阿達(dá)來提,侯 杰,喻尚生

(1.新疆水利廳喀什噶爾河流域管理處,新疆 喀什844000;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊830052;3.新疆天山源水管理有限公司,新疆烏魯木齊 830049)

1 新疆的地理、氣候及水文特征

新疆維吾爾自治區(qū)位于中國西北部,東經(jīng) 73°30′～ 96°30′,北緯 34°10′～ 49°30′之間,面積 166×104km2,約為中國國土面積的六分之一,是中國土地面積最大的省區(qū)。

1.1 新疆的地形特征

新疆的地形特征是山脈與盆地相間排列,盆地被高山環(huán)抱,俗喻“三山夾兩盆”。北為阿爾泰山,南為昆侖山,天山橫亙中部,把新疆分為南北兩半,習(xí)稱天山以北為北疆,天山以南為南疆。北疆的阿爾泰山和天山中間夾著準(zhǔn)格爾盆地,南疆的天山和昆侖山中間夾著塔里木盆地。三大山脈海拔高程在4 000 m～8 000 m,山勢巍峨,山體寬廣。盆地邊緣的平原地帶海拔高程在300 m～1 200 m。山脊與盆地邊緣的平原之間海拔高差一般在3 000 m～6 000 m,高差懸殊。

1.2 新疆的氣候特征

新疆的地域遼闊,地跨北緯 34°10′～ 49°30′,緯度跨度大,加之垂直海拔高程由-155 m(艾丁湖)至8 611 m(喬戈里峰),海拔高差很大,造成新疆的氣溫變化特點(diǎn)是溫差變化大,其極值變幅為-51.5℃～48.9℃。較高緯度和較高的海拔高程,使新疆的冬季比較寒冷,無霜期一般150 d左右,屬典型的高寒地區(qū)。

1.3 新疆的水文特征

新疆的地理位置是深居歐亞大陸中部,遠(yuǎn)離海洋,氣候干旱。但是,中緯度西風(fēng)環(huán)流給新疆天空的水汽輸送提供了有利條件,高大山脈阻擋并抬升水汽形成山區(qū)較多的降水。由此形成新疆年降水量的地域分布很不均勻,總的趨勢是北疆多、南疆少;西北部多、東南部少;山區(qū)多、平原、盆地少。年降水量由西北向東南遞減。山區(qū)年降水量為300 mm～600 mm,平原綠洲區(qū)年降水為20 mm～250 mm。夏季洪水期流量很大,冬季枯水期流量很小,洪枯比一般在數(shù)百乃至上千。冬季寒冷,河道的流冰期長,一般為100 d～120 d,水流量小而冰流量卻很大,河道中的冰水比可達(dá)1∶4～1∶2。

2 新疆輸水工程冰害概述

新疆的輸水工程冰害問題主要以引水式水電站和引水樞紐工程最為突出。引水式電站冬季運(yùn)行方式基本上有兩種,一種是結(jié)冰蓋運(yùn)行方式,主要在新疆的高寒地區(qū)使用。另一種是輸排冰運(yùn)行方式,尤其以輸排冰運(yùn)行方式冰害問題較多。輸水工程冰害的形式主要有:

引水渠首:引水渠首前的河道封凍,造成冰上水、水上冰,導(dǎo)致河道清溝改道而無法引水。而冰洪造成冰壩,堵塞進(jìn)水閘,也無法引水。

輸水渠道:輸水渠道冰凌密度過大,形成冰塞,使渠道封凍,冰水漫堤;岸冰嚴(yán)重形成冰橋而造成冰堵、封凍使冰水漫堤;渠道上建筑物阻水而造成冰堵。

排冰閘:排冰閘結(jié)構(gòu)設(shè)計不盡合理,其平面方向及位置布置不當(dāng),或排冰尺寸偏小,造成排冰不暢。

閘門:閘門與門槽被凍結(jié)在一起,使閘門不能開啟。

3 新疆輸水工程冰害產(chǎn)生的主要原因

3.1 氣溫低,冰凍期長

新疆地處高寒地區(qū),冬季氣溫一般在-10℃～-40℃之間,極端最低氣溫達(dá)-50.8℃。年累計日平均負(fù)氣溫在-1000℃～-1500℃之間。年負(fù)氣溫持續(xù)時間約為130 d。

3.2 輸水流量小,冰流量大,流冰期長

新疆河流大部分為山溪性河流,其水源大部分為冰雪融化,冬季流量小,冰流量卻很大,而流冰期又長達(dá)百余天,容易造成輸水渠道的冰堵、冰塞和冰水漫溢等冰害。

3.3 對冰害的認(rèn)識不足、設(shè)計不當(dāng)

