不同流量條件下引水渠道抽水融冰冰花演變規律研究

吳 濤

(河北省廊坊水文勘測研究中心,河北 廊坊 065000)

1 概 述

在我國寒冷地區,引水渠道在氣溫較低時,存在不同程度的河冰現象,嚴重時會造成渠道堵塞和冰水泛濫。為了防止冰塞等對引水渠道造成破壞,影響渠道的輸水能力,許多學者進行了相關研究。宗全利等[1]對高寒區引水渠道抽水融冰不凍長度計算模型及應用進行了研究,結果表明,渠道來水流量對不凍長度影響較小,井水注入量、大氣溫度、風速等對不凍長度影響較顯著。熊慧等[2]對寒區引水渠道抽水融冰過程的數值模擬進行了分析,結果表明,采取增加井水流量可更有效地解決渠道冰害問題。劉玉杰[3]對引水渠道冬季土層溫度及位移變化進行了研究,結果表明,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]對高寒區多口融冰井引水渠道水溫變化三維模擬及井群優化布置進行了研究,結果表明,將井前渠道水溫分別降低和升高0.2℃和0.4℃時,井前渠道水溫與混合水溫成正比。吳建良[5]對嚴寒高海拔地區水電站引水渠道設計進行了研究,結果表明,采用引水渠道結冰蓋運行方式,可有效解決冬季引水渠道打冰、撈冰、破冰等問題。趙夢蕾等[6]對引水渠道單井注水對不凍長度的影響進行了研究,結果表明,只改變水力條件,所變因素越小,冰花密度可由0%迅速增長至4.5%,同時不凍長度距離變短。

上述文獻研究了高寒地區引水渠道水溫的變化,分析了引水渠道抽水融冰對不凍長度的影響。本文參考以上研究結論,通過抽水融冰試驗,對不同流量條件下引水渠道抽水融冰冰花演變規律進行研究,并分析不同渠水流量和不同井水流量對冰花密度的影響。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本次模擬試驗在室外進行。為了保證試驗順利進行,室外溫度須低于0℃。試驗模型按照高寒區某發電廠引水渠道尺寸設計,引水渠道總長85m,渠道寬0.7m,在渠道中間段有4個彎道,彎道由中心點至外壁半徑為2m,其模型結構示意圖見圖1。

圖1 引水渠道模型示意圖

2.2 試驗方法

本次引水渠道抽水融冰試驗,需先構建引水渠道的冷水源。試驗采用室外的蓄水池作為冷水源,再從位于室內的地下水庫抽水至室外的蓄水池,并保持抽取水的水溫在0℃～1℃范圍內。在此溫度范圍內,有利于冰花在引水渠道內順利產生。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,在流動的過程中,由于室外氣溫的作用,水流熱量逐漸流失,因此水溫越來越低。在到達第1個彎道段時,在彎道作用下,流速減小,渠道內水流表面開始形成冰花。

試驗設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,觀察沿程冰花產生的密度和冰化消融的變化,并找出其演變規律。試驗中,先保持渠道內水流量不變,抽取井水至渠道內,在不同的位置注入不同的流量,使渠水和井水充分混合后,在整個水渠內流動。然后對渠水和井水混合的體積進行測量,再對注水位置前后斷面以及離注水點較遠的其它斷面的冰花進行質量測量,并記錄數據。

對渠水和井水混合的體積以及各斷面冰花的質量測量完成后,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,再次測量渠水和井水混合的體積以及各斷面冰花的質量,并記錄數據。再改變渠道內水流的流量,重復上一次的測量過程,并記錄數據。

在保持外在因素不變的條件下,為了研究流量對不凍長度的影響,試驗設計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,注入點位于距進水口25m距離。當井水注入后,觀察水流狀態及冰花產生的時間,然后對各斷面進行數據采集。渠水和井水的混合水流進入蓄水池,當蓄水池內水溫降至初始溫度后,再次在相同位置注入0.16L/s的井水,觀察水流狀態及冰花產生的時間,收集并記錄數據。當蓄水池內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,然后重復上一次的觀察和測量過程,并記錄數據。

