武汉大学学报(工学版)   2017, Vol. 50 Issue (2): 168-173

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秦子鹏, 宗全利, 田艳, 吴素杰
QIN Zipeng, ZONG Quanli, TIAN Yan, WU Sujie
寒区引水明渠抽水融冰试验
Experiment on pumping groundwater to melt ice in diversion channels of cold regions
武汉大学学报(工学版), 2017, 50(2): 168-173
Engineering Journal of Wuhan University, 2017, 50(2): 168-173
http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2017-02-002

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收稿日期: 2016-05-10
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秦子鹏, 宗全利, 田艳, 吴素杰. 寒区引水明渠抽水融冰试验[J]. 武汉大学学报(工学版), 2017, 50(2): 168-173.
QIN Zipeng, ZONG Quanli, TIAN Yan, WU Sujie. Experiment on pumping groundwater to melt ice in diversion channels of cold regions[J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2017, 50(2): 168-173.
寒区引水明渠抽水融冰试验
秦子鹏, 宗全利, 田艳, 吴素杰     
石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000
收稿日期：2016-05-10
作者简介：秦子鹏(1985-)，男，硕士，讲师，主要从事水工建筑物安全与修复技术及水工材料耐久性研究，E-mail:qzpshzu @163.com.
通讯作者：宗全利(1979-)，男，博士，教授，研究方向为水力学及河流动力学，E-mail:quanli1871@126.com
基金项目：国家自然科学基金项目(编号:51269028);石河子大学应用基础研究青年项目(编号:2015ZRKXYQ13, 2015ZRKXYQ-LH01).
摘要：寒区冬季明渠引水长期遭受冰害困扰，严重制约工农业及居民生活用水，经济损失巨大.结合新疆红山嘴水电站2级引水明渠，采用原型观测方法，开展了2次抽水融冰试验.根据试验结果，分析了不同水井运行方式下，井后明渠沿程水温、井前后5 m明渠水温及整个引水明渠沿程水温的变化情况，得到了上述情况下明渠水温的变化规律及水井运行制度对水温变化的影响.处于运行状态的水井井后明渠水温得到了显著提高，在井后50 m范围内，水温急剧下降，并产生较大波动，超出该范围后，水温下降不明显，波动也相对平缓；井水和渠水的混掺及渠水与外界的热交换过程并不能在短时间、短距离内完成.2次试验气温基本相同，试验过程中明渠末端水温相差不大，都在1.5 ℃左右.
关键词：寒区    引水明渠    抽水融冰    试验    原型观测    
Experiment on pumping groundwater to melt ice in diversion channels of cold regions
QIN Zipeng, ZONG Quanli, TIAN Yan, WU Sujie     
College of Water Conservancy and Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China
Abstract: The diversion of water by open channel suffered ice damage for a long time in winter of cold regions, which have restricted the use of water for industry, agriculture and living severely and causing huge economic losses. Combined with the second diversion channel of the Hongshanzui hydropower station in Xinjiang Autonomous Region, twice experiment of melting ice by pumping groundwater were carried out by prototype observation method. The changes of the water temperature along the diversion channel after the wells, before and after about 5 m of the wells and along the whole diversion channel in different running orders of the wells are analyzed; and the law of the water temperature variation in the open channel and the impact of temperature changes by well running system under above circumstances are obtained. The water temperature of the open channel after wells that were running had been significantly improved. Sharp decline in water temperature and generating greater volatility occurred within the scope of 50 m of the wells. Exceeding this range, water temperature did not decline that significantly. The fluctuation of the water temperature is also relatively flat. The mixture of well water with open channel water and water heat of the open channel exchanging with the outside world could not be completed within a short time or a short distance. The temperature of the two experiments is basically the same; and the water temperatures in the end of the open channel in the experiments made a small difference that were about 1.5℃ during the experiments.
Key words: cold regions     diversion channel     melting ice by pumping groundwater     experiment     prototype    

新疆冬季寒冷，低温持续时间长，昼夜温差大，致使明渠输水冰害问题十分突出，严重制约当地社会和经济发展，造成较大损失[1-4].随着新疆地区人口不断增加、经济快速发展和产业结构的调整，冬季工农业及居民生活用水逐年增多，冰期输水问题亟待解决.

