本發(fā)明涉及融冰計算方法，具體地說是一種寒區(qū)水流注水融冰不結(jié)冰距離的熱力學(xué)計算方法。
背景技術(shù)：
中國北部冬季嚴(yán)寒，氣溫低且冰期長，導(dǎo)致大多數(shù)引水工程的引水渠道產(chǎn)生不同程度的冰災(zāi)，這不僅影響渠道的輸水能力，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活等都帶來了一系列影響。為了防止這類災(zāi)情的發(fā)生，河渠中冰的產(chǎn)生及危害是必須考慮的關(guān)鍵因素。而實際工程證明，注水融冰技術(shù)的應(yīng)用，對渠道水溫的提升有明顯作用，可保證引水渠道冬季正常運行。而注水融冰應(yīng)用的重要依據(jù)為不結(jié)冰距離，即引水渠道水溫大于0℃的渠段長度。通過計算注水融冰渠道的不結(jié)冰距離便可知每一口融冰井對渠道冰害的防治距離，以此可得出融冰井群的合理布置方案?？蔀楹畢^(qū)引水式電站運用注水融冰技術(shù)提供參考方案。
目前國內(nèi)外對河渠水溫變化及水中冰的形成演變等已有大量研究，且總結(jié)出了一些不結(jié)冰距離計算的經(jīng)驗公式。其中前蘇聯(lián)和瑞典通過長期對渠道冰蓋底部溫度變化的研究，提出了至今仍然適用的預(yù)防及消除冰災(zāi)的措施；李克鋒、辛向文等考慮了氣溫、濕度、風(fēng)速等因素，提出了可用于估算缺乏水溫監(jiān)測資料河流水溫的新公式；王曉玲等綜合考慮了太陽輻射、水面的有效放射、水面蒸發(fā)熱損及水面對流熱損等因素的影響，模擬研究了不同氣溫條件下渠道水溫的變化；白乙拉等改進(jìn)以前有關(guān)冰表面溫度與氣溫關(guān)系表達(dá)式，并對改進(jìn)了前人一維熱力學(xué)模型和單相steften問題所采用的數(shù)值解法；shen等綜合考慮了風(fēng)速、河冰水流的阻力等影響因素，提出了可以模擬過冷現(xiàn)象和底部冰的形成的ricen模型，還模擬了shokotsu河流冰塞的形成；betchelor和wadia研究了水中冰花密度及其熱力交換；薩弗羅諾夫、鄧朝彬、鐵漢、王文學(xué)分別結(jié)合實際工程提出了渠道不結(jié)冰距離的經(jīng)驗公式。
但各個不結(jié)冰距離計算公式均有其一定的局限性，原蘇聯(lián)的薩弗羅諾夫公式和香加水電站公式僅考慮了混合水深、混合流速、混合水溫，并未考慮外界氣溫等因素，無論外界大氣溫度有多低，其計算出的不結(jié)冰距離是一樣的，而新疆水利水電勘測設(shè)計院公式和金溝河公式較前兩者加入考慮了外界氣溫的影響，但仍然忽略了地溫、太陽輻射、風(fēng)速等因素影響；劉新鵬、王峰等以紅山嘴電站為對象，計算了融冰井運行下渠道的不結(jié)冰距離，并分析了各個融冰井的合理布置。
根據(jù)以上研究表明，氣溫、地溫、太陽輻射、風(fēng)速等因素都會影響引水渠道的水溫變化。但目前該方面的研究主要集中在河流中冰的形成和演變上，而關(guān)于不同水力、熱力、氣候條件下對渠道不結(jié)冰距離的影響鮮有涉及。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷提出一種寒區(qū)水流注水融冰不結(jié)冰距離的熱力學(xué)計算方法，利用水流的熱平衡理論推導(dǎo)出引水渠道的不結(jié)冰距離計算公式，并分析不同水力、熱力、氣候條件對不結(jié)冰距離的影響，為寒區(qū)引水式電站運用注水融冰技術(shù)提供理論參考。
一種寒區(qū)水流注水融冰不結(jié)冰距離的熱力學(xué)計算方法，包括如下步驟：