由于對輸水工程中的冰害問題沒有足夠的認(rèn)識,特別是早期輸水工程的設(shè)計在防冰害措施方面存在著諸多的問題,使有些工程一開始運(yùn)行就面臨著冰害的威脅,甚至被迫停產(chǎn),造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

新疆有代表性水電站的特性、冬季運(yùn)行方式及運(yùn)行情況見表1。

表1 新疆有代表性水電站特性、冬季運(yùn)行方式及運(yùn)行情況

4 輸水工程冰害防治的研究

由于新疆輸水工程,尤其是引水式電站冬季冰害問題不能有效解決,使大多數(shù)電站冬季不能正常運(yùn)行,嚴(yán)重時被迫停電,并且常年投入大量人力、物力和財力排除冰害,造成生產(chǎn)效率低下。上述冰害問題迫使研究、設(shè)計和管理技術(shù)人員對冰害的防治問題進(jìn)行了長期的研究,不斷地探索和實(shí)踐,總結(jié)出“蓄冰、結(jié)冰蓋、融冰、輸冰、排冰”等經(jīng)驗(yàn),取得了一些研究成果。

4.1 蓄 冰

蓄冰是修建蓄冰庫。其作用是將河道冰凌攔蓄在蓄冰庫內(nèi),引進(jìn)不含冰凌的清水,使輸水渠道無凌或少凌,保證冬季運(yùn)行安全。尤其對采取輸排冰運(yùn)行方式的梯級電站,若在一級渠首修建蓄冰庫,梯級各站均能受益,且無需再排冰耗水,提高了冬季出力,效益非常明顯。

蓄冰庫有攔河式和注入式兩種。攔河式蓄冰庫一般修建在引水渠首,而注入式蓄冰庫多建于引水渠道沿線的天然洼地或山溝。

蓄冰庫庫容除按一般水庫原則計算外,其蓄冰部分的容積應(yīng)按周期最大來凌容積確定,并注意以下問題:

(1)考慮到冰凌可沿河向上游堆積相當(dāng)距離,實(shí)際蓄冰庫容可超過夏季庫容兩倍以上。

(2)蓄冰庫應(yīng)采用胸墻式進(jìn)水閘,保證閘頂有足夠水深,避免潛流挾冰進(jìn)入引水渠道。

(3)蓄冰庫應(yīng)采用攔河閘式。為了避免蓄冰庫庫容被泥沙淤積,汛期應(yīng)采用低水位排沙運(yùn)行,以保證蓄冰庫的有效庫容。

采用蓄冰庫方案比較成功的是石灰窯水電站,自1976年投入運(yùn)行以來從未發(fā)生冰害而影響發(fā)電。

4.2 結(jié)冰蓋

結(jié)冰蓋運(yùn)行方式早在20世紀(jì)50年代初期就已成功應(yīng)用于新疆阿勒泰地區(qū),之后逐漸推廣到全新疆。其基本做法是在結(jié)冰蓋期間,利用氣溫驟降條件抬高引水渠道水位到結(jié)冰蓋的最高水位,降低水流流速至0.5 m/s左右,在較短的時間內(nèi),整個渠道初步形成完整的冰蓋。之后,在冰蓋上每隔一段距離人工打冰洞,使冰洞向冰蓋上溢水再結(jié)冰,以增加冰蓋厚度,達(dá)到冰厚要求,最終整個引水渠道形成完整的全封閉冰蓋。然后降低引水渠道水位,使冰蓋和水面之間形成保溫層(空氣層),水流與冷空氣隔絕,避免了再生冰的形成,并可融化一部分入渠的冰凌。結(jié)冰蓋運(yùn)行方式要求引水渠道水位比較穩(wěn)定,以避免破壞冰蓋[1]。

4.3 融 冰

式中:KT為綜合系數(shù)(km/℃),可查表2;Qs為泉水或井水流量(m3/s);ts為泉水或井水溫度(℃);Qm為混合后渠水流量(m3/s)。

融冰主要有增溫法、壓力水射流法和加熱法。

4.3.1 增溫法

是增加輸水渠道的水溫。增加水溫的途徑基本有兩類,一類是將水溫較高的天然泉水和火電廠的冷卻水引入輸水渠道,另一類是打井抽取地下水引入輸水渠道。

新疆瑪納斯河四級電站采用引天然泉水輸入渠道,泉水溫度7℃,流量3 m3/s,占冬季渠道引水流量的 25%,增加引水渠道的水溫,保證了輸水渠道冬季正常運(yùn)行。