目前，寒区明渠冰期输水主要采用3种方式：1) 提高流速，以冰水混合两相流输水；2) 降低流速，形成冰盖，在冰盖下输水；3) 抽水融冰运行方式.第1种方式不仅对渠道的过流条件要求苛刻，而且在长距离输水时，还需要沿途设置排冰、蓄冰设施，运行成本高，冰凌、冰塞等冰害时常发生[5, 6]；在强冷空气和降雪丰富地区，昼夜气温较低时，运用冰盖下输水的方式在大型输水渠道中已得到成功经验，能够较好地实现冬季长时间长距离输水的目的，但是当气温波动较大，尤其是昼夜正负气温交替出现后，冰盖的稳定性将得不到保障，容易在输水过程中引发冰害[7-11]；第3种方式通过抽取温度较高的地下水，注入引水渠道内，大幅提高水温，防止水流结冰，能够保证冰期明渠稳定输水，适用于地下水丰富地区[12-14].

抽水融冰技术的关键是利用温度较高的地下水来改善渠水温度.其基本原理是沿明渠两岸开凿水井，采用水泵提取地下水注入明渠内，以提高渠水温度，冰花、冰块在升温后的渠水浸泡、冲刷的作用下融化，进而抑制了渠道底冰和岸冰的发展，保证了渠道冬季稳定输水[15, 16].朱苗苗等的研究表明，在高寒地区，抽水融冰是引水式水电站冰期运行，消除冰害的一种有效措施[17].赵梦蕾等对引水明渠抽水融冰水温沿程变化规律进行了模型试验研究，结果表明，当外界气温较低时，井水注入明渠后，渠内水温改善明显，能够保证引水渠道冬季稳定输水[18].

抽水融冰技术在寒区明渠引水中的应用虽然得到一定程度的推广，但是目前该方面的研究依然不足，可借鉴的科研成果较少，本文结合红山嘴水电站2级引水明渠运行情况，采用原型观测方法，开展抽水融冰试验研究，为寒区明渠冰期输水方面的设计、运行及管理提供科学依据和借鉴，具有重要意义.

1 工程概况

红山嘴电厂位于新疆北部准葛尔盆地南缘，玛纳斯河中游，始建于1961年，是新疆开发建设最早的水电厂之一.现有梯级水电站5座，共有19台水轮发电机组，总装机容量11.505万kW，年设计发电量4.5亿kWh.由于该地区气候寒冷，年最低气温-39.8 ℃，负气温持续长(约为138 d)，冬季累积负气温平均达-1 454 ℃，红山嘴电厂冬季发电深受冰害困扰，电站经常处于排冰和停机状态，经济损失较大[19].为消除冰害影响，红山嘴电厂近年来在引水明渠沿线凿井17眼，进行抽水融冰试验，取得了良好的效果.红山嘴2级水电站为引水式电站，主要由引水枢纽、引水明渠、前池、压力管道、厂房、开关站和尾水渠等组成.2级引水明渠两岸分布有13眼水井，沿渠水井及水电站布置形式如图 1所示.

图 1 2级引水明渠沿渠水井及水电站布置示意图 Figure 1 Distribution schematic diagram of the well along second diversion channel and hydropower station
图选项

水电站2级引水明渠抽水融冰试验沿程水井分布及基本参数如表 1所示.

