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研究中心,河北 廊坊 065000)

1 概 述

在我國寒冷地區(qū),引水渠道在氣溫較低時,存在不同程度的河冰現(xiàn)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(qū)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(jié)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(qū)引水渠道抽水融冰過程的數(shù)值模擬進行了分析,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(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,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(qū)水電站引水渠道設計進行了研究,結(jié)果表明,采用引水渠道結(jié)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(jié)果表明,只改變水力條件,所變因素越小,冰花密度可由0%迅速增長至4.5%,同時不凍長度距離變短。

上述文獻研究了高寒地區(qū)引水渠道水溫的變化,分析了引水渠道抽水融冰對不凍長度的影響。本文參考以上研究結(jié)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(guī)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(qū)某發(fā)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(nèi)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(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(nèi)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(chǎn)生的密度和冰化消融的變化,并找出其演變規(guī)律。試驗中,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,在整個水渠內(nèi)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(zhì)量測量,并記錄數(shù)據(jù)。

對渠水和井水混合的體積以及各斷面冰花的質(zhì)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(zhì)量,并記錄數(shù)據(jù)。再改變渠道內(nèi)水流的流量,重復上一次的測量過程,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(tài)及冰花產(chǎn)生的時間,然后對各斷面進行數(shù)據(jù)采集。渠水和井水的混合水流進入蓄水池,當蓄水池內(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)生的時間,收集并記錄數(shù)據(jù)。當蓄水池內(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,然后重復上一次的觀察和測量過程,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(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)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(jù)測量數(shù)據(jù),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(nèi)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(nèi)已產(chǎn)生冰花,冰花密度為1.62%;當井水注入之后,已產(chǎn)生的冰花在井水高溫下逐漸融化,在距進水口32m時,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,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(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,在距進水口小于32m時,渠內(nèi)沒有產(chǎn)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(jīng)過彎道時流速降低,渠內(nèi)開始產(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,當注入渠道內(nèi)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(nèi)已生在冰花,冰花密度為1.74%;當井水注入之后,已產(chǎn)生的冰花在井水高溫下逐漸融化,在距進水口32m時,冰花已溶解到最少狀態(tài),最小值為0.3%;當在距進水口64m時,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,當距進水口大于32m時,渠內(nèi)開始產(chǎn)生冰花;在距進水口為48m時,產(chǎn)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(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,當距進水口大于48m時,渠內(nèi)開始產(chǎn)生冰花;在距進水口為64m時,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,當注入渠道內(nèi)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(chǎn)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(tài),最小值為0.2%;當在距進水口64m時,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,當距進水口大于48m時,渠內(nèi)開始產(chǎn)生冰花;在距進水口為64m時,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,在距進水口小于64m時,整個沿程沒有產(chǎn)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(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(chǎn)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(jù)測量數(shù)據(jù),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(nèi)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(chǎn)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(nèi)已產(chǎn)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(chǎn)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(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,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(chǎn)生,當在距進水口64m時,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,當注入井水流量越小,產(chǎn)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(chǎn)生的冰花密度最大;注入井水流量為0.20L/s時,產(chǎn)生的冰花密度最小。

由圖3(b)可知,當渠道內(nèi)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(nèi)沒有產(chǎn)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(nèi)開始產(chǎn)生冰花;當在距進水口64m時,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,在距進水口大于48m時,渠道內(nèi)開始產(chǎn)生冰花;當在距進水口64m時,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,在距進水口小于32m時,渠道內(nèi)沒有產(chǎn)生冰花;在距進水口大于32m時,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)生冰花的距離越遠離進水口。

由圖3(c)可知,當渠道內(nèi)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(nèi)沒有產(chǎn)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(nèi)開始產(chǎn)生冰花;當在距進水口64m時,產(chǎn)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(nèi)開始產(chǎn)生冰花;當在距進水口64m時,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,在距進水口小于64m時,整個沿程沒有產(chǎn)生冰花。

由圖3可知,隨著距進水口距離增大,渠道內(nèi)水流流量較大時,產(chǎn)生冰花速度較慢,且產(chǎn)生冰花的距離距進水口越遠。當注入井水流量越小時,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(chǎn)生冰花。

4 結(jié) 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(guī)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(jié)論如下:

1)隨著距進水口距離增大,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)生冰花的時間越早,且最先產(chǎn)生冰花的距離越靠近進水口。

2)隨著距進水口距離增大,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)生冰花時間越慢,且最先產(chǎn)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(nèi)渠道沿程沒有產(chǎn)生冰花;當流量越大時,渠道產(chǎn)生冰花的距離距進水口越遠。