吳素杰，宗全利※，鄭鐵剛，王子堅，劉貞姬

（1. 石河子大學水利建筑工程學院，石河子 832000；2. 中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬及調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；3. 新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限責任公司，石河子 832003）

高寒區(qū)多口融冰井引水渠道水溫變化三維模擬及井群優(yōu)化布置

吳素杰1，宗全利1※，鄭鐵剛2，王子堅3，劉貞姬1

（1. 石河子大學水利建筑工程學院，石河子 832000；2. 中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬及調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；3. 新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限責任公司，石河子 832003）

為探討抽水融冰技術(shù)解決嚴寒地區(qū)渠道冰害的效果，以新疆瑪納斯河流域紅山嘴二級電站引水渠道為研究對象，對多口融冰井同時運行條件下引水渠道水溫變化過程進行三維模擬，其模擬結(jié)果和原型觀測結(jié)果平均相對誤差為4.61%，驗證了數(shù)值模擬的可靠性。在此基礎(chǔ)上，通過改變井水流量、井前渠水流量和水溫、外界大氣溫度等條件，對混合水溫沿程變化過程進行了模擬。結(jié)果表明：1）僅將井水流量變?yōu)樵瓉淼?0%和1.5倍時，井水注入量與混合水溫成正比，且對混合水溫的影響較大；2）僅將井前渠道水溫分別降低和升高0.2和0.4 ℃時，井前渠道水溫與混合水溫成正比，且對混合水溫的影響也較大，因此增大井水流量或者合理布置井群是抽水融冰最有效的方法；3）根據(jù)井前渠道水溫為0.1 ℃，井前渠水流量分別為10、15、20和25 m3/s，大氣溫度分別為–5、–10、–20和–30 ℃的模擬結(jié)果，得到了各井的不凍長度值，且隨著井前渠道流量增大和外界大氣溫度降低，融冰井的不凍長度均隨之減小，最后給出了在不同井前渠道流量和不同氣溫條件下融冰井的不凍長度和井的布置樁號等合理優(yōu)化布置方案，此研究為解決寒區(qū)水電站引水渠道冰災(zāi)防治問題提供科學依據(jù)。

溫度；井群；優(yōu)化；引水渠道；抽水融冰；數(shù)值模擬；不凍長度

0 引 言

在中國，引水式電站為了獲得一定的發(fā)電水頭，通常會修建長距離的引水渠道。而由于冬季嚴寒且冰期漫長，渠道內(nèi)冰的形成與消融以及可能帶來的危害是引水式電站冬季正常運行必須考慮的關(guān)鍵因素[1]。實踐證明，在寒冷地區(qū)，采用抽水融冰這種外界能量匯入引水渠道以提升水溫的方法來解決水電站冬季運行冰害，是一項經(jīng)濟安全可行的技術(shù)措施。

目前國內(nèi)外針對引入外界能量以提升渠道水溫的方法直接研究成果很少，僅在中國有少數(shù)水電站采用該方法，并有部分研究。早期鄧朝彬、王文學等對香加水電站和金溝河電站引水渠道應(yīng)用外界能量匯入渠道運行發(fā)電實踐經(jīng)驗進行了介紹[2-3]；近幾年劉新鵬等[4-6]對紅山嘴電站應(yīng)用外界能量匯入以提升水溫的技術(shù)原理、效益等進行了研究，計算了融冰井的不凍長度，并研究了融冰井群應(yīng)用。

隨著計算流體力學以及計算機軟硬件的快速發(fā)展，直接建立紊流數(shù)學模型對引水式電站引水渠進行數(shù)值模擬已成為可能。但目前相關(guān)數(shù)值模擬主要集中在河渠內(nèi)冰水變化規(guī)律等方面。例如高霈生等[7-12]均采用數(shù)值模擬的方法分析了河道、干渠沿程的水溫變化，及水中冰的形成分布等規(guī)律；陳明千等[1,13]通過建立冰花消融數(shù)學模型，模擬研究了水內(nèi)冰花的密度隨時間和空間變化的過程；陳武等[14]用其建立的三維流固耦合傳熱數(shù)學模型，預測分析了封閉式渡槽的水溫變化；王曉玲等[15-16]基于三維非定常流Eulerian- multiphase模型，研究了渠道引水溫度以及渠水流速在不同引水流量、不同氣溫工況下水內(nèi)冰體積分數(shù)的沿程分布規(guī)律。

