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书名：寒区电站引水渠道抽水融冰理论与实践
定价：98.0
ISBN：9787030562272
作者：宗全利
版次：1
出版时间：2018-02
内容提要：
本书以新疆玛纳斯河流域红山嘴电站引水渠道为研究对象，采用原型试验、概化水槽试验、理论分析与数值模拟相结合的方法，开展了引水渠道抽水融冰机理、水温沿程变化规律、引水渠道不冻长度计算、单井和多井融冰过程模拟、井群优化布置等研究，*终获得了不同水力、热力、气候条件下抽水融冰运行优化参数，可为解决寒区引水式电站冬季运行冰害提供科学依据。
目录：
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 研究现状及存在问题 3
1.2.1 影响水电站运行的冰类型 3
1.2.2 冰对水电站建筑物及设备的影响 5
1.2.3 水电站常用防冰措施 8
1.2.4 抽水融冰技术应用现状 10
1.2.5 冰水二相流研究方法 11
1.2.6 存在问题 14
1.3 选题意义及研究内容 14
1.3.1 选题意义 14
1.3.2 研究内容 16
第2章 引水渠道抽水融冰机理 18
2.1 玛纳斯河流域概况 18
2.1.1 自然地理位置及自然概况 18
2.1.2 流域地形、地貌及河相 19
2.1.3 流域气候特征 19
2.1.4 玛纳斯河水系特征 20
2.1.5 玛纳斯河水文特征及演变规律 21
2.2 红山嘴电站概况 23
2.3 引水渠道及冰情概况 24
2.4 抽水融冰井的基本概况 25
2.5 抽水融冰机理 29
2.5.1 引水渠道冰害形成过程 29
2.5.2 抽水融冰基本原理 30
2.6 引水渠道冬季运行的设计要求 31
2.6.1 结冰的引水渠道 32
2.6.2 不结冰的引水渠道 33
2.6.3 供输送冰凌和冰块用的引水渠道 33
2.6.4 输凌情况下渠道中的水流速度 35
2.6.5 渠道转弯的允许半径 38
2.6.6 根据冰凌冰结条件确定的稳定流渠段的*大长度 42
2.7 引水渠道消除冰害的设计方法 43
2.7.1 由渠道输凌 43
2.7.2 在渠道中形成冰盖层 47
2.8 本章小结 49
第3章 抽水融冰原型试验 51
3.1 试验方案 51
3.2 试验结果及分析 52
3.2.1 观测期间气温变化 52
3.2.2 融冰井及引水渠道水温 52
3.2.3 融冰井后明渠沿程水温变化规律 54
3.2.4 水井前后5m附近明渠水温变化规律 54
3.2.5 引水渠道沿程水温变化规律 55
3.3 本章小结 58
第4章 抽水融冰概化水槽试验 59
4.1 试验平台搭建 59
4.1.1 试验装置 60
4.1.2 试验方案 61
4.2 水温沿程变化规律 64
4.2.1 无井水注入 64
4.2.2 单井注水 65
4.2.3 双井注水 75
4.2.4 多井注水 82
4.3 冰花密度变化规律 90
4.3.1 渠水流量对冰花密度影响规律 90
4.3.2 井水流量对冰花密度影响规律 92
4.3.3 气候条件对冰花密度影响规律 94
4.4 渠水合流速的影响规律 95
4.5 本章小结 97
第5章 抽水融冰引水渠道不冻长度计算 99
5.1 研究背景 99
5.2 不冻长度的理论分析 100
5.3 计算结果及分析 104
5.3.1 红山嘴电站引水渠道实测结果 104
5.3.2 红山嘴电站引水渠道不冻长度计算 105
5.3.3 与其他公式的对比 109
5.3.4 不冻长度的影响因素分析 110
5.4 本章小结 113
第6章 单井条件下抽水融冰过程概化模拟 115
6.1 研究背景 115
6.2 抽水融冰基本数学模型及验证 116
6.2.1 基本数学模型 116
6.2.2 基本数学模型验证 118
