不同流量条件下引水渠道抽水融冰冰花演变规律研究

吴 涛

(河北省廊坊水文勘测研究中心,河北 廊坊 065000)

1 概 述

在我国寒冷地区,引水渠道在气温较低时,存在不同程度的河冰现象,严重时会造成渠道堵塞和冰水泛滥。为了防止冰塞等对引水渠道造成破坏,影响渠道的输水能力,许多学者进行了相关研究。宗全利等[1]对高寒区引水渠道抽水融冰不冻长度计算模型及应用进行了研究,结果表明,渠道来水流量对不冻长度影响较小,井水注入量、大气温度、风速等对不冻长度影响较显著。熊慧等[2]对寒区引水渠道抽水融冰过程的数值模拟进行了分析,结果表明,采取增加井水流量可更有效地解决渠道冰害问题。刘玉杰[3]对引水渠道冬季土层温度及位移变化进行了研究,结果表明,距离渠底深度越小,土壤温度随着气温变化越剧烈。吴素杰等[4]对高寒区多口融冰井引水渠道水温变化三维模拟及井群优化布置进行了研究,结果表明,将井前渠道水温分别降低和升高0.2℃和0.4℃时,井前渠道水温与混合水温成正比。吴建良[5]对严寒高海拔地区水电站引水渠道设计进行了研究,结果表明,采用引水渠道结冰盖运行方式,可有效解决冬季引水渠道打冰、捞冰、破冰等问题。赵梦蕾等[6]对引水渠道单井注水对不冻长度的影响进行了研究,结果表明,只改变水力条件,所变因素越小,冰花密度可由0%迅速增长至4.5%,同时不冻长度距离变短。

上述文献研究了高寒地区引水渠道水温的变化,分析了引水渠道抽水融冰对不冻长度的影响。本文参考以上研究结论,通过抽水融冰试验,对不同流量条件下引水渠道抽水融冰冰花演变规律进行研究,并分析不同渠水流量和不同井水流量对冰花密度的影响。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

本次模拟试验在室外进行。为了保证试验顺利进行,室外温度须低于0℃。试验模型按照高寒区某发电厂引水渠道尺寸设计,引水渠道总长85m,渠道宽0.7m,在渠道中间段有4个弯道,弯道由中心点至外壁半径为2m,其模型结构示意图见图1。

图1 引水渠道模型示意图

2.2 试验方法

本次引水渠道抽水融冰试验,需先构建引水渠道的冷水源。试验采用室外的蓄水池作为冷水源,再从位于室内的地下水库抽水至室外的蓄水池,并保持抽取水的水温在0℃～1℃范围内。在此温度范围内,有利于冰花在引水渠道内顺利产生。然后将蓄水池中的水抽取至引水渠道,水流流入引水渠道后,在流动的过程中,由于室外气温的作用,水流热量逐渐流失,因此水温越来越低。在到达第1个弯道段时,在弯道作用下,流速减小,渠道内水流表面开始形成冰花。

试验设置了不同的渠水流量和井水流量,分别在不同的流量条件下,观察沿程冰花产生的密度和冰化消融的变化,并找出其演变规律。试验中,先保持渠道内水流量不变,抽取井水至渠道内,在不同的位置注入不同的流量,使渠水和井水充分混合后,在整个水渠内流动。然后对渠水和井水混合的体积进行测量,再对注水位置前后断面以及离注水点较远的其它断面的冰花进行质量测量,并记录数据。

对渠水和井水混合的体积以及各断面冰花的质量测量完成后,保持注水位置和渠水流量不变。然后改变井水注入渠道的流量,再次测量渠水和井水混合的体积以及各断面冰花的质量,并记录数据。再改变渠道内水流的流量,重复上一次的测量过程,并记录数据。