前蘇聯(lián)和瑞典曾分別對引水式電站進行了長期的原型觀測試驗[17]，研究了冰蓋底部的形狀及其溫度變化規(guī)律，提出的預防及消除冰災(zāi)的措施現(xiàn)今仍然適用。Shen等[18]提出了RICEN 模型，該模型不僅可以模擬過冷現(xiàn)象和底部冰的形成，而且還加入了風、人工破冰和河冰水流阻力因素的影響；Liu等[19]通過建立的河冰模型，對圣勞倫斯河上游河段水內(nèi)冰的形成及消融過程進行了模擬分析；Shen和Lu[20]利用二維河冰數(shù)學模型，對冰塞體的潰決過程進行了模擬；Jasekatal等[21]利用建立的冰下過流量模型，對道森市附近的育空河段進行了估算；Wang等[22]對過冷現(xiàn)象及冰凌形成發(fā)展過程進行了模擬研究；Chen等[23]分別對表層浮冰、懸浮水內(nèi)冰的水溫及懸浮冰花濃度分布進行了模擬研究；Betchelor 和Wadia研究了水中冰花密度及其熱力交換[24-25]。上述研究主要針對河、渠內(nèi)冰形成演變過程，而抽水融冰是一種冰花消融的過程，與此恰好相反。

吳素杰等曾對單井運行條件下抽水融冰水溫變化過程進行了模擬，得到了不同外界條件下，引水渠道水溫沿程變化規(guī)律[26]。雖然單井模擬的水溫變化規(guī)律結(jié)果在一定程度上代表了實際運行中水溫的變化過程，且多口井同時運行時井水水溫變化的耦合影響很小，但實際工程中融冰井都是多井同時運行，為了研究多井運行時井群的合理優(yōu)化布置方案，更切合實際工程和更加準確地研究抽水融冰技術(shù)提升渠道水溫的效果，本文利用FLUENT軟件建立3D紊流數(shù)學模型，探討該技術(shù)運行下引水渠道沿程水溫變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，得到不同參數(shù)條件下各井的不凍長度值，為引水式電站輸水渠道冬季安全穩(wěn)定工作提供理論依據(jù)及技術(shù)支持。

1 原型觀測試驗

為研究此外界能量匯入下引水渠道冬季實際運行效果及驗證數(shù)學模型的可靠性，分別于2013年和2015年的2-3月，以新疆瑪納斯河流域的紅山嘴二級電站引水渠道為研究對象，進行了引水渠道沿程水溫的觀測試驗，圖1為原型觀測區(qū)域，圖2為引水渠井水匯入現(xiàn)場。在整個觀測過程中，外界氣溫均保持在0℃以下，且當時二級電站引水渠運行了7口融冰井，分別為5#井、6#井、8#井、9#井、10#井、11#井、13#井，剩余融冰井均未運行。受實際地理環(huán)境影響，水溫觀測試驗采用塑料水壺多點多次取水，并用 2支校核過的水銀溫度計多次測量測取平均值的方法。

圖1 紅山嘴電站二級引水渠道原型觀測區(qū)域Fig.1 Prototype observation area in second diversion channel of Hongshanzui Water Power Station

圖2 紅山嘴電站二級引水渠道抽水融冰現(xiàn)場Fig.2 Site of pumping well water to melt ice in second diversion channel of Hongshanzui Water Power Station