6.3 红山嘴电站引水渠道单井抽水融冰模型建立 123
6.3.1 计算模型及网格生成 123
6.3.2 边界条件 124
6.4 模拟结果及分析 124
6.4.1 模拟结果与实测结果对比 124
6.4.2 不同边界条件下水温变化过程模拟 126
6.4.3 流量与温度同时变化对抽水融冰效果的影响 130
6.5 本章小结 132
第7章 多井条件下抽水融冰过程概化模拟 134
7.1 研究背景 134
7.2 红山嘴电站引水渠道多井抽水融冰模型建立 135
7.2.1 研究区域 135
7.2.2 模型建立及网格生成 136
7.2.3 求解方法和边界条件 137
7.3 模拟结果及分析 138
7.3.1 模拟结果验证 138
7.3.2 水流速度和温度模拟结果分析 139
7.4 不同边界条件下水温变化过程模拟 142
7.4.1 井水流量变化对渠道混合水温的影响 142
7.4.2 井前渠道水温变化对渠道混合水温的影响 144
7.5 井群合理优化布置 145
7.5.1 不同井前渠道流量条件下井群的合理布置 146
7.5.2 不同大气温度条件下井群的合理布置 146
7.6 本章小结 147
第8章 抽水融冰数学模型在水温分层型水库中的应用 149
8.1 水库水温的变化特性 149
8.2 抽水融冰水温模型在分层水库的应用 150
8.2.1 水动力学方程 150
8.2.2 温度方程 152
8.2.3 边界条件 152
8.2.4 工程实例 153
8.2.5 结果分析与讨论 153
8.3 本章小结 162
参考文献 163
在线试读：
第1章 绪论
我国高纬度地区河流在冬季经常形成冰盖、冰塞或冰坝，冰情比较严重的地区有：新疆地区、东北地区和黄河流域，其中新疆由于地形复杂、气候特征等不同，形成的河流冰情与其他地区有所不同。中华人民共和国成立以来，为了满足当地经济和社会发展需要，西北的新疆、甘肃、青海三省（区）修建了大量水电工程，其中多数为引水式水电站，这些水电站的引水渠道冬季运行会产生不同程度冰害，这不仅影响渠道输水能力，对农业生产和人民生活等都会产生一系列影响，因此引水渠道冰害是寒区引水式电站冬季运行必须解决的一个关键问题。
1.1 研究背景和意义
我国西北部地区海拔高，位于高寒地带，冬季漫长、气温低，流冰期长。如新疆玛纳斯河流域年平均气温5.9℃，历年*低气温-39.8℃，每年负气温持续天数平均130多天，冬季累积负气温平均为-1454℃，属典型高寒地区。为了满足当地经济和社会发展需要，我国修建了大量水电工程，中华人民共和国成立后至20世纪80年代，仅西北新疆、甘肃、青海三省（区）就已建成中小型水电站1400余座，其中多数为引水式水电站（王瑞庭，1982）。为了获得一定发电水头，引水式电站一般修建几公里至几十公里的引水渠道（高霈生和靳国厚，2003）。在电站冬季运行中，引水渠道中的冰花层层冻结，逐渐加厚，甚至完全堵塞过水断面，形成冰害，使得渠道输水能力大大降低，甚至出现冰水漫堤、渠道损坏等现象，对周围生态环境、渠道安全输水及水电站安全发电等都产生很大影响（吕德生等，2004）。因此，引水渠道冰害是高寒地区引水式电站冬季运行必须解决的一个关键问题。
目前，水电站引水渠道冰害防治的主要方法有：渠首蓄冰运行、渠首排冰运行、渠道冰盖运行、渠道排冰运行及渠水增温运行等（邓朝彬，1986；杨芳，1995；李长军和王铁军，1999；黄惠花，2010）。渠水增温运行是一种比较理想的解决冻害的方法，该方法主要是给渠道来水补充热量，以提高水温，使引水渠道不结冰，保证冬季输水畅通。渠水增温运行既可消融冰花，省去排冰消耗的人力和水量（一般冬季约30%～50%水量要用来排冰），又可增加发电水量，同时可控性较强。增温方法主要有引泉水融冰和抽取地下水融冰两种，其中引泉水融冰主要在泉水资源丰富地区才可能应用，我国仅在青海省祁连县牛板筋水电站有所应用，该水电站从1978年引泉水入渠后，渠内水温增*0.8℃，使全长2.7km的渠道内冰花消融，冬季运行正常（杨芳，1995）；与引泉水融冰相比，抽取地下水融冰（简称抽水融冰）应用范围则不受此限制，只要当地有可利用地下水资源均可应用。