在保持外在因素不变的条件下,为了研究流量对不冻长度的影响,试验设计3种不同的渠水流量,分别为0.4、0.6、0.9L/s。在以上3种不同渠水流量条件下,将0.08L/s的井水注入引水渠道,注入点位于距进水口25m距离。当井水注入后,观察水流状态及冰花产生的时间,然后对各断面进行数据采集。渠水和井水的混合水流进入蓄水池,当蓄水池内水温降至初始温度后,再次在相同位置注入0.16L/s的井水,观察水流状态及冰花产生的时间,收集并记录数据。当蓄水池内水温再次降至初始温度后,再次在相同位置注入0.2L/s的井水,然后重复上一次的观察和测量过程,并记录数据。

在保持3种渠水流量不变(0.4、0.6、0.9L/s)条件下,改变注水点位置为距进水口28m距离,然后改变井水流量,重复上一次试验步骤,并记录数据。

3 试验结果与分析

3.1 不同渠水流量对冰花密度的影响

抽水融冰试验完成后,根据测量数据,当井水注水点距进水口28m距离时,在不同渠水流量条件下,冰花的密度变化见图2。

由图2(a)可知,当注入渠道内井水流量为0.08L/s时,随着距进水口距离的增大,在渠水流量为0.4L/s条件下,冰花密度先减小再快速增大。由于渠水流量较小,在距进水口8m时,水渠内已产生冰花,冰花密度为1.62%;当井水注入之后,已产生的冰花在井水高温下逐渐融化,在距进水口32m时,冰花已溶解到最少状态,其密度最小,最小值为0.55%;随着水流的持续前进,在室外气温的作用下,水流热量逐渐流失,水温下降,溶解后的冰花又开始生成,当在距进水口64m时,产生的冰花密度最大,最大值为4.8%。在渠水流量为0.6和0.9L/s条件下,因渠水流量较大,水流流速较快,在距进水口小于32m时,渠内没有产生冰花;当距进水口大于32m时,随着渠水和井水混合水流热量的流失,水流经过弯道时流速降低,渠内开始产生冰花,且产生的冰花密度呈线性增大。

图2 不同渠水流量条件下冰花密度变化

由图2(b)可知,当注入渠道内井水流量为0.16L/s时,随着距进水口距离的增大,在渠水流量为0.4L/s条件下,冰花密度先减小再快速增大。在距进水口8m时,水渠内已生在冰花,冰花密度为1.74%;当井水注入之后,已产生的冰花在井水高温下逐渐融化,在距进水口32m时,冰花已溶解到最少状态,最小值为0.3%;当在距进水口64m时,产生冰花的密度最大,最大值为4.26%。在渠水流量为0.6L/s条件下,当距进水口大于32m时,渠内开始产生冰花;在距进水口为48m时,产生的冰花密度与渠水流量为0.4L/s时基本相同。在距进水口为64m时,渠内产生的冰花密度最大,最大值为3.19%。在渠水流量为0.9L/s条件下,当距进水口大于48m时,渠内开始产生冰花;在距进水口为64m时,渠内产生的冰花密度最大,最大值为2.12%。

由图2(c)可知,当注入渠道内井水流量为0.20L/s时,随着距进水口距离的增大,在渠水流量为0.4L/s条件下,冰花密度先减小再快速增大。当井水注入之后,已产生的冰花在井水高温下逐渐融化,在距进水口32m时,冰花已溶解到最少状态,最小值为0.2%;当在距进水口64m时,产生冰花的密度最大,最大值为3.73%。在渠水流量为0.6L/s条件下,当距进水口大于48m时,渠内开始产生冰花;在距进水口为64m时,渠内产生的冰花密度最大,最大值为1.9%。在渠水流量为0.9L/s条件下,在距进水口小于64m时,整个沿程没有产生冰花。

由图2可知,随着距进水口距离的增大,在相同渠水流量条件下,注入井水流量较小时,产生的冰花密度较大,且产生的冰花越多,产生冰花的时间越早。在相同井水流量条件下,渠水的流量越小,产生的冰花越多,且最先产生冰花的距离越靠近进水口。当注入井水流量为0.20L/s时,在渠水流量为0.9L/s条件下,在距进水口小于64m时,整个沿程没有产生冰花。