2 數(shù)學模型

2.1 控制方程

在自然水域中，密度是溫度和壓力的函數(shù)。在不可壓縮流動中，忽略壓力的影響，僅考慮溫度對密度的影響，其關(guān)系近似表示為[27]：

式中ρ為流體的密度，kg/m3；T為溫度，℃。

對于常態(tài)下水體，密度與溫度的關(guān)系可表示為

式中ρ0為參考溫度下流體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；β為熱膨脹系數(shù)；TΔ為流體溫度與參考狀態(tài)溫度的差值，℃。

Boussinesq的假設(shè)，針對密度變化微小的浮力流問題，所有方程中的密度恒定，僅考慮方程重力項中的密度變化，忽略控制方程中其余項的浮力作用。

連續(xù)性方程[28]：

式中t為時間，s；ui為i方向上的流速，m/s；xi為x軸在i方向上的分量；Sm為源項，是加入到連續(xù)相的質(zhì)量，kg，源項也可以是任何的自定義源項。此方程為連續(xù)性方程的一般形式，可用于不可壓流動和可壓流動。

動量方程：

式中p為靜壓，Pa；uj為j方向上的流速，m/s；xj為x軸在j方向上的分量；gi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力；Fi還包括了如自定義原項的其余模型的有關(guān)源項，m/s2；τij為應(yīng)力張量，Pa，由下式給出[21]：

式中μ為動力黏性系數(shù)，N/(m·s)；ul為l方向上的流速，m/s；xl為x軸在l方向上的分量；ijδ為kronecker符號。

能量方程：

式中k為流體的傳熱系數(shù)，W/(m·K)；cp為比熱容，J/(kg·K)；ST為黏性耗散項，J/(kg·mol·K)。其中cp、k、ST在本文模擬過程中設(shè)置為液態(tài)水默認值常數(shù)，其值分別為cp=4 182J/(kg·K)，k=0.6W/(m·K)，ST=69 902.21J/(kg·mol·K)。

2.2 模型建立及網(wǎng)格生成

以新疆瑪納斯河流域紅山嘴電站二級引水渠道為例，為探尋融冰井群運行過程中引水渠道沿程水溫變化以及各井之間的耦合影響作用，選取最具代表性的 9#、10#、11#井（9#、10#、11#融冰井之間的距離分別為 800和850 m）上下游渠段建立引水渠三維紊流數(shù)學模型。模型取9#井前50 m處為渠道入口，12#井處為渠道混合水出口（由于原型觀測時12#融冰井未運行，對12#井前混合水溫不影響），且全部由出口流出；沿程9#、10#、11#井分別按照實際工程中的位置設(shè)置。實際中因較低的大氣溫度和積雪的層層覆蓋，在融冰井注水管口處極易形成一個與封閉管道相似的冰體管道，使抽出的井水經(jīng)管道直接由渠道水面注入渠道，因此數(shù)學模型中將井水注入口位置設(shè)置與渠道水面持平。

模型橫斷面為梯形，其底寬、邊坡系數(shù)分別為1.0 m、1.75，由于實際工程中各井的流量僅占渠水流量的1.3%～2.4%，對渠道水深影響不大，所以模擬中水深與實際一樣，取2.743 m。網(wǎng)格劃分用FLUENT自帶前處理軟件GAMBIT進行，劃分過程采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩種方法相結(jié)合，其網(wǎng)格單元總數(shù)為 178萬，整個渠道主流方向網(wǎng)格單元尺寸是0.1m×5 m，水深和寬度方向均為0.1 m×0.1 m；因井水注入口上下游為計算的關(guān)鍵位置，為了保證計算的精度，故將井水注入口附近的網(wǎng)格劃分較密，最小單元尺寸設(shè)置為 0.05 m×0.25 m×0.25 m，最大單元尺寸設(shè)置為0.10 m×0.10 m×0.10 m，網(wǎng)格局部見圖3所示。

圖3 數(shù)值計算網(wǎng)格局部示意圖Fig.3 Schematic diagram of local grid of numerical simulation