实践证明，在高寒地区应用抽水融冰解决水电站冬季运行冰害是一项经济安全可行的技术措施。但该技术许多关键问题，如抽水融冰机理、引水渠道水温沿程变化规律、引水渠道不冻长度理论计算、单井和多井运行参数变化模拟、井群优化布置等都是依靠经验，缺少理论计算依据，导致该技术在应用中出现较多问题。如2011年冬季，新疆红山嘴电站遭受了本地区1956年以来降温幅度*大、持续时间*长的一次强降温天气，虽然将抽水融冰井泵全部投入运行，但一级电站前池及渠系仍然结冰严重，需要人工打冰（图1.1）。可见该电站抽水融冰设计和计算存在一定问题，抽水融冰应用的一些关键理论及技术问题迫切需要解决。
图1.1 2011年新疆玛纳斯河红山嘴电站引水渠冰害情况
图片来源于2012年红山嘴电站厂区宣传栏
随着新一轮西部大开发战略的实施，今后西部地区将成为经济和生态发展的重要地区，因此以新疆玛纳斯河红山嘴电站冬季抽水融冰为研究对象，采用原型观测、水槽试验、理论分析和数值模拟等方法，对抽取地下水对渠道水内冰的融解机理，对引水渠沿程水温及典型断面水温变化规律、冰花密度和冰水合流速沿程变化规律，水力、热力和气候条件与不冻长度之间定量关系式，以及井群优化布置等一系列问题进行研究，为引水式电站冬季运行抽水融冰提供理论依据与技术支持，保障高寒区引水式电站能够全冬季发电，对当地居民生态环境、生活生产等方面均具有重要意义。
1.2 研究现状及存在问题
1.2.1 影响水电站运行的冰类型
冰对水电站各种枢纽及各个构成部分的影响多种多样，并与河流挟带的或水工建筑物范围内结成的冰的种类、数量，气温和其他气象条件，挟冰水流的水力状况，以及各种水工建筑物结构形式等因素有关。
下面列举的各种冰类型均会对水电站产生重要影响（图1.2）。
图1.2 引水渠道中形成冰的类型
1）面冰
面冰主要结于水面，在寒冷空气的影响下，因结晶作用或由于大量冰凌及冰上的积雪覆盖层冻结而成的。冰的密度从0.92g/cm3（结晶冰）至0.85g/cm3（多孔的凌成冰或雪成冰）不等。水电站管理人员所见到的水盖层厚度，在每年冬季里各不相同。在水工建筑物附近观察所得的*大冰层厚度一般为1m，观测的冰层厚度增长的*大速度为每昼夜2cm。解冻天气时，冰盖层的融化速度超过其增长速度4～6倍（杜一民，1959）。
2）挂结冰
挂结冰是结在水工建筑物和闸门表面的结晶冰，由许多薄层冻结而成。这种冰的强度很高，同时它的温度和气温相近。由于冷气积蓄在冰层内，挂结冰的融化很缓慢。
3）冰凌
冰凌是一种疏松的冰团，根据水流速度的不同形成大小不等的零散颗粒，遍布在水流深度处游动或成片地在水面上浮动。冰凌常以不同的形状出现：片状和针状的冰凌是活动性*强的一种冰凌，易于冻结在它所绕流过的物体表面；扁豆状和球状的冰凌多出现在山区河流，易于通过各种水工建筑物而不冻结在建筑物的表面。河流所挟带冰凌数量在个别情况下可能达到河流数量的10%～15%。冰凌颗粒不冻结在一起时的凌团密度为0.6～0.65g/cm3。随着水流速度增加，冰凌颗粒就逐渐地被带入水流深处。不致发生散裂的片状冰凌的*大流动速度是1.8～2.0m/s，如图1.3所示，图中，S为冰凌浓度，g/cm3；So为表面冰凌浓度，g/cm3；u为流速，m/s；z为水深，m。
图1.3 水流中水内冰的浓度示意图
4）底冰
底冰是分布在河底上，在具有适合冻结和聚集等水利条件的区域形成的水内冰。底冰有两种：一种是结晶底冰，是水内冰晶体增大使得水底结冰增多所致；另一种是集结底冰，是冰的零散颗粒在水压力作用下碰到障碍物或相互碰撞到一起冻结而成。
