寒區(qū)復(fù)式輸水渠道冰蓋厚度變化特征模型試驗(yàn)研究

劉朝英

（哈爾濱市雙城區(qū)水務(wù)局河道管理站，黑龍江 哈爾濱 150100）

我國是淡水資源比較缺乏，同時(shí)在時(shí)空分布上存在不平衡的問題[1]。為了降低水資源供給不足對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展的制約，進(jìn)行長距離調(diào)水就成為必然手段[2]。同時(shí)，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，北方寒區(qū)冬季的農(nóng)業(yè)用水量迅速增長。因此，確保輸水渠道冰期輸水安全就顯得尤為重要，一旦出現(xiàn)冰期輸水工程管理和調(diào)控方面的失誤，就會(huì)誘發(fā)十分嚴(yán)重的后果[3]。考慮渠道工程在輸水方面的優(yōu)勢(shì)，冰蓋輸水在寒區(qū)渠道輸水中得到廣泛應(yīng)用[4]。在我國的北方寒區(qū)，經(jīng)常采用復(fù)式斷面或由梯形斷面改造而成的復(fù)式斷面渠道進(jìn)行冰蓋輸水[5]。由于冬季輸水過程中，冰蓋的形成會(huì)受到輻射、環(huán)境溫度、初始水溫、流速、含砂率以及風(fēng)力等諸多因素的影響，因此形成的機(jī)理十分復(fù)雜[6]，很難通過理論層面對(duì)冰蓋輸水問題進(jìn)行模擬研究?；诖?，本次研究利用模型試驗(yàn)的方式對(duì)復(fù)式斷面渠道冬季輸水過程中冰蓋厚度的變化特征進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀伤?、進(jìn)出口水箱、動(dòng)力水泵以及變頻控制系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)模型相似性理論，模型的比尺為1∶10，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D見圖1。試驗(yàn)水槽為U型環(huán)形水槽，以模擬長距離輸水條件。本次研究的渠道原型為渾河灌區(qū)2#支渠，該渠道為梯形斷面改造而成的復(fù)式斷面，為了對(duì)比研究復(fù)式斷面與梯形斷面冰蓋厚度的變化特征，將同尺寸梯形斷面作為對(duì)比斷面水槽由兩個(gè)U型鐵桶制成，側(cè)面設(shè)有有機(jī)玻璃視窗，渠道斷面示意圖見圖2和圖3。系統(tǒng)的電機(jī)為KY-03型三相異步電動(dòng)機(jī)，通過動(dòng)力矩控制水泵運(yùn)行，利用變頻控制器調(diào)節(jié)水槽內(nèi)的水體流速。為減少水槽內(nèi)水體與邊壁的熱交換，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，所有結(jié)構(gòu)外部均用泡沫塑料包裹[7]。試驗(yàn)過程中，冰蓋的厚度利用電阻絲熱融法進(jìn)行測(cè)量；冰蓋的覆蓋寬度利用卡尺進(jìn)行測(cè)量；流速利用ADV多普勒測(cè)速儀測(cè)量；利用Pt100溫度傳感器測(cè)量水溫，利用手持紅外測(cè)溫儀測(cè)量冰溫。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

圖2 渠道梯形斷面示意圖

圖3 渠道復(fù)式斷面示意圖

1.2 試驗(yàn)對(duì)象和目的

本次研究的原型渠道為某灌區(qū)2#支渠，基于當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，初始水溫設(shè)定為5℃，恒溫室內(nèi)的氣溫設(shè)定為-9℃。通過循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)，對(duì)連續(xù)時(shí)間段內(nèi)的梯形斷面和復(fù)式斷面渠道冰蓋形成過程中的垂向厚度變化特征進(jìn)行觀測(cè)和記錄，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析，給出不同工況下冰蓋厚度的計(jì)算公式，并對(duì)冰蓋形成過程中的安全穩(wěn)定特征進(jìn)行探討。

1.3 試驗(yàn)步驟

根據(jù)前人在冰蓋形成過程理論和試驗(yàn)研究中獲得經(jīng)驗(yàn)和成果[8]，并盡可能準(zhǔn)確模擬自然狀態(tài)下渠道冰蓋的發(fā)展過程，確定如下的試驗(yàn)步驟：