2.3 求解方法和邊界條件

2.3.1 求解方法

模擬采用有限體積法來離散計算區(qū)域，即用控制體積法求解定常流連續(xù)性方程和N-S方程，用標準k–ε紊流模型來連續(xù)和封閉動量方程；并選用SIMPLEC算法對壓力和速度進行耦合求解。收斂標準：計算各變量殘差設(shè)置為（＜1e–06），或者殘差曲線隨迭代進行趨于平穩(wěn)，即可認為計算收斂。

2.3.2 邊界條件

渠道入口和各井水注入口設(shè)置為速度入口，其入口流速分別由原型觀測資料給定，其紊流特征參數(shù)中紊流強度I和紊流長度尺度L分別由式（7）、（8）計算得出。

紊流強度[29]：

式中Re為雷諾數(shù)；v為流速，m/s；d為管徑，m。

紊流長度尺度[29]：

式中A為截面積，m2；X為濕周，m。圓管的水力直徑為圓管的直徑。

因原型觀測引水渠道為敞露渠道，且渠水流動為不可壓縮流動，故將渠道的水流出口設(shè)置為自由出流邊界。由于渠道水面波動較小，故采用“剛蓋”假設(shè)模擬渠道自由水面，而渠道周圍大氣溫度邊界采用原型觀測時實際大氣溫度。

渠道邊壁設(shè)置為無滑移邊界，壁面粗糙高度設(shè)置為2.1 mm。數(shù)學模型所需的邊界條件均采用9#、10#、11#融冰井原型觀測數(shù)據(jù)，見表1。

表1 紅山嘴電站實測數(shù)據(jù)（2015年3月1日13時）Table 1 Measured data of Hongshanzui Water Power Station at 13:00 , on March 1st, 2015

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)學模型驗證

采用原型實測數(shù)據(jù)（表1）作為模擬的邊界條件計算引水渠混合水溫的沿程變化，提取融冰井一側(cè)距離岸邊0.18 m處水面（即原型觀測時取水位置）沿程混合水溫的數(shù)據(jù)，并與2015年3月1日紅山嘴電站原型觀測沿程水溫數(shù)據(jù)進行對比驗證，見圖4。由圖可知，模擬得到的渠道混合水溫與原型觀測所得渠道混合水溫 2條曲線變化規(guī)律基本一致，吻合性較好，最大誤差為8.93%，最小誤差為0.03%，平均相對誤差為4.61%，在允許范圍內(nèi)[30]。由此可知，本文采用的計算模型準確可靠，模擬結(jié)果可信。

3.2 渠水速度和溫度模擬結(jié)果

以 9#井附近渠段為例，提取井水進水管平面沿程水溫進行分析，速度云圖可以清晰顯示井水匯入處上下游水流的大小及其流動方向，且各方向速度模擬結(jié)果見圖5。從圖中可以看出，井水Y方向流速對渠水流速度影響較小，而井水X方向流速和Z方向流速相比對渠道水流速度影響較大，但渠水流速都僅在井水注入口附近有較小范圍的變化，且充分混合后渠道水流方向大小又基本恢復注水前水流主流方向大小。

圖6為9#井上下游渠段數(shù)值模擬的溫度云圖，圖中井水注水管水溫較高表現(xiàn)為紅色，渠水溫度較低表現(xiàn)為藍色。從圖6a～d中可以看出，在水深方向上離融冰井注水口越遠，水溫變化越不明顯，而且在注水井后 250 m左右之后，上層水溫因與外界大氣溫度直接接觸有明顯變化，特別是渠道水面變化最為顯著，下層水溫卻無明顯變化。從圖6e主流方向上溫度云圖觀察，因井前渠道流量遠大于井水注入量，所以整個渠道水溫的變化并不明顯，僅在井水注入處附近有較大變化，但是計算結(jié)果顯示，井水匯入渠道充分混合之后，渠水溫度有明顯升高。

圖4 渠道混合水溫模擬值與實測值對比Fig.4 Comparison between simulation and measured values of mixed channel water temperature

圖5 9# 井上下游速度數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Results of numerical simulation for velocity in upstream and downstream of No.9 well