底冰是否沉陷，是由水流的冰冷程度，以及冻结后的底冰所受的浮力与其同河底的黏结力之间的关系来确定。漂浮后的底冰如同冰凌一样游动于水流中。
5）雪凌
雪凌是水流挟带的雪团，由于降雪或暴风雪的刮送，雪落到河中。雪凌具有不同的形状，视河水的冰冷程度和雪片的温度而定。当水温零度时，雪团是疏松的，碰到途中的物体极易散开；当水和雪的温度低于零度时，雪团就变得密实，且具有较高的冻结性。河流中的雪量各不相同，主要视暴风雪活动猛烈流域的长度（或水电站引水渠道长度）而定。
下面所列举的冰冻作用，也会影响水电站的各种建筑物。
1）流冰
流冰是面冰于某一时间内在河道或渠道中的稳定流动。对于平原河流，这种现象在春、秋两季表现的特别显著。对于山区河流，河中流冰只是在解冻天气时才发生，这是一种短期的现象。
2）流凌
流凌是冰凌或雪凌于一定时间内在河道中的稳定流动。一次流凌时间可达5～6昼夜而不停歇。根据高加索许多河流的观测结果，流凌的平均时间为14h（杜一民，1959）。
3）封冰
封冰是面冰在河道、渠道或水池表面上结成稳固的冰盖层。
4）冰锥或冰堆
冰锥或冰堆是大批冰块在河道或渠道某一区段上的混乱集积，因而使冰块及冰凌的流动发生障碍。
由于冰流均是以多种多样冰的结合形式流入水电站取水建筑物，受单一种类冰的影响很少见。流冰通常与凌团及雪团的流动相结合，在流凌中可看到混入的冰块；而在流域中具有稳固雪盖层的地方，流凌则常与雪凌的流送结合。
1.2.2 冰对水电站建筑物及设备的影响
1）水工建筑物前冰块的聚集
河中流下的冰流大量阻截在水电站上游，以致不能通过各种建筑物。在各种专门用途的建筑物（进水口、沉沙池及压力前池）所形成的冰块，或各种枢纽由于结构上的特点所要求的水岸局部扩展所形成的水域中的冰块，都可能发生沉积。
冰块聚集的产生与流速较小的冰盖层的增长有关，同时也与从水电站上游河段或渠段流下来的大批冰块有关。
冰盖层对建筑物的作用主要表现为一种作用力，当气温增*时，与建筑物相接触的冰便会膨胀，这时建筑物（坝、闸门等）就会受这种力的作用。通常小型水电站的坝体并不大，冰压力这一因素不起主要作用，所以设计时通常不予考虑。
在水电站上游形成的冰盖层前端边缘时常拦阻和聚集着大批由河流带来的冰块、冰凌和雪团，并形成大小不同的冰堆和冰坝。这种大量冰的聚集现象对建筑物没有很大影响，且当冰盖层具有足够厚度时，冰堆本身也可能是稳定的。
如果坝前水位涨落不定，冰盖层就会变得不稳固，崩裂开来，冰块移近建筑物，形成了大量的冰块聚集。冰块在水压力作用下逼近建筑物，升到水位以上就从建筑物上边越过，造成危险情况。
在引水式水电站的压力前池中经常会见到大批聚集的冰块，从引水渠道流到电厂枢纽的全部冰块都会集蓄其中。压力前池的主要作用在于调节流入水轮机的水量，使冰凌由输水管排除（当水电站采用这种方法时），以及把多余的冰块排到水电站建筑物以外。这时拦污栅被凌片和冰层所覆盖，压力前池全部被冰凌、雪团和冰块所充塞，以及河水流入输水管受阻拦等现象都属于压力前池冬季运行中*普遍的难题。冰块聚集在引水渠道建筑物范围内的主要危险是因为引水渠道的容量有限，形成的冰堆便迅速沿水流向上游方向扩展，直至冰块和冰凌充塞渠道和隧道的大部分水流断面，使河水流向下游段受到阻碍。
2）引水渠道中水流断面的充塞情况
视冰块大小和水流速度的不同，流经水电站的水流能够挟送一定数量的冰块。当水力状况改变，即当流速减小时，或冰块流动遇到障碍时，可能破坏冰块的流动。
在明渠中，流动在水面的冰块、冰凌和雪团挤压保护渠岸的渠壁。当水流表面全部充满大量冰块时，一部分小冰块和冰凌就会冻结到渠道岸壁上，从而给冰块的流动造成附加阻力。
随着水流中冰块充塞程度的增加，冰块和凌团相互发生阻制作用，因而促使水面上形成冻结在一起的巨大冰块。在某些水力和热力条件下冰块会停滞不动。从水道上游流来的冰凌和冰块便阻留在障碍物附近，且逐渐地形成冰堆。
当渠道流量突然降低时，冰堆可能结成另一种稍微不同的形状。在挟冰
定价：98.0