（1）啟動(dòng)試驗(yàn)裝置，將氣溫設(shè)定為5℃的水體溫度預(yù)設(shè)溫度，對(duì)試驗(yàn)水槽內(nèi)水體的深度和流速進(jìn)行測(cè)量，調(diào)節(jié)變頻系統(tǒng)，使水體按照預(yù)定的流速運(yùn)動(dòng)。

（2）待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，水槽內(nèi)的水溫分布均勻之后，將模擬氣溫調(diào)節(jié)為-9℃的預(yù)設(shè)溫度。

（3）觀測(cè)和測(cè)量冰蓋的形成過程以及冰蓋厚度的變化，并做好相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄。

（4）對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，然后進(jìn)入下一組試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)工況

結(jié)合相關(guān)研究成果，選擇輸水渠道的斷面形式以及渠道內(nèi)的水流流速為試驗(yàn)變量，設(shè)計(jì)出6組試驗(yàn)。其中，流速大于0.1 m/s的情況下，會(huì)在渠道內(nèi)形成比較大的浪花，不利于冰蓋的形成。因此研究中選取0 m/s、0.05 m/s、0.1 m/s三個(gè)不同的平均流速變量值。由于梯形斷面輸水渠道具有施工簡單、占地面積小的優(yōu)勢(shì)，在灌區(qū)渠道工程建設(shè)中使用最為廣泛。因此研究中將梯形渠道斷面作為對(duì)照組。具體的研究工況及具體參數(shù)見表1。

表1 研究工況

1.5 數(shù)據(jù)采集

冰蓋厚度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量一般采用鉆孔測(cè)量的方法進(jìn)行，這需要到冰面上測(cè)量，或者測(cè)量的儀器與冰蓋接觸。顯然，這種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法并不適合。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行冰蓋厚度測(cè)量時(shí)，主要采用電阻絲熱融法進(jìn)行，其測(cè)量裝置示意圖見圖4。在測(cè)量時(shí)僅需要將裝置通電，帶鎳鉻合金絲產(chǎn)生的熱量將冰蓋穿孔后，向上拉動(dòng)測(cè)量裝置，則冰蓋上表面到參考點(diǎn)的距離L2與L1的差值即為冰蓋的厚度。如果冰蓋沒有平封或厚度較薄時(shí)，則采用千分尺測(cè)量。

圖4 電阻絲熱融法冰厚測(cè)量裝置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 冰蓋厚度變化

冰蓋的厚度在橫斷面上的變化并不具有均勻性，水流速度較大時(shí)尤其如此。研究中選取靠近岸邊的冰蓋最厚位置進(jìn)行測(cè)量，三種不同流速下的測(cè)量時(shí)間分別為750 min、1000 min和1250 min。根據(jù)試驗(yàn)過程中的測(cè)量數(shù)據(jù)，整理獲得的冰蓋厚度與生長速率計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 冰蓋厚度與生長速率

由表2的結(jié)果可知，在流速相同的條件下，復(fù)式斷面渠道的冰蓋厚度生長速率相較于梯形斷面偏大，并且冰蓋的最大厚度也較大。在動(dòng)水條件下，梯形斷面的生長速率的均值為0.0868 cm/h，復(fù)式斷面的生長速率均值為0.0951 cm/h，比梯形斷面的生長速率快9.56%；無論何種斷面渠道，靜水條件下的冰蓋生長速率最快，且隨著渠道流速的增加而不斷變慢。例如，對(duì)于梯形斷面渠道，流速0.05 cm/s條件下比流速0.1 cm/s條件下的生長速率快20.46%；對(duì)于復(fù)式斷面渠道，流速0.05 cm/s條件下比流速0.1 cm/s條件下的生長速率快18.76%；在靜水條件下，兩種不同斷面形式渠道的最大冰厚比較接近，而動(dòng)水條件下存在較大的差距。究其原因，主要是靜水條件下冰蓋的發(fā)展受斷面特征影響較小，動(dòng)水條件下復(fù)式斷面的漫灘水流容易受到糙率的影響。