表 1 水电站2级引水明渠抽水融冰试验沿程水井分布及基本参数表 Table 1 Distribution and basic parameters of wells along second diversion channel of hydropower station during experiment of melting ice by pumping groundwater
编号 水井位置 井深/m 井水深/m 井径/mm 井管内径/mm 水泵扬程/m 额定流量/(m3·h-1)
2-1 暗渠进口处 100 34.0 529 260 65 500
2-2 西岸，桩号0+000 90 26.6 529 260 65 500
2-3 东岸，桩号0+350 100 30.5 426 260 55 500
2-4 东岸，桩号0+650 100 28.0 529 260 55 500
2-5 东岸，桩号0+900 100 31.4 529 260 55 500
2-6 东岸，桩号1+300 110 31.4 529 260 55 500
2-7 东岸，桩号1+650 100 31.3 529 260 55 500
2-8 西岸，桩号3+100 100 31.2 529 230 55 500
2-9 东岸，桩号3+600 110 26.0 426 260 65 500
2-10 东岸，桩号4+400 110 26.0 529 260 55 500
2-11 西岸，桩号5+250 120 24.0 426 230 58 430
2-12 东岸，桩号5+900 110 26.0 529 260 55 500
2-13 西岸，桩号6+600 110 33.4 529 260 55 500
表选项
2 抽水融冰试验 2.1 试验方法

本试验采用原型观测方法，分别于2013年3月1日和2014年1月16日对红山嘴电站2级引水明渠进行2次抽水融冰观测试验.2次试验中均设置了7眼水井运行，但运行制度不同，具体情况见表 2.采用水银温度计(量程50 ℃至-30 ℃，精度为±0.1 ℃)观测大气、井水及渠水温度.井水温度的观测主要是测管道出水口处的水流温度.观测渠水温度时，由于渠道边坡较陡，且岸坡被冰雪覆盖，水温观测采用钓鱼竿拴细口瓶的方法.该方法具体操作如下：先将拴在钓鱼竿上的瓶子抛入水中，并将其沉入水面以下约10 cm处，停留1 min左右，待灌满水后，用钓鱼竿迅速将瓶子提出水面，立即观测水温，并记录数据；每1个观测点测2次，取平均值作为观测结果.在同一观测点，经多次试验验证，该方法测得的温度值误差不超过±0.2 ℃，满足试验精度要求.水电站2级引水明渠抽水融冰沿程水温观测如图 2所示.

表 2 抽水融冰试验沿程水井运行情况及井水温度观测表 Table 2 Observation table of water temperatures and operation of wells during experiment of melting ice by pumping groundwater
观测时间 出水口处井水温度/℃
2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 2-10 2-11 2-12 2-13
2013年3月1日 × × × × 10.0 10.0 × 10.6 10.0 10.0 9.6 × 10.2
2014年1月16日 10.0 × 10.0 10.0 10.0 10.0 × × × 10.0 × 10.0 ×
注：“×”表示相应的水井在2013年3月1日和2014年1月16日观测试验时未运行
表选项
图 2 水电站2级引水明渠抽水融冰试验沿程水温观测图 Figure 2 Observation figure of water temperatures along second diversion channel of hydropower station during experiment of melting ice by pumping groundwater
图选项
2.2 试验结果

2013年3月1日和2014年1月16日分别对电站2级引水明渠进行了抽水融冰试验，2次观测时均为晴天，风力较小，外界气温分别为-14.0 ℃和-12.4 ℃，实测出口处井水温度及明渠沿程水温如表 2、3所示.