ISBN：9787030562272
作者：宗全利
版次：1
出版时间：2018-02
内容提要：
本书以新疆玛纳斯河流域红山嘴电站引水渠道为研究对象，采用原型试验、概化水槽试验、理论分析与数值模拟相结合的方法，开展了引水渠道抽水融冰机理、水温沿程变化规律、引水渠道不冻长度计算、单井和多井融冰过程模拟、井群优化布置等研究，*终获得了不同水力、热力、气候条件下抽水融冰运行优化参数，可为解决寒区引水式电站冬季运行冰害提供科学依据。
目录：
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前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 研究现状及存在问题 3
1.2.1 影响水电站运行的冰类型 3
1.2.2 冰对水电站建筑物及设备的影响 5
1.2.3 水电站常用防冰措施 8
1.2.4 抽水融冰技术应用现状 10
1.2.5 冰水二相流研究方法 11
1.2.6 存在问题 14
1.3 选题意义及研究内容 14
1.3.1 选题意义 14
1.3.2 研究内容 16
第2章 引水渠道抽水融冰机理 18
2.1 玛纳斯河流域概况 18
2.1.1 自然地理位置及自然概况 18
2.1.2 流域地形、地貌及河相 19
2.1.3 流域气候特征 19
2.1.4 玛纳斯河水系特征 20
2.1.5 玛纳斯河水文特征及演变规律 21
2.2 红山嘴电站概况 23
2.3 引水渠道及冰情概况 24
2.4 抽水融冰井的基本概况 25
2.5 抽水融冰机理 29
2.5.1 引水渠道冰害形成过程 29
2.5.2 抽水融冰基本原理 30
2.6 引水渠道冬季运行的设计要求 31
2.6.1 结冰的引水渠道 32
2.6.2 不结冰的引水渠道 33
2.6.3 供输送冰凌和冰块用的引水渠道 33
2.6.4 输凌情况下渠道中的水流速度 35
2.6.5 渠道转弯的允许半径 38
2.6.6 根据冰凌冰结条件确定的稳定流渠段的*大长度 42
2.7 引水渠道消除冰害的设计方法 43
2.7.1 由渠道输凌 43
2.7.2 在渠道中形成冰盖层 47
2.8 本章小结 49
第3章 抽水融冰原型试验 51
3.1 试验方案 51
3.2 试验结果及分析 52
3.2.1 观测期间气温变化 52
3.2.2 融冰井及引水渠道水温 52
3.2.3 融冰井后明渠沿程水温变化规律 54
3.2.4 水井前后5m附近明渠水温变化规律 54
3.2.5 引水渠道沿程水温变化规律 55
3.3 本章小结 58
第4章 抽水融冰概化水槽试验 59
4.1 试验平台搭建 59
4.1.1 试验装置 60
4.1.2 试验方案 61
4.2 水温沿程变化规律 64
4.2.1 无井水注入 64
4.2.2 单井注水 65
4.2.3 双井注水 75
4.2.4 多井注水 82
4.3 冰花密度变化规律 90
4.3.1 渠水流量对冰花密度影响规律 90
4.3.2 井水流量对冰花密度影响规律 92
4.3.3 气候条件对冰花密度影响规律 94
4.4 渠水合流速的影响规律 95
4.5 本章小结 97
第5章 抽水融冰引水渠道不冻长度计算 99
5.1 研究背景 99
5.2 不冻长度的理论分析 100
5.3 计算结果及分析 104
5.3.1 红山嘴电站引水渠道实测结果 104
5.3.2 红山嘴电站引水渠道不冻长度计算 105
5.3.3 与其他公式的对比 109
5.3.4 不冻长度的影响因素分析 110
5.4 本章小结 113
第6章 单井条件下抽水融冰过程概化模拟 115
6.1 研究背景 115
6.2 抽水融冰基本数学模型及验证 116
6.2.1 基本数学模型 116
6.2.2 基本数学模型验证 118
6.3 红山嘴电站引水渠道单井抽水融冰模型建立 123