冬季渠道不結(jié)冰長度LT(km)的計算可采用新疆水利水電勘測設(shè)計研究院鐵漢的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式:

表2 綜合系數(shù)KT值表(km/℃)

新疆沙灣縣金溝河水電站采用打井抽取地下水引入渠道增加水溫的措施,冬季抽取井水的水溫是6.5℃,井水流量0.24 m3/s,占渠道流量的15%,保證了輸排冰方式的正常運(yùn)行。新疆瑪納斯河二級電站采用了該方法后,解決了長期困擾冬季安全運(yùn)行的冰凍問題。

增溫融冰一方面有效地解決了輸水渠道冬季的安全輸冰問題,同時增加了引水流量,增加了發(fā)電量,經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

4.3.2 壓力水射流法

是在建筑物與冰層之間,用壓力水射流沖開一條保持不結(jié)冰的水帶,避免水工建筑物與冰層凍結(jié)在一起,以防靜冰壓力作用在水工建筑物上。

射流法的應(yīng)用條件:

底層水溫補(bǔ)給的熱量應(yīng)大于1m寬不凍水域的熱量損失

式中:Qp為潛水泵流量(m3/h);tw為潛水泵放置水深處的水溫(℃);E為飽和水壓(hPa),按氣溫查表;ta為最低氣溫(℃);W為最冷月的最大風(fēng)速(m/s);L為不凍水域的長度(m);K為安全系數(shù),K=1.5。

融化速度

式中:Δδ為融冰長度(m);ΔT為融冰時間(h);φ為射流孔直徑(m);V0為射流孔出口流速(m/s);tw為潛水泵放置水深處的水溫(℃);ht為射流管水深(m)。

潛水泵的揚(yáng)程應(yīng)大于2倍潛水泵放置水深;潛水泵放置水深處的水溫不應(yīng)低于0.2℃;射流管的放置水深為150 mm～300 mm。

壓力水射流法具有設(shè)備簡單、投資少、不占場地、安裝操作維修方便、運(yùn)行效果良好等優(yōu)點(diǎn)。

4.3.3 加熱法

有電熱空氣、電熱水和電熱油3種形式,通過管狀電熱器將保溫介質(zhì)空氣、水和油加熱,主要用于閘門、欄污柵等金屬結(jié)構(gòu)的防冰凍。

4.4 輸 冰

輸冰是輸水渠道采用輸送冰凌的運(yùn)行方式。影響渠道輸冰的技術(shù)條件雖很多,但輸冰流速是主要技術(shù)條件。實(shí)踐與研究證明,采用原蘇聯(lián)波達(dá)波夫公式計算輸冰流速比較合適[2],即:

式中:Vk為輸冰流速(m/s);C為渠道謝才系數(shù);Di為冰凌顆粒直徑(m);hi為冰凌厚度(m)。

輸水渠道輸冰的技術(shù)條件:

(1)保證輸水渠道的輸冰流速在1.2 m/s～1.5 m/s;

(2)輸水渠道選線應(yīng)平直而少取彎道,而設(shè)置彎道時,彎道半徑應(yīng)大于10倍渠道的設(shè)計水面寬度;

(3)對于冬夏季流量變幅較大的輸水渠道,可采用復(fù)式斷面渠道,以保證冬季小流量在下部小斷面內(nèi)獲得較大的輸冰流速和較大的水深,進(jìn)而安全輸冰;

(4)對于水電站的壓力前池,由于其過水?dāng)嗝嫱蝗粩U(kuò)大而使流速突然降低而不利于輸排冰。為了保證一定的流速,一是降低壓力前池運(yùn)行水位,二是縮小前室過水?dāng)嗝?可采取平面縮窄(設(shè)置垂直分隔墻),或垂直縮窄(設(shè)置活動分層隔板)。如新疆勿甫二級電站前池采用上下兩層隔板,冬季裝上分層隔板,增大了前池流速,運(yùn)行良好[3]。

4.5 排 冰

排冰是將渠首或輸水渠道的冰凌通過水力或機(jī)械的方法排除掉。

4.5.1 水力排冰

水力排冰主要是依靠排冰閘排除冰凌,其成敗的關(guān)鍵是排冰閘的布置形式。排冰閘的布置形式可分為:正向排冰正向引水,正向排冰側(cè)向引水,側(cè)向排冰正向引水和彎道排冰等形式。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,以正向排冰的效果最佳,彎道排冰是正向排冰的特例,而側(cè)向排冰的效果最差[4]。