表 3 抽水融冰试验明渠沿程水温观测表 Table 3 Observation table of water temperatures along diversion channel during experiment of melting ice by pumping groundwater
水井编号 2013年3月/2014年1月明渠沿程水温观测/℃
井前2 m 井后5 m 10 m 20 m 50 m 100 m 150 m 250 m 350 m 500 m 800 m 1 000 m
2-1 -/- -/0.2 -/0.5 -/- -/- -/- -/- -/- -/- -/- -/- -/-
2-2 -/- -/- -/- -/- -/- -/- -/- -/- -/0.5 -/- -/- -/-
2-3 -/0.5 -/- -/0.7 -/0.7 -/- -/- -/- -/- -/- -/- -/- -/-
2-4 -/0.7 -/- -/- -/1.0 0.2/0.8 0.2/0.8 -/0.5 0.2/- -/- -/- -/- -/-
2-5 0.2/- 1.0/- 0.6/- 0.7/- 0.6/- 0.6/- 0.5/- 0.6/- 0.5/- -/- -/- -/-
2-6 0.6/1.4 0.9/1.4 0.8/- 0.9/1.4 0.8/- -/- 0.6/- 0.8/- -/- -/- -/- -/-
2-7 0.9/1.5 -/- -/- -/- -/- 0.9/- 0.9/- 0.9/- 0.8/- 1.2/- 1.2/- 1.2
2-8 1.2/1.4 1.6/- 1.6/- 1.6/- 1.6/- 1.3/- 1.4/- 1.4/- 1.4/- 1.0/- -/- -/-
2-9 1.0/1.6 2.0/- 1.6/- 1.4/- 1.8/- -/- 1.5/- 1.6/- -/- 1.4/- 1.4/- -/-
2-10 1.4/1.7 1.6/1.8 1.5/- 1.6/- 1.6/- -/- -/- 1.6/- -/- 1.6/- 1.6/- -/-
2-11 1.6/1.7 2.2/- 2.3/- 2.1/- 1.8/- -/- -/- 1.8/- -/- 1.8/- -/- -/-
2-12 1.7/1.8 1.6/- -/1.9 -/- -/- -/- -/- -/- 1.7/- -/- -/- -/-
2-13 1.9/1.8 2.8/- 2.7/- 2.2/- 1.7/- 1.6/- -/- -/- -/- 1.8/- -/- 1.7/-
注：“/”前后数据分别表示2013年3月1日和2014年1月16日实测水温；“-”表示该点未测或井不在该距离范围.
表选项
3 试验结果分析 3.1 井后明渠沿程水温变化规律

根据2013年3月1日抽水融冰试验及实测水井出水口后明渠沿程水温数据，得到水电站2级引水明渠抽水融冰井后沿程水温变化规律如图 3所示.

图 3 抽水融冰试验井后沿程渠水温度变化图 Figure 3 Figure of water temperature changes along diversion channel after wells during experiment of melting ice by pumping groundwater
图选项

由图 3不难看出，在处于运行状态的水井(2-5号、2-6号、2-8号、2-9号、2-10号、2-11号和2-13号)井后明渠水温得到显著提高，但在井后50 m范围内，水温急剧下降，并产生较大波动；超出井后50 m范围后，水温下降不明显，虽然波动依然持续，但相对平缓.之所以出现上述现象，是由于运行状态的水井出口处水温较高，达到10 ℃左右，当井水与渠水混掺后，较高温度的井水会迅速将热量传递给较低温度的渠水，使渠水温度明显改善，在井后5 m附近，最高渠水温度接近3.0 ℃，但渠水流量(50 m3/s左右)远大于单井流量(0.14 m3/s左右)，随着距离增加，平均渠水温度会急剧下降.然而，井水和渠水的混掺及渠水与外界的热交换过程并不能在短时间、短距离内完成，因此渠水水温的波动要持续很长的距离，只是在短距离内波动明显，长距离后水流混掺愈加充分，与外界进行热交换也相对稳定，水温波动比较平缓.未工作的水井(2-4号、2-7号和2-12号)井后明渠水温波动不大，总体呈上升趋势.该现象表明，在于工作状态的水井处的较高水温不仅随着水流的混掺对下游明渠水温影响显著，对上游也在进行着热转导，但影响不是那么明显.

3.2 水井前后5 m附近明渠水温变化规律

根据2013年3月1日和2014年1月16日抽水融冰试验及实测运行状态的水井出水口前后5 m附近处的明渠水温数据，得到电站2级引水明渠水井前后5 m附近水温沿程变化规律如图 4所示.

图 4 抽水融冰试验井前后5 m附近明渠水温沿程变化图 Figure 4 Figure of the water temperature changes of diversion channel before and after about 5 m of wells during experiment of melting ice by pumping groundwater
图选项

根据图 4可知，2次抽水融冰试验观测得到的明渠沿程水温均呈上升趋势，且井后5 m附近渠水温度明显高于井前，最大差值可达1.0 ℃.2次抽水融冰试验时，各有7口水井运行(具体运行情况见表 2)，井水温度一致，均在10 ℃附近，天气状况基本相同，外界气温只相差-1.6 ℃，但是结果表明2次试验水井前后渠水温度变化规律相差较大.