6.3.1 计算模型及网格生成 123
6.3.2 边界条件 124
6.4 模拟结果及分析 124
6.4.1 模拟结果与实测结果对比 124
6.4.2 不同边界条件下水温变化过程模拟 126
6.4.3 流量与温度同时变化对抽水融冰效果的影响 130
6.5 本章小结 132
第7章 多井条件下抽水融冰过程概化模拟 134
7.1 研究背景 134
7.2 红山嘴电站引水渠道多井抽水融冰模型建立 135
7.2.1 研究区域 135
7.2.2 模型建立及网格生成 136
7.2.3 求解方法和边界条件 137
7.3 模拟结果及分析 138
7.3.1 模拟结果验证 138
7.3.2 水流速度和温度模拟结果分析 139
7.4 不同边界条件下水温变化过程模拟 142
7.4.1 井水流量变化对渠道混合水温的影响 142
7.4.2 井前渠道水温变化对渠道混合水温的影响 144
7.5 井群合理优化布置 145
7.5.1 不同井前渠道流量条件下井群的合理布置 146
7.5.2 不同大气温度条件下井群的合理布置 146
7.6 本章小结 147
第8章 抽水融冰数学模型在水温分层型水库中的应用 149
8.1 水库水温的变化特性 149
8.2 抽水融冰水温模型在分层水库的应用 150
8.2.1 水动力学方程 150
8.2.2 温度方程 152
8.2.3 边界条件 152
8.2.4 工程实例 153
8.2.5 结果分析与讨论 153
8.3 本章小结 162
参考文献 163
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第1章 绪论
我国高纬度地区河流在冬季经常形成冰盖、冰塞或冰坝，冰情比较严重的地区有：新疆地区、东北地区和黄河流域，其中新疆由于地形复杂、气候特征等不同，形成的河流冰情与其他地区有所不同。中华人民共和国成立以来，为了满足当地经济和社会发展需要，西北的新疆、甘肃、青海三省（区）修建了大量水电工程，其中多数为引水式水电站，这些水电站的引水渠道冬季运行会产生不同程度冰害，这不仅影响渠道输水能力，对农业生产和人民生活等都会产生一系列影响，因此引水渠道冰害是寒区引水式电站冬季运行必须解决的一个关键问题。
1.1 研究背景和意义
我国西北部地区海拔高，位于高寒地带，冬季漫长、气温低，流冰期长。如新疆玛纳斯河流域年平均气温5.9℃，历年*低气温-39.8℃，每年负气温持续天数平均130多天，冬季累积负气温平均为-1454℃，属典型高寒地区。为了满足当地经济和社会发展需要，我国修建了大量水电工程，中华人民共和国成立后至20世纪80年代，仅西北新疆、甘肃、青海三省（区）就已建成中小型水电站1400余座，其中多数为引水式水电站（王瑞庭，1982）。为了获得一定发电水头，引水式电站一般修建几公里至几十公里的引水渠道（高霈生和靳国厚，2003）。在电站冬季运行中，引水渠道中的冰花层层冻结，逐渐加厚，甚至完全堵塞过水断面，形成冰害，使得渠道输水能力大大降低，甚至出现冰水漫堤、渠道损坏等现象，对周围生态环境、渠道安全输水及水电站安全发电等都产生很大影响（吕德生等，2004）。因此，引水渠道冰害是高寒地区引水式电站冬季运行必须解决的一个关键问题。
目前，水电站引水渠道冰害防治的主要方法有：渠首蓄冰运行、渠首排冰运行、渠道冰盖运行、渠道排冰运行及渠水增温运行等（邓朝彬，1986；杨芳，1995；李长军和王铁军，1999；黄惠花，2010）。渠水增温运行是一种比较理想的解决冻害的方法，该方法主要是给渠道来水补充热量，以提高水温，使引水渠道不结冰，保证冬季输水畅通。渠水增温运行既可消融冰花，省去排冰消耗的人力和水量（一般冬季约30%～50%水量要用来排冰），又可增加发电水量，同时可控性较强。增温方法主要有引泉水融冰和抽取地下水融冰两种，其中引泉水融冰主要在泉水资源丰富地区才可能应用，我国仅在青海省祁连县牛板筋水电站有所应用，该水电站从1978年引泉水入渠后，渠内水温增*0.8℃，使全长2.7km的渠道内冰花消融，冬季运行正常（杨芳，1995）；与引泉水融冰相比，抽取地下水融冰（简称抽水融冰）应用范围则不受此限制，只要当地有可利用地下水资源均可应用。