排冰閘的結(jié)構(gòu)形式以舌瓣閘門為最好。

4.5.2 機(jī)械排冰

機(jī)械排冰是利用機(jī)械排除冰凌。目前普遍采用的是新疆瑪納斯河五級電站于20世紀(jì)70年代發(fā)明的回轉(zhuǎn)柵式攔污排冰機(jī)[5]。夏季清污,冬季排冰,一機(jī)多用,效果良好。既節(jié)約了排冰用水,又增加了發(fā)電量,經(jīng)濟(jì)效益顯著。經(jīng)過30余年的不斷改進(jìn)和完善,已在新疆得到廣泛應(yīng)用,其推廣應(yīng)用前景廣闊。

5 高寒地區(qū)輸水工程冰害防治研究的展望

幾十年來,新疆的科研、設(shè)計和管理技術(shù)人員對輸水工程的冰害防治問題進(jìn)行了長期的研究、不斷的探索和實(shí)踐,總結(jié)出正反兩方面的經(jīng)驗(yàn),取得了一些研究成果,很多研究成果成功地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐,并取得了滿意的效果。

但是,由于種種原因,新疆輸水工程冰害研究現(xiàn)狀還不能滿足生產(chǎn)需要。特別是近年來,隨著國家建設(shè)逐漸向中西部傾斜,新疆已被列為國家糧棉基地和能源(石油和煤炭)基地,而制約新疆發(fā)展的仍然是“水”。

新疆地域遼闊,水資源分布極不均勻,為了解決經(jīng)濟(jì)開發(fā)帶(區(qū))的日益增長的用水需要,目前正在實(shí)施“引額濟(jì)克”和“引額濟(jì)烏”調(diào)水工程。該工程是將新疆最北部的額爾齊斯河水跨流域長距離地首先輸送到油城—克拉瑪依市(187 km),再穿越準(zhǔn)葛爾盆地,輸送至以烏魯木齊市為中心的經(jīng)濟(jì)開發(fā)帶(394 km)。

為了解決新疆塔里木盆地石油及豐富的后備耕地資源的開發(fā)用水需要,具有戰(zhàn)略意義的“南水西調(diào)”工程的研究已開始[6]。一期工程“引通入塔”是將長江上游通天河水引入塔里木盆地,全長約1 180 km,年引水量50×108m3。二期工程“引雅入塔”是將雅魯藏布江水引入塔里木盆地,全長約1 540 km,年引水量150×108m3。2010新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)校長基金項(xiàng)目“西部南水西調(diào)戰(zhàn)略調(diào)研”也已經(jīng)啟動。

上述調(diào)水工程在海拔2 700m～4260m高原的高寒地區(qū)實(shí)施,必將面臨著諸多新的研究課題。特別是長距離、大流量、極寒冷條件下明渠輸水的冰害問題就是諸多重要研究課題之一。而研究的方法和手段如原型觀測、模型試驗(yàn)以及數(shù)學(xué)模型在原有的基礎(chǔ)上應(yīng)有所創(chuàng)新和突破,才能較好地完成上述科研課題。

總之,隨著新疆水利工程建設(shè)力度的不斷加大,一大批國家和自治區(qū)重點(diǎn)項(xiàng)目陸續(xù)建設(shè)。特別是以新疆“北水南調(diào)”和“南水西調(diào)”為主的大規(guī)模的調(diào)水工程實(shí)施,使新疆輸水工程冰害防治研究將面臨著許多新的課題,需要我們?nèi)パ芯?、解決。

[1] 李秀唐.新疆引水式水電站冰凍期運(yùn)行探討[J].新疆水利科技,1980,(3):37-39.

[2] B.M.波達(dá)波夫.引水道式農(nóng)村水電站的冰凍問題[M].北京:水利水電出版社,1959,81.

[3] 朱瑞森.引水式水電站冬季安全運(yùn)行對水工設(shè)計上的要求[J].新疆水利科技,1980,(3):41-45.

[4] 侯杰,周 著,惠遇甲,等.新疆引水式電站輸排冰的試驗(yàn)研究[J].水力發(fā)電,1997,(12):47-49.

[5] 鐵漢.引水式水電站壓力前池的欄污柵[J].新疆水利科技,1980,(3):50.

[6] 楊力行,鄭祖國,姜卉芳,等.南水西調(diào)初步設(shè)想——兼論水資源的高效利用與合理調(diào)配[J].八一農(nóng)學(xué)院學(xué)報,1995,(1):36-41.