2013年3月1日进行抽水融冰试验时，引水明渠上游的4个水井(2-1号、2-2号、2-3号和2-4号)均未工作，只有后面的7个水井(2-5号、2-6号、2-8号、2-9号、2-10号、2-11号和2-13号)处于运行状态，2-4号水井末端水温只有0.2 ℃，所以，该次试验明渠前半段水温较低，后半段水温明显提高，到2-13号井时，井前后5 m附近水温达到最高，分别为1.9 ℃和2.8 ℃.2014年1月16日进行抽水融冰试验时，引水明渠上游的5个水井(2-1号、2-3号、2-4号、2-5号和2-6号)均处于工作状态，后面只留2个水井(2-10号和2-12号)处于运行状态，上游水温在2-3号井前10 m附近就已达到0.5 ℃，经过2-4号、2-5号和2-6号水井的连续升温作用，渠水温度得到明显改善，井后水温达到1.5 ℃以上，后面虽然只留有2口水井工作，但渠水温度依然持续缓慢增长，到2-12号井时，井前后5 m附近水温达到最高，分别为1.8 ℃和1.9 ℃.上述结果表明，当水井运行的数量一定时，水井的布置方式和工作制度会对渠水温度产生显著的影响.

3.3 引水明渠沿程水温变化规律

根据2013年3月1日和2014年1月16日抽水融冰试验及实测运行状态的水井出水口前后5 m附近处的明渠水温数据，得到水电站2级引水明渠沿程水温变化规律如图 5所示.

图 5 水电站2级引水明渠抽水融冰试验沿程水温变化图 Figure 5 Figure of water temperature changes along second diversion channel of hydropower station during experiment of melting ice by pumping groundwater
图选项

由图 5并结合图 4可以看出，2013年3月1日的抽水融冰试验，明渠水温虽得到持续提升，但全程波动较为剧烈，水井前后渠水温度也相差较大；而2014年1月16日的抽水融冰试验，渠水温度也在不断增加，渠道上游水温波动明显，1 500 m后水温波动不大，水井前后渠水温度也没有第1次试验那么明显.由于外界气候及引水条件相似，2次试验明渠末端水温相差不大，均在1.5 ℃左右.

从以上分析可知，2次抽水融冰试验均可使明渠水温得到显著改善，能够满足寒区水电站冬季运行发电的要求.但试验表明，在水井工作数量一定时，尽量保证引水明渠上游有较多水井工作，这样不仅可以迅速提高引水明渠上游水温，也可使2种不同温度的水流充分混掺，将流入渠道的冰凌尽早融化，以保证在更低气温下，水电站依然能够稳定运行；但当遇到降雪天气时，各段明渠水温都会受降雪影响而降低，如果水井工作数量一定，再采用上述方案，会使工作状态间隔较远的水井段明渠水温偏低，甚至可能出现再次结冰情况，此时，应保证整个明渠段两岸水井均匀交错运行，这样才能保证低温降雪天气下水电站的稳定运行.

4 结论

2次抽水融冰试验结果表明，该方法可使明渠水温得到显著改善，能够满足寒区水电站冬季运行发电及工农业、生活引水要求.

1) 抽水融冰试验中，处于运行状态的水井井后明渠水温得到了显著的提高，但在井后50 m范围内，水温急剧下降，并产生较大波动，超出该范围后，水温下降不明显，波动相对平缓；井水和渠水的混掺及渠水与外界的热交换过程并不能在短时间、短距离内完成.

2) 在工作状态的水井处的较高渠水温度不仅随着水流的混掺对下游明渠水温影响显著，对上游也在进行着热转导，但影响不是那么明显；对于同一条引水渠道，当处于运行状态的水井数量一定时，水井的布置方式和工作次序会对整个明渠的水流温度产生显著的影响.

3) 虽然2次试验明渠末端水温相差不大，都在1.5 ℃左右，但针对不同的气候条件时，水井的运行制度至关重要，这方面还有待继续深入研究.

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