步驟一，確定水流的熱平衡公式：
w水+w輻+w地+w動＝w放+w蒸+w對+w雨雪(1)
式中，w水為從外界注入水收入的熱量，kj/d；
w輻為渠道水面所吸收的太陽直接輻射熱和擴散輻射熱，kj/d；
w地為水與渠床之間的熱量交換，kj/d；
w動為渠水動能轉(zhuǎn)化為熱能所吸收的熱量，kj/d；
w放為水面的有效放射，kj/d；
w蒸為渠水蒸發(fā)的熱量耗失，kj/d；
w對為渠道水面與大氣對流引起的熱量交換，kj/d；
w雨雪為隨降雨落入渠道中的熱量或下雪時耗失的熱量，kj/d；
步驟二，引水式電站引水渠道在冬季運行時，當(dāng)渠水熱量收入之和大于熱量支出之和便可以保證渠道不會結(jié)冰，正常運行；當(dāng)二者相等時，渠道不結(jié)冰的渠段長度即為渠道的不結(jié)冰距離l，計算如下式：
w水+(σ輻+σ地+σ動)l＝(σ放+σ蒸+σ對+σ雨雪)l(2)
l＝w水/(σ放+σ蒸+σ對+σ雨雪-σ輻-σ地-σ動)(3)
式中，σ輻為每米渠道水面所吸收的太陽輻射熱，kj/m·d；
σ地為每米渠床與水之間的熱量交換，kj/m·d；
σ動為每米渠道渠水動能轉(zhuǎn)化為熱能所吸收的熱量，kj/m·d；
σ放為單位面積水面的有效放射，kj/m·d；
σ蒸為每米渠道水面蒸發(fā)的熱量耗失，kj/m·d；
σ對為每米渠道水面與大氣對流引起的熱量交換，kj/m·d；
σ雨雪為每米渠道隨降雨落入渠道中的熱量或下雪時耗失的熱量，kj/m·d；
步驟三，計算從外界注入水收入的熱量w水：
w水＝q注ct注γ(4)
＝4.186×103q注t注(kj/s)
＝3.617×108q注t注(kj/d)
式中，q注為外界注入水的流量，m3/s；
c為熱容量，c水＝4.186kj/kg·℃；
t注為外界注入水的溫度，℃；
γ為水的密度，γ＝1000kg/m3；
步驟四，計算每米渠道水面所吸收的太陽輻射熱σ輻：
σ輻＝σ直輻+σ擴輻＝ηarsa(mj/m·d)
＝103ηarsa(kj/m·d)(5)
式中，σ直輻為渠道水面所吸收的太陽直接輻射熱，kj/m·d；
σ擴輻為渠道水面所吸收的太陽擴散輻射熱，kj/m·d；
η為渠道水面吸收的太陽輻射系數(shù)；
a為太陽散射輻射熱占總輻射熱的百分比；
rs為太陽輻射，mj/m2·d；
a為每米渠道的水面面積，m2/m；
步驟五，計算每米渠床與水之間的熱量交換σ地：
σ地＝σ地底+σ地坡＝β地a1(t1-0.5t混)+24β地a2(t2-0.5t混)(kcal/m·h)
＝4.184×24β地[a1(t1-0.5t混)+a2(t2-0.5t混)](kj/m·d)(11)
＝100.416β地[a1(t1-0.5t混)+a2(t2-0.5t混)](kj/m·d)
式中，σ地底和σ地坡分別為每米渠底和渠坡與渠水的熱量交換，kj/m·d；
β地為渠道混凝土襯砌體的傳熱系數(shù)，kcal/m2·h·℃；
a1和a2分別為每米渠道渠底和渠坡的面積，m2/m；
t1和t2分別為渠底和渠坡地溫的平均值，℃；
t混為渠水與外界注入水的混合溫度，℃；
步驟六，計算每米渠道渠水動能轉(zhuǎn)化為熱能所吸收的熱量σ動：
式中，j為熱功當(dāng)量，j＝427kg·m/kcal；
h為渠水的水深，m；
a為每米渠道的水面面積，m2/m；
i為渠道的縱坡；
v混為渠道水混合后的流速，m/s；
步驟七，計算單位面積水面的有效放射σ放：
σ放＝[2.6(1-0.9n)+0.091(t混-t氣)]a(kcal/m·d)
＝4.184a[2.6-2.34n+0.091(t混-t氣)](kj/m·d)(13)
式中，n為天空被云所遮蓋部分的分?jǐn)?shù)；
t混為渠水與外界注入水混合后的溫度，℃；