圖6 9#井上下游溫度數(shù)值模擬結(jié)果Fig.6 Results of numerical simulation for temperature in upstream and downstream of No.9 well

3.3 不同邊界條件下水溫變化過程模擬

進一步對不同邊界條件下引水渠道沿程水溫的變化進行模擬，研究多個融冰井同時運行對渠道水體增溫融冰效果的影響。在實際工程中，由于融冰井水溫基本恒定，同時井前渠道流量變化對渠道混合后水溫的影響也不明顯[19]，因此本文僅分析不同井水流量和不同井前渠道水溫變化對渠道沿程水溫的影響。

3.3.1 井水流量變化對渠道混合水溫的影響

1）雙井井水流量變化對渠道混合水溫的影響

井前渠道流量、井前渠道水溫保持不變（Q=10.57 m3/s、T=1.37 ℃），根據(jù)實際工程中各融冰井可能的出水流量，將本文中 9#、10#、11#融冰井的井水流量分別降低和升高為原來（0.18、0.13和0.16m3/s）的50%和1.5倍，模擬渠道融冰效果。由于主流方向上混合水溫變化相比水深方向混合水溫變化更能反映引水渠道沿程水溫變化過程，所以模擬結(jié)果提取渠道水面沿程混合水溫的平均值，結(jié)果如圖7所示。

圖7 雙井井水流量對渠道混合水溫的影響Fig.7 Effect of well discharges with two wells on temperature of mixed channel water

圖 7分別給出了連續(xù)雙井和間隔雙井流量變化對渠道混合水溫的影響變化過程，從圖中可以看出，在加入井水后，渠道水溫立即上升，充分混合后沿程逐漸降低，而且混合后水溫下降較快，在融冰井下游250 m左右水溫降低開始變緩，直至下一口融冰井水的加入；而且以上3種工況都可以明顯看出在下一口融冰井前100 m左右，由于下游井水的加入，渠道水溫有升溫趨勢，說明每一口融冰井不僅影響下游渠道水溫，而且對上游一定距離的渠道水溫也有一定影響。圖7a中9#、10#井井水流量降低和升高為原來的50%和1.5倍后，渠道混合水溫降低和上升的最大幅度分別為 13.64%和 13.09%；圖 7b中9#、11#井井水流量降低和升高為原來的50%和1.5倍后，渠道混合水溫降低和上升的最大幅度分別為17.10%和11.48%；圖7c中10#、11#井井水流量降低和升高為原來的50%和1.5倍后，渠道混合水溫降低和上升的最大幅度分別為14.30%和13.63%。由于井水的熱量有限，只對一定距離的渠水有增溫作用，所以圖7b中，因10#井流量保持不變，相比圖7a中9#、10#井流量同時變化時增溫效果較弱，在樁號 5+900位置，其對渠道水溫的增溫效果降低了14.67%，且渠道混合水溫降低和上升的最大幅度分別有所升高和降低，從而可知增大井水流量對渠道增溫效果明顯，這對實際工程有較強的指導作用。

2）多井井水流量變化對渠道混合水溫的影響

其他邊界條件不變，9#、10#、11#井水流量同時變?yōu)樵瓉?0%和1.5倍時，模擬抽水融冰效果，同樣提取渠道水面沿程混合水溫平均溫度，獲得渠道混合后水溫的計算結(jié)果見圖8。

圖8 多井井水流量對渠道混合水溫的影響Fig.8 Effect of well discharges with three wells on temperature of mixed channel water

從圖 8中可以看出，在其他邊界條件恒定工況下，渠水與井水充分混合后的水溫與井水流量成正比，且井水注入量越大，渠水的增溫效應(yīng)越顯著。而且9#、10#、11#井水流量同時變?yōu)樵瓉淼?0%和1.5倍時，渠道混合水溫的降低和增高的最大幅度分別為18.39%和18.19%，平均變化幅度分別為11.46%和10.64%，這說明井水注入量變化對渠道混合后水溫影響較為明顯，井水匯入量的增大對渠水的增溫有顯著效果。但實際工程中升高井水溫度很難實現(xiàn)，而通過合理運行融冰井群來控制井水注入渠道的流量可有效地提高渠水溫度，從而更能有效地防治引水渠道冰害。

