寒区抽水蓄能电站冰情发育特征研究

温斌

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061）

0 引言

目前，我国抽水蓄能储备项目布局550 余个，总装机规模约6.8 亿kW 的发展目标，其中，约150座抽水蓄能电站位于严寒地区，因电网调度及调峰填谷需求，这些抽水蓄能电站即使在冬季低温结冰等极端气候条件下，仍需保持正常运行[1，2]。抽水蓄能电站相比于一般电站，其最大特点是上水库库容较小，且水位运行期间会出现大幅度升降，升降幅度可达数米至数十米，升降过程频繁，一昼夜可升降几次，反复升降使冰情长消过程极为复杂[3-6]，因此，研究和掌握冰情发展特征规律，为寒区抽水蓄能电站防冰冻措施研究提供宝贵的基础资料，是十分必要的。

1 冰情观测方法

早期的冰情观测方法为人工观测，每周对冰情变化进行一次观测，特殊情况（如机组停机、气温骤降等）观测周期缩短至每天一次[7-9]。随着物联网与无人机科技的不断发展，为充分研究冰情发育过程和变化规律，采用人工观测、冰情实时观测系统和无人机测绘技术相结合的手段，进行抽水蓄能电站冰情观测，利用库区实时监控系统全天观测库区冰情变化，定期采用无人机对库区结冰范围与冰盖的结构形态进行全域拍摄，人工观测重点部位的冰厚变化，尤其是进出水口附近的冰厚变化，既能提高工作效率，又能充实观测数据，为后续研究提供更加详尽的基础数据[10]。

2 冰情发育特征

2.1 结冰过程

严寒地区抽水蓄能电站库区冰层的形成与长消可分为如下阶段。

1）第1 阶段为初冰阶段。此阶段是指日平均气温开始进入0 ℃以下到进入稳定负温阶段，一般历时15 d 左右。这一阶段的特点是昼夜呈正负温交替，白天平均气温在0 ℃以上，晚上气温下降到0 ℃以下，整体平均气温在0 ℃左右，夜间气温较低时，在库区靠近挡水建筑物附近形成一层薄（岸)冰，白天气温上升时，夜间形成的薄冰层受气温和日照影响再次融化。

水库表面的水温受低温影响，下降至冰点。当有风力作用时，将形成混合层，水中产生冰花。冰花量的大小与混合层的厚度有关，如果无混合作用，则水面将很快结冰。观测时发现，在平均风速为1.5 m/s 的条件下，产生混合作用的几率较小，因此，在现场观测过程中也未发现水中有冰花。

2）第2 阶段为结冰阶段。当昼夜气温达到稳定负温后，库面逐渐形成冰盖，直至冰层覆盖整个库面，此阶段一般历时30 d 左右。这一阶段气温总体上逐步下降，初期在远离进出水口水流扰动的位置形成小面积冰盖，冰盖慢慢从四周向进出水口前方的扰动区发展，直至进入第3 阶段。

3）第3 阶段为封冻阶段。此阶段是指冰层基本全部覆盖库面至冰层开始消融的时段。上库水面形成完整冰盖，封冻阶段历时约30 d。观测期间发现，部分抽水蓄能电站上库进出水口前方的水流扰动区封冻时间较短，约为5 d，表现为库内冰盖在该阶段无法持续保持封冻状态。

4）第4 阶段为融冰阶段。该阶段气温缓慢回升，靠近阳坡位置的冰盖开始融化，出现开敞水域，并呈线条状扩展，这是冰层融化的第一阶段。此后，日平均气温进入总体回升过程，库区冰盖开始变薄，密度减小，容易破碎，线条状融化带宽度扩大，直至冰盖全部融化。

2.2 结冰形态

通过观测资料，整理严寒地区抽水蓄能电站结冰形态，具体可分为四部分。

1）环库岸冰带。在累积冻结的过程中，沿水库冬季高运行水位所形成的闭合库岸将形成较稳定的环库岸冰，岸冰冻结于库岸上，不再随水位而升降。坡度越陡处岸冰越薄，坡度越缓岸冰的累积结冰厚度越大，在干砌石护坡处，由于坡度较缓，岸冰最大厚度可达几十厘米；而在坡度较陡且为混凝土护坡或面板位置，岸冰厚度较小，约为几厘米，且与岸坡粘结不牢，在水位上升的浮力作用下，易从岸坡上剥离，而后在负温作用下，形成新的岸冰。