t氣為外界大氣溫度，℃；
步驟八，計算每米渠道水面蒸發(fā)的熱量耗失σ蒸：
式中，d為大氣飽和差，即在一定的溫度下飽和水汽壓(e)與空氣中實際水汽壓(e)之差，pa；
v風(fēng)為風(fēng)速，m/s；
步驟九，計算每米渠道水面與大氣對流引起的熱量交換σ對：
式中，t混為渠水與外界注入水混合后的溫度，℃；
t氣為外界大氣溫度，℃；
步驟十，計算每米渠道隨降雨落入渠道中的熱量或下雪時耗失的熱量σ雨雪；
空中降水落到渠面時，促使水流溫度降低，因此降水對于冰的形成起著一定作用，而融化固態(tài)降水(降雪)所消耗的熱量可能就很大；
σ雨雪＝σ雪＝m雪β雪a(kj/m·d)(16)
式中，m雪為日降雪量，kg/m2·d；
β雪為雪的溶解熱，kj/kg；
a為每米渠道的水面面積，m2/m；
步驟十一，將式(4)、式(5)、式(11)-式(16)代入式(3)得到不結(jié)冰距離公式如下：
所述步驟四，包括以下子步驟：
太陽輻射rs由下式方程估算：
式中，n0為日照時數(shù)，h；n為可能的最大日照時數(shù)，h；as，bs為參數(shù)，其中as＝0.25，bs＝0.5；ra為天文輻射，其計算方程如下：
式中，ra為天文輻射總量，mj/m2·d；t為周期，t＝24×60×60；i0為太陽常數(shù)，i0＝13.67×10-4mj/m2·s；ρ為日地相對距離，m；ω0為日落時角，°；
其中，日地相對距離ρ根據(jù)下式(8)計算得出：
式中，j為年內(nèi)天數(shù)從1月1日的0到12月31日的364；
日落時的太陽時角ω0根據(jù)下式(9)計算得出：
太陽赤緯δ根據(jù)下式(10)計算得出：
δ＝0.409sin(0.0172j-1.39)(10)。
本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明根據(jù)水流的熱平衡理論推導(dǎo)得出寒區(qū)水流注水融冰不結(jié)冰距離的熱力學(xué)計算方法，綜合考慮了不同水力、熱力、氣候等因素的影響，根據(jù)各地區(qū)的氣象資料、電站水文數(shù)據(jù)等資料便可利用本發(fā)明方法計算得出各注水融冰不結(jié)冰距離，不僅適用于不同流量和流速下的水流，同樣適用于計算不同外界大氣溫度、風(fēng)速等條件的不結(jié)冰距離，考慮了所有的影響因素，適用范圍更為廣泛。
附圖說明
圖1為不同氣溫條件下各不結(jié)冰距離計算結(jié)果對比曲線。
圖中，原蘇聯(lián)的薩費羅諾夫公式為l蘇＝600×h混×v混×t混/σ；
青海香加公式為
新疆水利水電勘測設(shè)計院為l勘＝kt×q井×t井/q混；
新疆金溝河經(jīng)驗公式為l金＝3×105×q混×t混/a(t氣+1.73)；
本發(fā)明申請的公式17對應(yīng)曲線l推。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖，通過實施例，對發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步具體說明。
一種寒區(qū)水流注水融冰不結(jié)冰距離的熱力學(xué)計算方法，包括如下步驟：
步驟一，確定水流的熱平衡公式：
w水+w輻+w地+w動＝w放+w蒸+w對+w雨雪(1)
式中，w水為從外界注入水收入的熱量，kj/d；
w輻為渠道水面所吸收的太陽直接輻射熱和擴散輻射熱，kj/d；
w地為水與渠床之間的熱量交換，kj/d；
w動為渠水動能轉(zhuǎn)化為熱能所吸收的熱量，kj/d；
w放為水面的有效放射，kj/d；
w蒸為渠水蒸發(fā)的熱量耗失，kj/d；
