高寒区引水渠道抽水融冰原型试验及分析

黄酒林 ，宗全利 ，刘贞姬 ，朱苗苗 ，王子坚 ，张小燕

（1石河子大学水利建筑工程学院，石河子832003；2新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司一分院，石河子832000）

我国新疆、西藏等西部地区冬季漫长且气候严寒，属典型高寒地区。建国以来，新疆地区修建了很多中小型水电站，其中有很大一部分为引水式水电站，为了收集一定的发电水头及流量，引水式电站一般都修建有较长的引水渠道，引水渠渠道与空气接触面积大且长度比较长，冬季很容易受到冰冻危害。引水渠道由于严寒的气温形成的岸冰、冰盖、冰花等[1]会严重影响电站的正常运行及经济效益，同时对周围生态环境、渠道安全输水、水电站安全发电以及发电机组的寿命等都产生很大的影响。因此，引水渠道冰害是高寒地区引水式电站冬季运行亟需解决的一个关键问题[2]。

目前，我国高寒地区引水式电站防冰害技术措施主要有破冰排冰法、蓄冰法和冰盖法[3]，此外还有加设保温盖板[4]法、吹泡法和太阳能法等。上述除冰方法一般操作简单、应用广泛，但成本高、效率低，很难实现对渠道冰害及时有效的控制。国外相关研究多集中在对河、渠内冰水变化规律研究方面，主要包括一维和二维水内冰演变研究。Hammar和Shen[5]利用二维紊流模型对水内冰演变进行了数值模拟；Wang[6]等模拟了水内冰演变过程；She等[7]建立了一维动态水力模型，模拟了Saint John河冰塞形成过程；Liu等[8]建立了二维河冰模型，模拟了St.Lawrence河上游河冰的演变及消融过程。

增温融冰法是目前解决引水渠道冬季冰害比较理想的一种方法，最普遍的增温方法为抽取地下水增温，简称抽水融冰法[9]。该法是利用抽取的地下温水来消除渠道的岸冰、底冰、冰花危害，同时也增加了发电渠道水量，可使地下水所具有的热能、势能、灌溉作用同时发挥，从而取得水利水电工程安全、发电、灌溉等水资源利用综合效益。

目前，抽水融冰法在我国已经成功应用在多个水电站并取得了良好的经济效益和社会效益，例如，青海省香加水电站是国内应用抽水融冰最早水电站[10]，此外还有新疆玛纳斯河流域红山嘴电站[11]和金沟河流域电站以及青年电站[12]。本文结合新疆红山嘴电站应用抽水融冰法的运行情况，介绍了高寒区引水渠道冬季运行抽水融冰基本原理，并根据抽水融冰原型试验结果分析了引水渠道水温变化规律等。

1 抽水融冰基本原理

1.1 引水渠道冬季运行中冰害的形成过程及影响

引水渠道冰害主要的形成过程如下：在严寒冬季，河道中最初诱发水内冰主要是由于水表面水流热交换产生过冷却，从而在水体表面产生细小冰晶，当水温降到0℃后进一步散热形成。水流的紊动作用使全断面的任何地方都会有冰晶出现[13]。随着气温不断下降，水中的冰晶逐渐在岸边聚集慢慢发展成岸冰，岸冰不断由岸边向河心发展，冰体的厚度也逐渐增加，发展到一定时期两边的岸冰冻接在一起形成冰盖，岸冰和冰盖是河道冰堵、冰塞的支撑体。气温下降到一定程度，低温延续一定的时间在河水较浅的河底部位，冰花也开始凝结到一起，随着附着的冰花逐渐聚集，慢慢形成类似附着在底部的一个冰块，实际中常被称作做底冰。随着底冰的发育，水流断面发生变化，使岸冰发育加快，结冰量剧增，如果冰害继续发展可能引起渠道漫流、渠道溃坝等严重后果[14]。

引水渠道冰害具体形成过程如图1所示。

图1 引水渠道冰害形成过程示意图Fig.1 The formation process of ice problem for water diversion channel