3.3.2 井前渠道水溫變化對渠道混合水溫的影響

在各融冰井水流量、水溫，井前渠道流量等條件保持不變的工況下，模擬井前渠道水溫變化對融冰效果的影響，同樣根據(jù)實際工程中可能發(fā)生的情況，將井前渠道水溫變化條件分別設(shè)置為：降低和升高0.2 ℃和0.4 ℃，提取渠道水面沿程混合水溫平均值見圖9所示。

圖9 不同井前渠道水溫對渠道混合水溫的影響Fig.9 Effect of temperature of channel water before well on mixed channel water temperature

從圖 9計算結(jié)果看出，混合后的渠道水溫與井前渠道水溫成正比，井前渠道水溫對融冰結(jié)果有較大的影響。從融冰增溫效果上來看，在井前渠道水溫下降 0.4 ℃和0.2 ℃的工況下，相對于原始井前渠道水溫下的混合水溫，渠道混合水溫平均降幅分別為22.61%和11.41%；而在井前渠道水溫上升0.2 ℃和0.4 ℃時，混合水溫平均增幅分別為11.25%和22.57%?？芍扒浪疁叵陆?.4 ℃時渠道混合水溫的降幅與井前渠道水溫上升 0.4 ℃時渠道混合水溫的增幅基本一致，井前渠道水溫下降0.2 ℃時渠道混合水溫的降幅也基本等于井前渠道水溫上升 0.2 ℃時渠道混合水溫的增幅。而且根據(jù)模擬結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，井前渠道水溫上升或下降0.10 ℃，渠道混合水溫也上升或下降0.10 ℃左右，井前渠道水溫變化對渠道混合水溫影響較為明顯。在氣候寒冷時，實際工程運行中引水渠道水溫隨著氣溫沿程逐漸降低，很容易降低至冰點形成冰害，提高渠水溫度來防止渠道冰害更為直接有效，此時可采取增加融冰井數(shù)量、減小融冰井間距等合理布局融冰井的方法來解決。

3.4 井群合理優(yōu)化布置

由原型觀測數(shù)據(jù)及模擬計算結(jié)果均可知，隨著距融冰井注水口距離越遠，沿程水溫逐漸降低，但可以發(fā)現(xiàn)沿程水溫均明顯超過水的冰點。究其原因可能是上一口井井水加入后，使渠道水溫度升高，而外界氣溫還不夠低，混合水溫沿程下降緩慢，沒有降到足夠低時又有新的井水加入，從而使得沿程水溫超過冰點。原型觀測中，由于在9#井注水點之前的渠道引水溫度（T=1.37 ℃）較高，所以在此模型基礎(chǔ)上，模擬計算了無井運行時沿程水溫變化，計算結(jié)果得出下游樁號5+900處（12#井所在位置）渠道水溫為0.25 ℃（＞0 ℃），即表明在此大氣溫度條件下，并不需要外界井水熱量的注入就可保證該渠段正常運行；而在樁號6+600處（13#井所在位置）運行一口融冰井即可保證后續(xù)渠段正常運行。

為探討融冰井群的合理優(yōu)化布置，現(xiàn)以此模型為基礎(chǔ)，分別模擬不同井前渠道流量和大氣溫度工況下引水渠道的沿程水溫變化，為寒區(qū)各水電站冬季安全穩(wěn)定運行提供參考。

3.4.1 不同井前渠道流量條件下井群的合理布置

井水流量（9#、10#、11#融冰井水流量分別為0.18、0.13、0.16 m3/s）、井水溫度（9#、10#、11#井水溫度分別為 10、10、9.6 ℃）、大氣溫度（T氣= –2、–1.5、–1.0 ℃）等條件保持不變，井前渠道水溫設(shè)置為0.1 ℃，分別模擬井前渠道流量為10、15、20和25 m3/s時沿程混合水溫變化，得到各井的不凍長度（不凍長度即渠水溫度大于0 ℃的渠段長度）見表2。

