜水工況下的冰蓋厚度與累積小時負氣溫之間的關系進行擬合，結果見圖11。其數學表達式如下：

式中：T累積小時負氣溫，℃·h；h為冰蓋厚度，cm。相關系數為0.923，說明兩者之間為典型的線性相關關系。

在動水工況下，研究中利用Stefan的度日法對復式斷面渠道冰蓋厚度和累計凍結度-時之間的關系進行擬合，結果見圖12，數學表達式為：

式中：S為累積小時負氣溫，℃·h；h為冰厚，cm，相關系數為0.897。

圖11 靜水水工況下累積小時負溫與冰厚關系

圖12 動水工況下冰厚與凍結度-時之間的關系

3 結論

本文利用模型試驗研究的方法，對輸水渠道冰蓋厚度變化規律進行研究，獲得的主要結論如下：

（1）在流速相同的條件下，復式斷面渠道的冰蓋厚度生長速率相較于梯形斷面偏大，并且冰蓋的最大厚度也較大；無論何種斷面渠道，靜水條件下的冰蓋生長速率最快，且隨著渠道流速的增加而不斷變慢；在靜水條件下，兩種不同斷面形式渠道的最大冰厚比較接近，而動水條件下存在較大的差距。

（2）靜水工況下冰蓋厚度隨時間基本呈線性增長態勢；在動水工況下，冰蓋厚度的增加呈現出開始增長較快，之后逐漸趨于穩定的特征。

（3）為了保證冰期輸水渠道的運行安全，防止冰壩、冰塞等災害情況的出現，迅速形成穩定、厚實的冰蓋更為有利。因此推薦采用復式斷面灘地部分低流速輸水，以促進冰蓋的形成和加厚。

（4）研究中給出了靜水和動水條件下復式斷面渠道冰蓋厚度的計算公式，具有一定的實際應用價值。