w對為渠道水面與大氣對流引起的熱量交換，kj/d；
w雨雪為隨降雨落入渠道中的熱量或下雪時耗失的熱量，kj/d；
步驟二，引水式電站引水渠道在冬季運行時，當(dāng)渠水熱量收入之和大于熱量支出之和便可以保證渠道不會結(jié)冰，正常運行；當(dāng)二者相等時，渠道不結(jié)冰的渠段長度即為渠道的不結(jié)冰距離l，計算如下式：
w水+(σ輻+σ地+σ動)l＝(σ放+σ蒸+σ對+σ雨雪)l(2)
l＝w水/(σ放+σ蒸+σ對+σ雨雪-σ輻-σ地-σ動)(3)
式中，σ輻為每米渠道水面所吸收的太陽輻射熱，kj/m·d；
σ地為每米渠床與水之間的熱量交換，kj/m·d；
σ動為每米渠道渠水動能轉(zhuǎn)化為熱能所吸收的熱量，kj/m·d；
σ放為單位面積水面的有效放射，kj/m·d；
σ蒸為每米渠道水面蒸發(fā)的熱量耗失，kj/m·d；
σ對為每米渠道水面與大氣對流引起的熱量交換，kj/m·d；
σ雨雪為每米渠道隨降雨落入渠道中的熱量或下雪時耗失的熱量，kj/m·d；
步驟三，計算從外界注入水收入的熱量w水：
w水＝q注ct注γ(4)
＝4.186×103q注t注(kj/s)
＝3.617×108q注t注(kj/d)
式中，q注為外界注入水的流量，m3/s；
c為熱容量，c水＝4.186kj/kg·℃；
t注為外界注入水的溫度，℃；
γ為水的密度，γ＝1000kg/m3；
步驟四，計算每米渠道水面所吸收的太陽輻射熱σ輻：
σ輻＝σ直輻+σ擴輻＝ηarsa(mj/m·d)
＝103ηarsa(kj/m·d)(5)
式中，σ直輻為渠道水面所吸收的太陽直接輻射熱，kj/m·d；
σ擴輻為渠道水面所吸收的太陽擴散輻射熱，kj/m·d；
η為渠道水面吸收的太陽輻射系數(shù)；
a為太陽散射輻射熱占總輻射熱的百分比；
rs為太陽輻射，mj/m2·d；
a為每米渠道的水面面積，m2/m；
步驟五，計算每米渠床與水之間的熱量交換σ地：
式中，σ地底和σ地坡分別為每米渠底和渠坡與渠水的熱量交換，kj/m·d；
β地為渠道混凝土襯砌體的傳熱系數(shù)，kcal/m2·h·℃；
a1和a2分別為每米渠道渠底和渠坡的面積，m2/m；
t1和t2分別為渠底和渠坡地溫的平均值，℃；
t混為渠水與外界注入水的混合溫度，℃；
步驟六，計算每米渠道渠水動能轉(zhuǎn)化為熱能所吸收的熱量σ動：
式中，j為熱功當(dāng)量，j＝427kg·m/kcal；
h為渠水的水深，m；
a為每米渠道的水面面積，m2/m；
i為渠道的縱坡；
v混為渠道水混合后的流速，m/s；
步驟七，計算單位面積水面的有效放射σ放：
σ放＝[2.6(1-0.9n)+0.091(t混-t氣)]a(kcal/m·d)
＝4.184a[2.6-2.34n+0.091(t混-t氣)](kj/m·d)(13)
式中，n為天空被云所遮蓋部分的分?jǐn)?shù)；
t混為渠水與外界注入水混合后的溫度，℃；
t氣為外界大氣溫度，℃；
步驟八，計算每米渠道水面蒸發(fā)的熱量耗失σ蒸：
式中，d為大氣飽和差，即在一定的溫度下飽和水汽壓(e)與空氣中實際水
汽壓(e)之差，pa；
v風(fēng)為風(fēng)速，m/s；
步驟九，計算每米渠道水面與大氣對流引起的熱量交換σ對：
式中，t混為渠水與外界注入水混合后的溫度，℃；
t氣為外界大氣溫度，℃；
步驟十，計算每米渠道隨降雨落入渠道中的熱量或下雪時耗失的熱量σ雨雪；
空中降水落到渠面時，促使水流溫度降低，因此降水對于冰的形成起著一定作用，而融化固態(tài)降水(降雪)所消耗的熱量可能就很大；
σ雨雪＝σ雪＝m雪β雪a(kj/m·d)(16)
式中，m雪為日降雪量，kg/m2·d；
β雪為雪的溶解熱，kj/kg；
a為每米渠道的水面面積，m2/m；