表2 不同井前渠道流量下各井的不凍長度和位置Table 2 Values and location of length of ice-free water for each wells at different channel discharges before well

從表 2可以明顯看出，隨著井前渠道流量的增大，融冰井的不凍長度隨之減短，這是由于渠道引水水溫遠低于井水溫度，當井前渠道流量變大，井水對渠水的增溫效果被削弱。還可以發(fā)現(xiàn)因井前渠道流量增大，無疑會導致渠道流速增大，隨之產(chǎn)生的動能在一定程度上部分轉(zhuǎn)化為水的熱能，所以隨著井前渠道流量增大，融冰井的不凍長度逐漸減小。在不同井前渠道流量條件下，根據(jù)各融冰井不凍長度合理布置井群。

3.4.2 不同大氣溫度條件下井群的合理布置

同樣將井前渠道水溫設(shè)置為 0.1 ℃，井前渠道流量（Q=10.57 m3/s）、各井井水流量（9#、10#、11#融冰井井水流量分別為0.18、0.13、0.16 m3/s）、井水溫度（9#、10#、11#井水溫度分別為10、10、9.6 ℃）等條件不變，根據(jù)嚴寒地區(qū)冬季常見氣溫，分別模擬外界大氣溫度為–5、–10、–20和–30 ℃時沿程混合水溫變化，得到各井的不凍長度模擬結(jié)果如表3。

表3 不同大氣溫度下各井的不凍長度和位置Table 3 Values and location of length of ice-free water for each wells at different atmospheric temperatures

從表 3可以看出，在相同大氣溫度下，各融冰井的不凍長度并不一樣，而這部分長度差是由于每口井的抽水流量和井水溫度等不一樣所致；還可以看出隨著外界大氣溫度的降低，融冰井的不凍長度也隨之減小，在低于零下10 ℃時，大氣溫度每降低10 ℃，融冰井不凍長度按每400 m左右遞減。而在不同外界大氣溫度條件下，依據(jù)融冰井不凍長度便可合理布置井群。

4 結(jié) 論

根據(jù)紅山嘴電站二級引水渠道，建立3D紊流數(shù)學模型，通過模擬計算不同工況下引水渠道抽水融冰過程，分析了抽水融冰過程，具體結(jié)論如下：

1）以原型實測數(shù)據(jù)為邊界條件對二級電站引水渠沿程水溫變化進行模擬計算，并將其計算結(jié)果與原型觀測結(jié)果進行了對比，平均相對誤差為4.61%，表明兩者符合較好，證明了后續(xù)模擬結(jié)果的可靠性；

2）當井前渠道流量、水溫等保持不變，各井井水流量變?yōu)樵瓉?0%和1.5倍工況計算結(jié)果可以得知，井水注入流量與混合水溫成正比；而當渠道水溫分別降低和升高0.2 ℃、0.4 ℃，其他條件不變工況下的模擬結(jié)果表明，井前渠道水溫與混合水溫成正比，且井水流量變化與井前渠道水溫變化對混合水溫的影響均較為明顯；因此增大井水流量或者合理布置井群是抽水融冰最有效的方法；

3）隨著較高溫度井水的加入，每一口融冰井不僅影響下游渠道水溫，而且對上游一定距離的渠道水溫也有一定影響；

4）分別模擬了渠道水溫為0.1 ℃時，在不同井前渠道流量（10、15、20、25 m3/s）和不同大氣溫度（–5、–10、–20、–30 ℃）下的沿程水溫變化，得到了各井的不凍長度值，且隨著井前渠道流量增大，融冰井的不凍長度逐漸減??；隨著大氣溫度降低，融冰井的不凍長度也減??；根據(jù)模擬結(jié)果還分別提出了井群的合理優(yōu)化布置方案。