实践证明，在高寒地区应用抽水融冰解决水电站冬季运行冰害是一项经济安全可行的技术措施。但该技术许多关键问题，如抽水融冰机理、引水渠道水温沿程变化规律、引水渠道不冻长度理论计算、单井和多井运行参数变化模拟、井群优化布置等都是依靠经验，缺少理论计算依据，导致该技术在应用中出现较多问题。如2011年冬季，新疆红山嘴电站遭受了本地区1956年以来降温幅度*大、持续时间*长的一次强降温天气，虽然将抽水融冰井泵全部投入运行，但一级电站前池及渠系仍然结冰严重，需要人工打冰（图1.1）。可见该电站抽水融冰设计和计算存在一定问题，抽水融冰应用的一些关键理论及技术问题迫切需要解决。
图1.1 2011年新疆玛纳斯河红山嘴电站引水渠冰害情况
图片来源于2012年红山嘴电站厂区宣传栏
随着新一轮西部大开发战略的实施，今后西部地区将成为经济和生态发展的重要地区，因此以新疆玛纳斯河红山嘴电站冬季抽水融冰为研究对象，采用原型观测、水槽试验、理论分析和数值模拟等方法，对抽取地下水对渠道水内冰的融解机理，对引水渠沿程水温及典型断面水温变化规律、冰花密度和冰水合流速沿程变化规律，水力、热力和气候条件与不冻长度之间定量关系式，以及井群优化布置等一系列问题进行研究，为引水式电站冬季运行抽水融冰提供理论依据与技术支持，保障高寒区引水式电站能够全冬季发电，对当地居民生态环境、生活生产等方面均具有重要意义。
1.2 研究现状及存在问题
1.2.1 影响水电站运行的冰类型
冰对水电站各种枢纽及各个构成部分的影响多种多样，并与河流挟带的或水工建筑物范围内结成的冰的种类、数量，气温和其他气象条件，挟冰水流的水力状况，以及各种水工建筑物结构形式等因素有关。
下面列举的各种冰类型均会对水电站产生重要影响（图1.2）。
图1.2 引水渠道中形成冰的类型
1）面冰
面冰主要结于水面，在寒冷空气的影响下，因结晶作用或由于大量冰凌及冰上的积雪覆盖层冻结而成的。冰的密度从0.92g/cm3（结晶冰）至0.85g/cm3（多孔的凌成冰或雪成冰）不等。水电站管理人员所见到的水盖层厚度，在每年冬季里各不相同。在水工建筑物附近观察所得的*大冰层厚度一般为1m，观测的冰层厚度增长的*大速度为每昼夜2cm。解冻天气时，冰盖层的融化速度超过其增长速度4～6倍（杜一民，1959）。
2）挂结冰
挂结冰是结在水工建筑物和闸门表面的结晶冰，由许多薄层冻结而成。这种冰的强度很高，同时它的温度和气温相近。由于冷气积蓄在冰层内，挂结冰的融化很缓慢。
3）冰凌
冰凌是一种疏松的冰团，根据水流速度的不同形成大小不等的零散颗粒，遍布在水流深度处游动或成片地在水面上浮动。冰凌常以不同的形状出现：片状和针状的冰凌是活动性*强的一种冰凌，易于冻结在它所绕流过的物体表面；扁豆状和球状的冰凌多出现在山区河流，易于通过各种水工建筑物而不冻结在建筑物的表面。河流所挟带冰凌数量在个别情况下可能达到河流数量的10%～15%。冰凌颗粒不冻结在一起时的凌团密度为0.6～0.65g/cm3。随着水流速度增加，冰凌颗粒就逐渐地被带入水流深处。不致发生散裂的片状冰凌的*大流动速度是1.8～2.0m/s，如图1.3所示，图中，S为冰凌浓度，g/cm3；So为表面冰凌浓度，g/cm3；u为流速，m/s；z为水深，m。
图1.3 水流中水内冰的浓度示意图
4）底冰
底冰是分布在河底上，在具有适合冻结和聚集等水利条件的区域形成的水内冰。底冰有两种：一种是结晶底冰，是水内冰晶体增大使得水底结冰增多所致；另一种是集结底冰，是冰的零散颗粒在水压力作用下碰到障碍物或相互碰撞到一起冻结而成。