引水渠道冰害对水电站冬季运行影响很大。例如，新疆红山嘴电站位于新疆北部准噶尔盆地南缘的玛纳斯河流域中游，该流域历年全年平均气温为5.9℃，最低气温可达-39.8℃，每年0℃以下气温持续天数平均有130多天，属于典型高寒地区。该电站现有梯级电站5座，19台发电机组，总装机容量达11.505万kW，年设计发电量4.5亿kW·h，为当地经济和社会发展做出了巨大的贡献[15]，但电站冬季发电受冰害影响较大，电站引水渠结岸冰、冰凌严重，水中冰花密度大，严重的冰害使电站经常处于排冰和停机状态，冬季发电时间短且效率低。在气温较低时，上游来水量较少，此时更加严重的冰情会使二、三级电站引水渠无法引水，被迫停机达2个月之久；在气温合适时，只有组织人工通过反复炸冰、排冰才能勉强保证引水渠道畅通[16]，这样不仅上游二、三级电站机组不能连续运行，而且下游四、五级电站也要经常排冰，造成水资源和发电设备利用效率大大降低，同时人工排冰成本高、危险性很大。

1.2 抽水融冰基本原理

抽水融冰基本原理[17]是采取凿井提取地下水注入引水渠，提高渠水的水温，使渠水中的冰花、冰块在温度较高水流的浸泡和冲刷下部分融化，控制渠道内底冰、岸冰发育，使渠道畅通，再利用地下水体流经电站形成的势能发电，使发电量大于或等于抽水的耗电量，从而产生增能作用，最后水体用于下游工、农业生产和人民生活。这种技术使地下水所具有的热能、势能、灌溉作用同时发挥，从而取得水利水电工程安全运行、发电、灌溉等水资源利用综合效益。

抽水融冰基本原理如图2所示。

从图2可知，渠道中温度较低水流（0.1～0.2℃）与温度较高井水（9.6～10.6℃）混合后，渠水温度将保持在0.5～2.8℃，能保证渠道水流不会形成冰花。

图2 抽水融冰基本原理示意图Fig.2 The principle of pumping well water to melt ice

2 新疆红山嘴电站抽冰融冰法应用概况

2.1 抽水融冰井运行概况与基本参数

新疆红山嘴电站从1995年开始探索抽水融冰技术的实际应用，并于1996～1997年在渠首枢纽至二级电站引水渠6+600之间建设了5口抽水融冰井，5口井总抽取水量达到2470 m3/h。1996年11月～2001年3月近5年的运行状况表明：该电站渠系的冰情明显改善，冬季运行条件得到改善，冬季冰害基本消除。5口井的投产运行，使二、三级电站实现了气温-20℃条件下引水渠不再结冰盖、冰塞、冰堵，水位不再上升，二级引水渠冬季不再炸冰及组织大规模打冰，15 km渠道全部畅通，二、三级电站排冰用水全部转化为发电用水，二、三级电站发电量大幅度增加。

2001年12月，玛纳斯河流域天气气温骤变，-32℃的气温持续12 d，5口井全部投入运行后，引水渠系流冰花仍非常严重，冰花密度在50%以上，在渠系水流流速较低的渠段水面冰花冻结成冰盖，二级引水渠几段结冰盖处最长达8 km，致使该电站生产仍然十分困难。为了消除这种严寒冰害对发电造成的不利影响，2002年夏季红山嘴电站选择渠系地理环境较优越的地段又凿井3口，而且为了解决一级电站冬季冰害问题，2006～2007年冬季，该电站将隧洞出口勘察井改建为抽水融冰井，抽取地下水至隧洞出口渠道，2007年秋又将厂房生活井改造为抽水融冰井，从而使抽水融冰井总数增加到17口。17口井同时投产运行后，基本解决了一级电站的冰害问题，直到现在电站冬季运用行良好，没有再出现较大的冰害问题。

该电站抽水融冰井的基本参数见表1。

表1 抽水融冰井基本参数表Tab.1 he basic parameters of well for pumping water to melt ice

2.2 抽水融冰井运行效果

新疆红山嘴电站经过十几年的摸索和研究，采用抽水融冰法成功消除了冬季发电的冰害问题。该电站自1995年首次凿单井试验至2008年共在引水渠道沿线凿井17口，最大可抽取地下水2.15 m3/s注入引水渠，利用地下水的升温作用有效地解决了引水渠结冰的问题，保证了引水渠输水通畅，结束了电站大规模打冰、炸冰、排冰运行和冬季停机运行的历史，使员工从野外打冰和排冰的强体力劳动中解放出来，极大改善了电厂的冬季运行条件；同时利用地下水的增能作用，将抽取的地下水注入引水渠，使冬季发电水量增加，前池运行水位增高，冬季发电水头增加，增加的水量依次通过下游一至五级电站增能发电。