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3D simulation on water temperature change of diversion channel and optimal arrangement of multi-wells at high altitude and cold regions

Wu Sujie1, Zong Quanli1※, Zheng Tiegang2, Wang Zijian3, Liu Zhenji1
(1.College of Water Conservancy and Architectural Eengineering, Shihezi University, Shihezi,832000,China;2.Sate Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of
Water Resources and Hydropower Research, Beijing100038,China;3.Surveying and Designing Institute(Group)Co., Ltd of Xinjiang Production and Construction Crops, Shihezi,832003,China)

In the northwest high altitude and cold regions, it’s easy to produce ice for the long distance of diversion channel of diversion power station. Pumping well water to melt ice is an effective method to solve the ice problem for diversion power station in winter. In order to investigate the effect of pumping well water to melt ice on the increase of channel water temperature, the second diversion channel of Hongshanzui Water Power Station in Manas River of Xinjiang was selected as the study area, and a three-dimensional turbulence numerical model was proposed to simulate the change process of water temperature of diversion channel under the condition of multi-well running at the same time. The change process of water temperature obtained from the simulation was compared with that from the prototype observation experiment, and the results indicated that the calculation results were in a good agreement with the prototype observation results. The average relative error between them was 4.61%, which verified the reliability of the numerical simulation. Thus, the water temperature change processes of diversion channel were simulated under the conditions of different discharge of well water, different discharge and temperature of channel water before wells, and different atmospheric temperature. Firstly, when the discharge and temperature of channel water were constant, and the discharge of well water was decreased by half or increased by half compared with the original value, the mixed water temperature was proportional to the discharge of well water and sensitive to it. At the same time, when the temperature of channel water was decreased and increased by 0.2 and 0.4 ℃, respectively, the mixed water temperature was proportional to the temperature of channel water and sensitive to it. It is concluded that it is the most effective way to pump well water to melt ice by increasing the discharge of well water and arranging the well group rationally. During the process of melting-ice wells running, each well not only affected the downstream water temperature, but also affected the upstream water temperature in some distance. According to the simulated results under the temperature of channel water of 0.1 ℃, the discharge of channel water of 10, 15, 20 and 25 m3/s, and the atmospheric temperature of -5, -10, -20 and -30 ℃,respectively, the different value of the ice-free water length of each well was calculated. The results showed that the length of the ice-free water for each well decreased with the increase of channel water discharge before wells and the decrease of atmospheric temperature. Based on the calculated length of the ice-free water for each well, the reasonably optimized results of the length of the ice-free water and the arrangement of the wells were proposed under different discharges of channel water before wells and different atmospheric temperatures. This study can provide valuable information for preventing ice hazards of diversion channel in the cold regions.

temperature; wells; optimization; diversion channel; pumping well water to melt ice; numerical simulation; length of ice-free water

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.018

TK79

A

1002-6819(2017)-14-0130-08

吳素杰，宗全利，鄭鐵剛，王子堅，劉貞姬. 高寒區(qū)多口融冰井引水渠道水溫變化三維模擬及井群優(yōu)化布置[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(14)：130－137.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.018 http://www.tcsae.org

Wu Sujie, Zong Quanli, Zheng Tiegang, Wang Zijian, Liu Zhenji. 3D simulation on water temperature change of diversion channel and optimal arrangement of multi-wells at high altitude and cold regions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 130－137. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.018 http://www.tcsae.org

2016-11-17

2017-02-27

國家自然科學基金資助項目（51269028）；2015年度留學人員科技活動擇優(yōu)資助項目。

吳素杰，女（土家族），重慶人，主要從事工程水力學方面研究。石河子 石河子大學水利建筑工程學院，832000。

Email：836619533@qq.com。

※通信作者：宗全利，男，山東臨朐人，教授，博士，主要從事水力學及河流動力學方面研究。石河子 石河子大學水利建筑工程學院，832000。

Email：quanli1871@126.com。