2）环库薄冰带。薄冰带紧邻环库岸冰带，环绕库岸一周，观测发现，库区内的薄冰带厚度基本一致，冰厚基本上在1.5～4.0 cm 之间，宽度与库岸坡度有关，坡度陡处宽度小，坡度缓处宽度大，从0.5 m 到十几米不等。

3）环库碎冰带。观察中发现，碎冰带与薄冰带形成冰水混合物，无明显分界线，薄冰带位于靠近库岸侧，碎冰带位于库内一侧，宽度约为1 m。

4）库内悬浮冰盖。在碎冰带之外，形成了一整块漂浮在库中的冰盖，约占整个库区面积的90%，观测时发现，进出水口正前方水流扰动位置处的冰封时间较短，最短冰封时间仅为5 d，在冰盖上形成内外交换的“窗口”，面积约为100 m2。同时，对库区悬浮冰盖的厚度进行了观测，其最大冰厚为同期天然河道最大冰厚的30%～40%。

3 冰情特征分析

由观测结果可知，抽水蓄能电站库区冰情与结冰形态相比于常规水库，存在较大差别，主要有：1）整体结冰时间短。库区冰层的形成过程历时较长，进入融冰阶段的时间要早于常规水库，封冻时间较短，整体结冰时间较常规水库缩短了约30 d，有利于抽水蓄能电站的冬季运维，减少冰冻不利影响。2）结冰形态较复杂。在结冰期间，抽水蓄能电站库区未完全形成封闭的完整冰盖，而是整体分为环库岸冰带、环库薄冰带、环库碎冰带和库内悬浮冰盖四部分。3）冰盖厚度明显减小。抽水蓄能电站库内悬浮冰盖厚度远小于同期天然河道冰厚，由观测数据统计，其冰厚为天然河道冰厚的30%～40%。

对观测结果进行分析可知，抽水蓄能电站在机组运行期间，每天抽、放水较频繁，水流不断往复运动，在水流扰动及水温产生的热力作用下，水面紊动会阻止库面冰盖形成，导致整体结冰时间比常规水库短，同时也是造成库内冰层厚度较小的主要原因。

在机组运行时，随着水位升降，上覆冰层受浮力或重力作用，此时，冰层在靠近库岸处所受弯矩最大，因此，在此处最易发生断裂，从而形成一定宽度的静水水面，形成环库薄冰带，断裂后的碎冰或塌落于岸边，形成环库岸冰带，或漂浮于薄冰带宽度内的水面上，在水流和风的作用下，会将库内漂浮的冰盖推向库岸，同时，在冰盖挤压作用下，也会产生大量的碎冰，形成环库碎冰带，大部分冰盖漂浮在库区内，形成库内悬浮冰盖，最终形成独特的结冰形态。

复杂的结冰形态是冰冻与抽水蓄能电站运行共同作用的结果，主要影响因素包括气温、运行工况、水温、流速、水位变化等，需要通过大量、长期的观测数据总结出每个影响因素之间的联系、各自权重、组合作用等，最终实现定量评价冰冻对抽水蓄能电站的影响程度。

观测期间发现，库岸水位变化区的冻融循环作用时间短，频率快，对面板等建筑物的抗冻融耐久性要求更高，环库岸冰带在浮力作用下，会对库岸产生冰拔力，尤其是干砌石护坡，部分干砌石被拔出，散落在干砌石护坡表面，环库薄冰带则随着水位上升下降，不断重复结冰破坏的循环过程，库内悬浮冰盖在重力、浮力和风力作用下，频繁地对库岸面板、护坡产生冰推力、撞击和摩擦挤压，或对库岸造成一定损坏，由于观测周期较短，暂未发现库岸建筑出现破坏，但在长期运行后，应对这些部位加强观测。

4 结语

抽水蓄能电站与常规水库冰情存在较大差异，且机组运行因素的加入，使其冰情变化更为复杂，常规的数值计算、冰厚预测方法在抽水蓄能电站中已不再适用，无法预测库区冰情变化情况，因此，无法量化评价冰情对机组运行的影响。通过对多个寒区抽水蓄能电站冰情变化情况的调查，收集宝贵的基础资料，总结冰情变化的规律，找到影响寒区抽水蓄能电站冬季运行的制约因素，为目前已建和在建的寒区抽水蓄能电站提供更为科学高效的运行方案，防范冰冻对水工建筑物的不利影响，既是今后需要重点研究的内容，也是未来亟需完成的目标。