3 抽水融冰原型试验及分析

为了确定该电站抽水融冰的实际运行效果，在2013年2月底到3月初对红山嘴电站引水渠道进行了渠道水温的原型试验，如图3所示。

图3 融冰井（a）和引水渠道（b）水温观测Fig.3 The water temperature observations in melt ice well(a)and channel(b)

原型试验数据以温度测量为主，气温计采用分度值为0.1℃水银温度计，最低可测温度为-30℃，满足本次观测要求。整个观测过程中气温测量结果为最高气温为-1.3℃，最低气温为-3℃，低于水的冰点温度。红山嘴电站二级引水渠分布有13口抽水融冰井，本次原型试验以二级引水渠为主要观测渠道。由于渠道坡度陡峭，直接测量水渠水温不方便，采用小水壶多次多点取水测平均温度的方法，不仅快速安全，也能够保证水温的准确性。采用2支校核过的水银温度计多次测量取平均值。主要观测对象为井水温度以及井水入渠前后引水渠沿程水温的变化情况等。

图4是所观测井水的出水温度值。

图4 抽水融冰井抽水温度及混合后渠道水温Fig.4 The temperatures of well water and channel water after being mixed

从图4可见：

（1）8口融冰井出口的井水温度基本在10℃左右，混合后的水温均在0℃以上，可以保证渠道畅通不结冰。

（2）总体趋势是越到下游，混合后的水温越高，说明了沿程井水的注入有连续加温的作用。

图5是引水渠道沿程水温的变化情况。

图5 引水渠道水温沿程变化Fig.5 The changing of temperature along the diversion channel

从图5可以看出：

（1）井水加入后渠道沿程水温都在0.5～2.8℃，均高于0℃，渠道不会形成冰花，更不会结冰形成冰盖；对于每一段抽水融冰井的引水渠道，10℃ 左右的井水与渠水混合后，水温迅速变为0.9～2.8℃，渠水温度沿程逐渐降低，降至0.5～1.7℃，直至到达下一口融冰井位置，水温又会从高至低沿程减小。

（2）在每一条温度变化曲线中，刚开始温度下降较快，而到下游时温度变化放缓。另外，起始水温越高，水温下降的速度越快，例如图11#与13#井后渠道水温下降幅度明显高于上施其他井后渠道，这与水温与气温差值有关，温差越大，水温变化速度越快。

（3）每一口融冰井均控制一定长度的引水渠道，能保证渠水温度不会降至0℃以下。若引水渠道没有融冰井水的持续汇入，沿程水温会连续降低直至降到0℃以下，此时渠道达到结冰临界点。对于水温大于0℃的渠段长度，称之为不冻长度。每口井控制的引水渠道长度为250～1445 m，而根据红山嘴电站计算得到不冻长度为700～1500 m[18]，所以每口井控制的引水渠道长度均在不冻长度范围之内，可以保证引水渠道不结冰。实际若计算得到不冻长度，在渠道流量、当地气温以及抽水温度已知情况下，可以反算需要在引水渠中引入多大流量井水。

4 结论

结合新疆红山嘴水电站应用抽水融冰情况，对该电站抽水融冰进行了基本原理分析、原型试验及分析，得到了以下结论：

（1）抽水融冰的基本原理和渠水与井水混合后水温变化的规律是：温度10℃左右的井水入渠与渠水混合后，水温迅速变为0.9～2.8℃，渠水温度沿程逐渐降低，降至0.5～1.7℃，直至到达下一口融冰井位置，水温又会从高至低沿程减小；井水加入后渠道沿程水温都在0.5～2.8℃，均高于0℃，渠道不会形成冰花，更不会结冰形成冰盖，可保证渠道不出现冰害问题。

（2）该电站抽取地下水温度为10℃左右，混合后的水温均在0℃以上，井水的注入对引水渠道有明显的增温效果，说明抽水融冰效果显著。

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