在保持3種渠水流量不變(0.4、0.6、0.9L/s)條件下,改變注水點位置為距進水口28m距離,然后改變井水流量,重復上一次試驗步驟,并記錄數據。

3 試驗結果與分析

3.1 不同渠水流量對冰花密度的影響

抽水融冰試驗完成后,根據測量數據,當井水注水點距進水口28m距離時,在不同渠水流量條件下,冰花的密度變化見圖2。

由圖2(a)可知,當注入渠道內井水流量為0.08L/s時,隨著距進水口距離的增大,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,在距進水口8m時,水渠內已產生冰花,冰花密度為1.62%;當井水注入之后,已產生的冰花在井水高溫下逐漸融化,在距進水口32m時,冰花已溶解到最少狀態,其密度最小,最小值為0.55%;隨著水流的持續前進,在室外氣溫的作用下,水流熱量逐漸流失,水溫下降,溶解后的冰花又開始生成,當在距進水口64m時,產生的冰花密度最大,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,在距進水口小于32m時,渠內沒有產生冰花;當距進水口大于32m時,隨著渠水和井水混合水流熱量的流失,水流經過彎道時流速降低,渠內開始產生冰花,且產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,當注入渠道內井水流量為0.16L/s時,隨著距進水口距離的增大,在渠水流量為0.4L/s條件下,冰花密度先減小再快速增大。在距進水口8m時,水渠內已生在冰花,冰花密度為1.74%;當井水注入之后,已產生的冰花在井水高溫下逐漸融化,在距進水口32m時,冰花已溶解到最少狀態,最小值為0.3%;當在距進水口64m時,產生冰花的密度最大,最大值為4.26%。在渠水流量為0.6L/s條件下,當距進水口大于32m時,渠內開始產生冰花;在距進水口為48m時,產生的冰花密度與渠水流量為0.4L/s時基本相同。在距進水口為64m時,渠內產生的冰花密度最大,最大值為3.19%。在渠水流量為0.9L/s條件下,當距進水口大于48m時,渠內開始產生冰花;在距進水口為64m時,渠內產生的冰花密度最大,最大值為2.12%。

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

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

3.2 不同井水流量對冰花密度的影響

抽水融冰試驗完成后,根據測量數據,當井水注水點距進水口25m距離時,在不同井水流量條件下,冰花的密度變化見圖3。

圖3 不同井水流量條件下冰花密度變化

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

由圖3(b)可知,當渠道內渠水流量為0.6L/s時,隨著距進水口距離的增大,當井水注入渠道后,在距進水口小于32m時,渠道內沒有產生冰花。當距進水口大于32m時,在井水流量分別為0.08和0.16L/s條件下,渠道內開始產生冰花;當在距進水口64m時,產生的冰花密度最大,最大值分別為4.6%、3.73%。在井水流量為0.20L/s條件下,在距進水口大于48m時,渠道內開始產生冰花;當在距進水口64m時,產生的冰花密度最大,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,在距進水口小于32m時,渠道內沒有產生冰花;在距進水口大于32m時,注入井水流量越小,產生的冰花密度越大,而注入井水流量越大,產生冰花的距離越遠離進水口。

由圖3(c)可知,當渠道內渠水流量為0.9L/s時,隨著距進水口距離的增大,當井水注入渠道后,在距進水口小于32m時,渠道內沒有產生冰花。當距進水口大于32m時,在井水流量為0.08L/s條件下,渠道內開始產生冰花;當在距進水口64m時,產生的冰花密度最大,最大值為3.75%。當距進水口大于48m時,在井水流量為0.16L/s條件下,渠道內開始產生冰花;當在距進水口64m時,產生的冰花密度最大,最大值為2.12%。在井水流量為0.20L/s條件下,在距進水口小于64m時,整個沿程沒有產生冰花。

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

4 結 論

通過抽水融冰試驗,本文對不同流量條件下引水渠道抽水融冰冰花演變規律進行了研究,并分析了不同渠水流量和不同井水流量對冰花密度的影響。結論如下:

1)隨著距進水口距離增大,產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,渠道沿程產生的冰花密度越大,產生冰花的時間越早,且最先產生冰花的距離越靠近進水口。

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

3)在注入井水流量0.20L/s、渠水流量0.9L/s條件下,當距進水口小于64m時,在此范圍內渠道沿程沒有產生冰花;當流量越大時,渠道產生冰花的距離距進水口越遠。