步驟十一，將式(4)、式(5)、式(11)-式(16)代入式(3)得到不結(jié)冰距離公式如下：
所述步驟四，包括以下子步驟：
太陽輻射rs由下式方程估算：
式中，n0為日照時數(shù)，h；n為可能的最大日照時數(shù)，h；as，bs為參數(shù)，其中as＝0.25，bs＝0.5；ra為天文輻射，其計算方程如下：
式中，ra為天文輻射總量，mj/m2·d；t為周期，t＝24×60×60；i0為太陽常數(shù)，i0＝13.67×10-4mj/m2·s；ρ為日地相對距離，m；ω0為日落時角，°；
其中，日地相對距離ρ根據(jù)下式(8)計算得出：
式中，j為年內(nèi)天數(shù)從1月1日的0到12月31日的364；
日落時的太陽時角ω0根據(jù)下式(9)計算得出：
太陽赤緯δ根據(jù)下式(10)計算得出：
δ＝0.409sin(0.0172j-1.39)(10)。
原型驗證
為驗證此不結(jié)冰距離公式的可靠性與適用性，分別于2013年和2014年的2月至3月，以新疆瑪納斯河流域的紅山嘴二級電站為研究對象，進(jìn)行了水溫、氣溫、地理位置等因素的數(shù)據(jù)采集試驗，其他數(shù)據(jù)(引水渠道流量、風(fēng)速等因素的數(shù)據(jù)由紅山嘴電站工作日志資料中獲取)如下表1。原型觀測當(dāng)天氣溫均處于零下，完全可以保證觀測條件，且觀測過程中紅山嘴電站二級引水渠只有5#井、6#井、8#井、9#井、10#井、11#井、13#井正常工作，其余井未工作。因受渠道地理位置影響不能直接進(jìn)渠采集渠水溫度，故選取塑料瓶多次沿程去點采水，并用均采用適用性強且穩(wěn)定的常規(guī)水銀溫度計(量程為-50～20℃)多支多次測量取平均值；外界氣溫測量則在每個渠溫采水點的陰涼通風(fēng)處放置多支氣溫計取平均值；每個融冰井的位置則采用專業(yè)gps定位儀器測取準(zhǔn)確的經(jīng)緯坐標(biāo)。
表1原型實測數(shù)據(jù)
公式驗證
根據(jù)表1中紅山嘴電站原型實測資料對不結(jié)冰距離的各分量分別進(jìn)行計算：
(1)每米渠道水面所吸收的太陽輻射熱σ輻
σ輻＝ηarsa＝103ηarsa(mj/m·d)
＝103×0.93×0.06×4.184×2725×10.6＝6.744×106(kj/m·d)
式中，渠道水面吸收的太陽輻射系數(shù)η＝0.93；根據(jù)瑪納斯縣氣象站資料，2013年3月的太陽輻射量rs＝8.17kcal/cm2·月＝2725kcal/m2·d。由于紅山嘴電站位于山區(qū)，太陽的直接輻射受山地的嚴(yán)重遮擋，且引水渠道為南北走向，引水渠道渠水受太陽直接輻射時間很短，故這里太陽輻射以太陽散射輻射計算；根據(jù)《建筑設(shè)計資料集》查知太陽散射輻射熱占總輻射熱的百分比a＝6％＝0.06；每米渠道的水面面積a＝1×10.6＝10.6m2/m。
(2)每米渠床與水之間的熱量交換σ地
σ地＝σ地底+σ地坡＝β地a1(t1-0.5t混)+24β地a2(t2-0.5t混)(kcal/m·h)
＝100.416β地[a1(t1-0.5t混)+a2(t2-0.5t混)](kj/m·d)
＝100.416×24.7[1×(t1-0.5t混)+5.528×(t2-0.5t混)](kj/m·d)
式中，渠道混凝土襯砌體的傳熱系數(shù)β地＝24.7kcal/m2·h·℃；每米渠道渠底的面積a1＝1×1＝1m2/m，每米渠道渠坡的面積a2＝1×5.528＝5.528m2/m。
(3)每米渠道渠水動能轉(zhuǎn)化為熱能所吸收的熱量σ動
式中，渠水的水深h＝2.743m；渠道的縱坡i＝1/2000；每米渠道的水面面積a＝10.6m2/m。