圖5～圖10為不同工況下冰蓋厚度隨時(shí)間變化的曲線。其中，圖5和圖6為靜水工況，由于不存在水流紊動(dòng)作用的影響，冰蓋厚度隨時(shí)間基本呈線性增長態(tài)勢(shì)。在動(dòng)水工況下，水流紊動(dòng)造成的熱交換是影響冰蓋厚度變化的主要因素。因此，冰蓋厚度的增加呈現(xiàn)開始增長較快、之后逐漸趨于穩(wěn)定的特征。

圖5 工況1條件下渠道冰蓋厚度變化曲線

圖6 工況4條件下渠道冰蓋厚度變化曲線

圖7 工況2條件下渠道冰蓋厚度變化曲線

圖8 工況5條件下渠道冰蓋厚度變化曲線

圖9 工況3條件下渠道冰蓋厚度變化曲線

圖10 工況6條件下渠道冰蓋厚度變化曲線

綜上，輸水渠道的斷面和流速是影響冰蓋厚度增長的兩個(gè)主要因素，其中復(fù)式斷面渠道的冰蓋生長速率高于梯形斷面渠道；低流速渠道的冰蓋生長速率高于流速高的渠道。因此，為了保證冰期輸水渠道的運(yùn)行安全，防止冰壩、冰塞等災(zāi)害情況的出現(xiàn)，迅速形成穩(wěn)定、厚實(shí)的冰蓋更為有利。因此推薦采用復(fù)式斷面灘地部分低流速輸水，以促進(jìn)冰蓋的形成和加厚。

2.2 冰蓋厚度計(jì)算

鑒于靜水工況下冰蓋厚度與時(shí)間之間基本呈線性關(guān)系，研究中對(duì)復(fù)式斷面渠道在靜水工況下的冰蓋厚度與累積小時(shí)負(fù)氣溫之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖11。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：T累積小時(shí)負(fù)氣溫，℃·h；h為冰蓋厚度，cm。相關(guān)系數(shù)為0.923，說明兩者之間為典型的線性相關(guān)關(guān)系。

在動(dòng)水工況下，研究中利用Stefan的度日法對(duì)復(fù)式斷面渠道冰蓋厚度和累計(jì)凍結(jié)度-時(shí)之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖12，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：S為累積小時(shí)負(fù)氣溫，℃·h；h為冰厚，cm，相關(guān)系數(shù)為0.897。

圖11 靜水水工況下累積小時(shí)負(fù)溫與冰厚關(guān)系

圖12 動(dòng)水工況下冰厚與凍結(jié)度-時(shí)之間的關(guān)系

3 結(jié)論

本文利用模型試驗(yàn)研究的方法，對(duì)輸水渠道冰蓋厚度變化規(guī)律進(jìn)行研究，獲得的主要結(jié)論如下：

（1）在流速相同的條件下，復(fù)式斷面渠道的冰蓋厚度生長速率相較于梯形斷面偏大，并且冰蓋的最大厚度也較大；無論何種斷面渠道，靜水條件下的冰蓋生長速率最快，且隨著渠道流速的增加而不斷變慢；在靜水條件下，兩種不同斷面形式渠道的最大冰厚比較接近，而動(dòng)水條件下存在較大的差距。

（2）靜水工況下冰蓋厚度隨時(shí)間基本呈線性增長態(tài)勢(shì)；在動(dòng)水工況下，冰蓋厚度的增加呈現(xiàn)出開始增長較快，之后逐漸趨于穩(wěn)定的特征。

（3）為了保證冰期輸水渠道的運(yùn)行安全，防止冰壩、冰塞等災(zāi)害情況的出現(xiàn)，迅速形成穩(wěn)定、厚實(shí)的冰蓋更為有利。因此推薦采用復(fù)式斷面灘地部分低流速輸水，以促進(jìn)冰蓋的形成和加厚。

（4）研究中給出了靜水和動(dòng)水條件下復(fù)式斷面渠道冰蓋厚度的計(jì)算公式，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。