底冰是否沉陷，是由水流的冰冷程度，以及冻结后的底冰所受的浮力与其同河底的黏结力之间的关系来确定。漂浮后的底冰如同冰凌一样游动于水流中。
5）雪凌
雪凌是水流挟带的雪团，由于降雪或暴风雪的刮送，雪落到河中。雪凌具有不同的形状，视河水的冰冷程度和雪片的温度而定。当水温零度时，雪团是疏松的，碰到途中的物体极易散开；当水和雪的温度低于零度时，雪团就变得密实，且具有较高的冻结性。河流中的雪量各不相同，主要视暴风雪活动猛烈流域的长度（或水电站引水渠道长度）而定。
下面所列举的冰冻作用，也会影响水电站的各种建筑物。
1）流冰
流冰是面冰于某一时间内在河道或渠道中的稳定流动。对于平原河流，这种现象在春、秋两季表现的特别显著。对于山区河流，河中流冰只是在解冻天气时才发生，这是一种短期的现象。
2）流凌
流凌是冰凌或雪凌于一定时间内在河道中的稳定流动。一次流凌时间可达5～6昼夜而不停歇。根据高加索许多河流的观测结果，流凌的平均时间为14h（杜一民，1959）。
3）封冰
封冰是面冰在河道、渠道或水池表面上结成稳固的冰盖层。
4）冰锥或冰堆
冰锥或冰堆是大批冰块在河道或渠道某一区段上的混乱集积，因而使冰块及冰凌的流动发生障碍。
由于冰流均是以多种多样冰的结合形式流入水电站取水建筑物，受单一种类冰的影响很少见。流冰通常与凌团及雪团的流动相结合，在流凌中可看到混入的冰块；而在流域中具有稳固雪盖层的地方，流凌则常与雪凌的流送结合。
1.2.2 冰对水电站建筑物及设备的影响
1）水工建筑物前冰块的聚集
河中流下的冰流大量阻截在水电站上游，以致不能通过各种建筑物。在各种专门用途的建筑物（进水口、沉沙池及压力前池）所形成的冰块，或各种枢纽由于结构上的特点所要求的水岸局部扩展所形成的水域中的冰块，都可能发生沉积。
冰块聚集的产生与流速较小的冰盖层的增长有关，同时也与从水电站上游河段或渠段流下来的大批冰块有关。
冰盖层对建筑物的作用主要表现为一种作用力，当气温增*时，与建筑物相接触的冰便会膨胀，这时建筑物（坝、闸门等）就会受这种力的作用。通常小型水电站的坝体并不大，冰压力这一因素不起主要作用，所以设计时通常不予考虑。
在水电站上游形成的冰盖层前端边缘时常拦阻和聚集着大批由河流带来的冰块、冰凌和雪团，并形成大小不同的冰堆和冰坝。这种大量冰的聚集现象对建筑物没有很大影响，且当冰盖层具有足够厚度时，冰堆本身也可能是稳定的。
如果坝前水位涨落不定，冰盖层就会变得不稳固，崩裂开来，冰块移近建筑物，形成了大量的冰块聚集。冰块在水压力作用下逼近建筑物，升到水位以上就从建筑物上边越过，造成危险情况。
在引水式水电站的压力前池中经常会见到大批聚集的冰块，从引水渠道流到电厂枢纽的全部冰块都会集蓄其中。压力前池的主要作用在于调节流入水轮机的水量，使冰凌由输水管排除（当水电站采用这种方法时），以及把多余的冰块排到水电站建筑物以外。这时拦污栅被凌片和冰层所覆盖，压力前池全部被冰凌、雪团和冰块所充塞，以及河水流入输水管受阻拦等现象都属于压力前池冬季运行中*普遍的难题。冰块聚集在引水渠道建筑物范围内的主要危险是因为引水渠道的容量有限，形成的冰堆便迅速沿水流向上游方向扩展，直至冰块和冰凌充塞渠道和隧道的大部分水流断面，使河水流向下游段受到阻碍。
2）引水渠道中水流断面的充塞情况
视冰块大小和水流速度的不同，流经水电站的水流能够挟送一定数量的冰块。当水力状况改变，即当流速减小时，或冰块流动遇到障碍时，可能破坏冰块的流动。
在明渠中，流动在水面的冰块、冰凌和雪团挤压保护渠岸的渠壁。当水流表面全部充满大量冰块时，一部分小冰块和冰凌就会冻结到渠道岸壁上，从而给冰块的流动造成附加阻力。
随着水流中冰块充塞程度的增加，冰块和凌团相互发生阻制作用，因而促使水面上形成冻结在一起的巨大冰块。在某些水力和热力条件下冰块会停滞不动。从水道上游流来的冰凌和冰块便阻留在障碍物附近，且逐渐地形成冰堆。
当渠道流量突然降低时，冰堆可能结成另一种稍微不同的形状。在挟冰