(4)單位面積水面的有效放射σ放
σ放＝4.184a[2.6-2.34n+0.091(t混-t氣)](kj/m·d)
＝4.184×10.6×[2.6-2.34×0.6+0.091(t混-t氣)](kj/m·d)
＝53.043+4.036(t混-t氣)(kj/m·d)
式中，天空被云所遮蓋部分的分?jǐn)?shù)n＝0.6。
(5)每米渠道水面蒸發(fā)的熱量耗失σ蒸
式中，根據(jù)瑪納斯縣氣象站資料，冬季風(fēng)速v風(fēng)＝3m/s最常見，三月的大氣飽和差d＝e-e＝0.87pa；每米渠道的水面面積a＝10.6m2/m。
(6)每米渠道水面與大氣對流引起的熱量交換σ對
(7)每米渠道隨降雨落入渠道中的熱量或下雪時耗失的熱量σ雨雪
σ雨雪＝m雪β雪a(kj/m·d)
＝5.3×4.184×80×10.6＝1.880×103(kj/m·d)
式中，日降雪量取中量降雪量m雪＝5.3mm/cm2·d＝5.3kg/m2·d；雪的溶解熱β雪＝80kcal/kg；每米渠道的水面面積a＝10.6m2/m。
以紅山嘴電站為對象，可將不結(jié)冰距離公式(17)簡化如下：
將紅山嘴電站原型實測數(shù)據(jù)代入式(18)，得到各個融冰井運行下引水渠道的不結(jié)冰距離計算結(jié)果如下表2。
表2紅山嘴電站引水渠道不結(jié)冰距離計算結(jié)果
根據(jù)表2中計算出的不結(jié)冰距離的結(jié)果可以得知，所計算的不結(jié)冰距離值范圍為12.0～17.6km，均大于紅山嘴電站各個融冰井之間的間距，這主要是因為計算所用原型觀測氣溫較高(-3.0～-1.0℃)。根據(jù)王峰等人對紅山嘴電站冬季注水融冰運行下不結(jié)冰距離的原型運行資料，以及王文學(xué)、丁楚建等對金溝河電站冬季渠道升溫運行下不結(jié)冰距離的原型資料，利用式(17)進(jìn)行計算，得到不結(jié)冰距離計算結(jié)果如表2所示。在紅山嘴電站大氣溫度為-32.0～-18.2℃下，原型觀測不結(jié)冰距離為1.88～2.0km，計算得到不結(jié)冰距離為1.58～2.59km；金溝河電站在大氣溫度為-24.1～-16.3℃下，原型觀測不結(jié)冰距離為4.10～6.42km，計算得到不結(jié)冰距離為4.68～6.82km，兩者計算結(jié)果與原型觀測結(jié)果基本一致。
表3各電站引水渠道不結(jié)冰距離計算結(jié)果
根據(jù)上表不結(jié)冰距離計算結(jié)果可知，根據(jù)前人對紅山嘴電站和金溝河電站冬季升溫運行資料，利用本申請推導(dǎo)公式計算的結(jié)果與前人計算結(jié)果均相近，說明本申請推導(dǎo)公式可靠。由于該式綜合考慮了渠道混合流量、渠道混合水溫、渠道混合流速、大氣溫度、風(fēng)速、大氣飽和差、降雪量、太陽輻射量、地溫等多因素的影響，不僅符合熱平衡原理，使計算結(jié)果更為準(zhǔn)確，而且完全可以適用于各電站的不結(jié)冰距離計算，適用范圍更為廣泛。
與其他公式的對比分析
下面以紅山嘴電站為對象，根據(jù)其原型實測資料，應(yīng)用各不結(jié)冰距離公式分別計算出的紅山嘴電站的不結(jié)冰距離，結(jié)果如圖1所示。