3.2 不同井水流量对冰花密度的影响

抽水融冰试验完成后,根据测量数据,当井水注水点距进水口25m距离时,在不同井水流量条件下,冰花的密度变化见图3。

图3 不同井水流量条件下冰花密度变化

由图3(a)可知,当渠道内渠水流量为0.4L/s时,随着距进水口距离的增大,在注入井水流量分别为0.08、0.16和0.20L/s条件下,产生的冰花密度均先减少再快速增大。在距进水口8m时,水渠内已产生冰花,冰花密度分别为1.61%、1.36%、1.36%。当井水注入之后,已产生的冰花在井水高温下逐渐融化,在距进水口32m时,冰花已溶解到最少状态,其密度最小,其密度最小值分别为0.52%、0.32%、0.09%;随着水流的持续前进,在室外气温的作用下,水流热量逐渐流失,水温下降,溶解后的冰花又开始产生,当在距进水口64m时,产生的冰花密度最大,最大值分别为4.81%、4.27%、3.73%。由此可知,在渠水流量为0.4L/s条件下,当注入井水流量越小,产生的冰花密度越大。在距进水口距离相同的条件下,注入井水流量为0.08L/s时,产生的冰花密度最大;注入井水流量为0.20L/s时,产生的冰花密度最小。

由图3(b)可知,当渠道内渠水流量为0.6L/s时,随着距进水口距离的增大,当井水注入渠道后,在距进水口小于32m时,渠道内没有产生冰花。当距进水口大于32m时,在井水流量分别为0.08和0.16L/s条件下,渠道内开始产生冰花;当在距进水口64m时,产生的冰花密度最大,最大值分别为4.6%、3.73%。在井水流量为0.20L/s条件下,在距进水口大于48m时,渠道内开始产生冰花;当在距进水口64m时,产生的冰花密度最大,最大值分别为1.58%。由此可知,在渠水流量为0.6L/s条件下,由于渠水流量较大,水流流速较快,在距进水口小于32m时,渠道内没有产生冰花;在距进水口大于32m时,注入井水流量越小,产生的冰花密度越大,而注入井水流量越大,产生冰花的距离越远离进水口。

由图3(c)可知,当渠道内渠水流量为0.9L/s时,随着距进水口距离的增大,当井水注入渠道后,在距进水口小于32m时,渠道内没有产生冰花。当距进水口大于32m时,在井水流量为0.08L/s条件下,渠道内开始产生冰花;当在距进水口64m时,产生的冰花密度最大,最大值为3.75%。当距进水口大于48m时,在井水流量为0.16L/s条件下,渠道内开始产生冰花;当在距进水口64m时,产生的冰花密度最大,最大值为2.12%。在井水流量为0.20L/s条件下,在距进水口小于64m时,整个沿程没有产生冰花。

由图3可知,随着距进水口距离增大,渠道内水流流量较大时,产生冰花速度较慢,且产生冰花的距离距进水口越远。当注入井水流量越小时,产生冰花的密度越大;在相同渠水流量条件下,注入的井水流量越小,产生的冰花越多,且最先产生冰花的距离越靠近进水口。当渠水流量为0.9L/s时,在井水流量为0.20L/s条件下,在距进水口小于64m时,整个沿程没有产生冰花。

4 结 论

通过抽水融冰试验,本文对不同流量条件下引水渠道抽水融冰冰花演变规律进行了研究,并分析了不同渠水流量和不同井水流量对冰花密度的影响。结论如下:

1)随着距进水口距离增大,产生冰花密度随着注入井水流量的减小而增大。井水流量越小,渠道沿程产生的冰花密度越大,产生冰花的时间越早,且最先产生冰花的距离越靠近进水口。

2)随着距进水口距离增大,产生冰花速度随着渠道内水流流量的增大而减小。渠道内水流流量越大,产生冰花的密度越小,产生冰花时间越慢,且最先产生冰花的距离距进水口越远。

3)在注入井水流量0.20L/s、渠水流量0.9L/s条件下,当距进水口小于64m时,在此范围内渠道沿程没有产生冰花;当流量越大时,渠道产生冰花的距离距进水口越远。