高寒区复式渠道冰盖形成规律试验研究

发布时间：2020-10-15 10:07

　　 我国地域辽阔南北水土资源极不平衡,随着经济社会的快速发展,作为北方旱寒区水资源优化配置生命线工程的大型输配水工程及调水工程建设非常迅速,冬季输水需求越来越大。实践表明:高寒区的复式断面渠道不仅能适应冬夏输水流量大幅变化的需求又因缩窄冬季水面而有利于保温输水,但鲜有复式断面渠道冰盖生成过程以及冰盖输水运行过程的研究,以至于无法从理论上对复式断面渠道的冰盖输水问题进行分析。所以,本文以复式断面渠道为研究对象在水工低温模拟实验室内对其冰盖形成过程和冰盖输水运行过程开展了试验研究,并且对比研究了梯形断面渠道的冰盖形成过程,最后结合数值模拟比较分析了复式断面渠道和梯形断面渠道的表面流速以及冰盖发展对流速和热输送系数的影响。主要研究内容和成果如下:(1)设计了一套系统考虑了水力学、热力学、气象学以及渠道几何边界特征的渠道冰盖形成规律试验的研究方法和测试手段。(2)通过试验数据分析可知:在相同的流量条件下,与梯形断面渠道相比,复式断面渠道具有岸冰形成较快且较厚、中间主槽部分的冰盖形成较慢的特点,故其相比梯形断面渠道更易生成稳定结实的岸冰,也可以延长冬季主槽的输水时间。(3)通过冰盖厚度与累计小时负气温关系给出渠道静冰冰盖厚度的直接计算公式;基于Stefan度-日法,给出渠道的动静冰冰盖厚度直接计算公式;利用试验数据率定出渠道岸冰增量计算公式。(4)通过对复式断面渠道进行冰盖输水运行试验可知:小流量归主槽输水可在冰盖和中间空气层的共同保温作用下延缓主槽内冰盖的发展从而延长冬季输水时间,并且中间保温层的厚度对于主槽内冰盖生长有很大的影响。在分析了冰盖厚度生长机理的基础上,考虑冰盖保温作用、中间空气层保温作用以及水位降幅等因素,根据热力学理论提出冰盖输水冰冻度-日法。(5)结合数值模拟分析可知:在相同的流量条件下,复式断面渠道的滩地部分表面流速小于梯形断面渠道的表面流速,而复式断面主槽部分表面流速大于梯形断面的表面流速;小流量时复式断面仅主槽过水的情况下,主槽的表面流速大于梯形断面渠道的表面流速。复式断面滩地冰盖厚度以及岸冰发展速度受到表面流速和热交换的影响。综上可知:复式断面渠道相比梯形断面渠道在相同热力,水力等条件下,能生成稳定安全的较厚的冰盖;而在冰盖宽度上,复式断面相比梯形断面发展较慢,即可延长冬季主槽的输水时间。考虑到冬季流量较小,复式渠道多运用主槽输水,窄深式的主槽相比于梯形断面难以结冰盖,从而可以通过控制水位在滩地生成冰盖后,降低水位利用主槽进行冰盖输水。该研究成果将为现有的复式断面渠道冰盖输水问题提供理论依据,有助于解决北方寒冷地区冬季输水困难的难题。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TV672
【部分图文】：

图 1-1 冰塞现象Fig.1-1 Ice jam图 1-2 冰坝现象Fig.1-2 Breakup jam为了提升高寒区冬季供水能力，满足冰期输水安全的要求。在冰期，必然需要做好输水工程的管理、调控和运行等工作，一旦出现工作失误，将造成冰期输水工作失败，使得人们冬季用水困难，更加严重时，会造成惨重的生命和财产的损失。考虑到渠道工程的可控性优于天然河道，针对高寒区渠道能力提升的需求，突破渠道极低温运行的技术瓶颈，寒区渠道冰盖输水被广泛采用。例如：在国外，前苏联修建的额尔齐斯-卡拉干达（Irtysh karaganda）、北顿涅茨克顿巴斯（North donetskdonbas）等长达几百公里的渠道，在寒冷的季节采用冰盖输水；而在国内，比如：引黄济青冬季输水、京密冬季引水、引溧入津冬季输水工程等也都通过采取各种措施来控制流量、减少流速和稳定水位，实现冰盖下的安全输水（张成等 2006）。在冬季输水工程中，对于输水工程的管理、调控和运行的主要工作内容是保证在冬季输水渠道上生成稳定的平封冰盖，并通过控制水位保证水流可以在冰盖下平稳安全地流动；特别需要防止不稳定冰盖的生成，一旦该类冰盖生成，极易在渠道中生成

图 1-1 冰塞现象Fig.1-1 Ice jam图 1-2 冰坝现象Fig.1-2 Breakup jam为了提升高寒区冬季供水能力，满足冰期输水安全的要求。在冰期，必然需要做好输水工程的管理、调控和运行等工作，一旦出现工作失误，将造成冰期输水工作失败，使得人们冬季用水困难，更加严重时，会造成惨重的生命和财产的损失。考虑到渠道工程的可控性优于天然河道，针对高寒区渠道能力提升的需求，突破渠道极低温运行的技术瓶颈，寒区渠道冰盖输水被广泛采用。例如：在国外，前苏联修建的额尔齐斯-卡拉干达（Irtysh karaganda）、北顿涅茨克顿巴斯（North donetskdonbas）等长达几百公里的渠道，在寒冷的季节采用冰盖输水；而在国内，比如：引黄济青冬季输水、京密冬季引水、引溧入津冬季输水工程等也都通过采取各种措施来控制流量、减少流速和稳定水位，实现冰盖下的安全输水（张成等 2006）。在冬季输水工程中，对于输水工程的管理、调控和运行的主要工作内容是保证在冬季输水渠道上生成稳定的平封冰盖，并通过控制水位保证水流可以在冰盖下平稳安全地流动；特别需要防止不稳定冰盖的生成，一旦该类冰盖生成，极易在渠道中生成

图 1-3 平封冰盖Fig.1-3 Flat sealing ice cover图 1-4 立封冰盖Fig.1-4 Vertical sealing ice cover在水力学中，弗劳德数 Fr 是用来确定水流动态如急流、缓流的一个量纲为一的数值，表征水的惯性力与重力之比，其公式如下：（1-1）式中：v 为水的平均流速，m/s；h 为水深，m；g 为重力加速度，m/s2。在流速低的河段，漂浮的冰块以平铺上溯的模式形成冰盖。根据 Pariset 和 Hausser（1961），当水流弗汝德数 Fr 小于临界弗汝德数 Frc时，冰盖以平封模式形成厚度约等于单个冰块的单层冰；当 Fr 大于 Frc时，冰盖发展采用立封模式或者不能向前推进；存在一个最大的 Frm，当流速大于 Frm时，冰盖不能向前推进，水面流冰下潜至冰盖底部堆积，形成冰塞。不同水流条件下的推进模式如下表 1-1，临界弗汝德数 Frc的计算可利用式（1-2）： 1 21 2 1 1i i i it t tf g eFr （1-2）
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本文编号：2842035