根據(jù)圖1可以看出，原蘇聯(lián)薩費羅諾夫公式、香加水電站公式1、2計算出的不結(jié)冰距離結(jié)果是呈線性趨勢，而新疆水利水電勘測設(shè)計院公式、金溝河公式和本申請推導(dǎo)的計算公式計算出的不結(jié)冰距離結(jié)果是呈乘冪趨勢。從圖中可以看出各計算公式得到的不結(jié)冰距離結(jié)果差別較大，原蘇聯(lián)薩費羅諾夫公式、香加水電站公式1、2計算出的結(jié)果隨著氣溫的下降不結(jié)冰距離變化趨于平緩，無論外界大氣溫度有多低，其不結(jié)冰距離幾乎相等，這與不結(jié)冰距離隨溫度的降低而變短的規(guī)律相違背，顯然這三個公式對于紅山嘴電站并不適用。而導(dǎo)致這些差別的原因，則是由于各公式均是以個別電站渠道為原型所得的最簡經(jīng)驗公式，考慮因素較少，而受地理環(huán)境等因素的影響使得計算結(jié)果發(fā)生較大變化，例如香加水電站的引水渠道為u型，而紅山嘴電站引水渠道為梯形，其水利條件的計算就不同等。而且根據(jù)原蘇聯(lián)薩費羅諾夫公式假設(shè)渠道的深度h＝1m，渠水流速v＝1m/s，渠首水溫t＝0.2℃，其不結(jié)冰距離計算結(jié)果為l＝600×1×1×0.2/0.18≈670m；計算表明，即使熱耗失不大，亦即在比較溫暖的氣候條件下，算出的不結(jié)冰的引水渠道的容許長度是很小的，顯而易見，在水電站的建設(shè)實踐中，該公式僅適用于當(dāng)水源是溫暖的泉水補給，或者當(dāng)上游具有較大蓄水庫且引水渠道明流部分較短的情況。而根據(jù)本申請推導(dǎo)公式和金溝河公式計算的結(jié)果，隨著氣溫的下降，不結(jié)冰距離縮短較快，其變化較為明顯，新疆水利水電勘測設(shè)計院公式次之；但從上圖明顯可以看出金溝河公式計算結(jié)果數(shù)值偏差太大，不結(jié)冰距離最長達(dá)到8km，并不符合實際，很明顯該僅適用于引水渠道流量較小(q＜4m3/s)時比較準(zhǔn)確，對于紅山嘴電站(q＝10.16～11.18m3/s)這類渠道引水流量較大的電站并不適用。根據(jù)新疆水利水電勘測設(shè)計院公式計算結(jié)果可以看出，隨著氣溫的降低，在一定的范圍內(nèi)，不結(jié)冰距離是保持不變的，這主要是由于該公式綜合系數(shù)k值在一定氣溫范圍內(nèi)是一樣的，所以該公式只能用于一定氣溫范圍內(nèi)的不結(jié)冰距離計算，與此相比，在一定氣溫條件下本申請推導(dǎo)公式和金溝河公式的不結(jié)冰距離計算更為準(zhǔn)確，而且新疆水利水電勘測設(shè)計院公式僅適用于渠水流速0.8～1.2m/s，冬季風(fēng)速vw≤5m/s，渠底高于地下水位的挖方混凝土板襯砌渠道，而紅山嘴電站冬季運行引水渠道流速范圍為0.6～0.7m/s，所以用該公式計算對于不結(jié)冰距離的計算有一定的影響，計算數(shù)據(jù)不太符合實際情況，達(dá)不到井群優(yōu)化的效果，也達(dá)不到優(yōu)化后節(jié)約資源的效果。
綜上分析可知，各個不結(jié)冰距離均有其一定的適用性，但目前已有的五個不結(jié)冰距離公式對于紅山嘴電站均不適用。而本申請根據(jù)水流的熱平衡理論推導(dǎo)出高寒區(qū)引水式電站引水渠道的不結(jié)冰距離計算公式，綜合考慮了各因素的影響，適用范圍更為廣泛，下面將進(jìn)一步分析在不同水力、熱力、氣候條件下不結(jié)冰距離的變化。
本發(fā)明根據(jù)水流的熱平衡方程推導(dǎo)出渠道的不結(jié)冰距離計算公式，并以紅山嘴電站原型實測數(shù)據(jù)加以驗證；還分析了不同水力、熱力、氣候條件對渠道不結(jié)冰距離的影響，主要結(jié)論如下：
1)利用前人原型實測資料對本申請理論推導(dǎo)得出的不結(jié)冰距離進(jìn)行計算，其結(jié)果顯示：公式計算結(jié)果符合原型電站引水渠道的不結(jié)冰距離，證明其不結(jié)冰距離公式的可靠性。
2)根據(jù)推導(dǎo)出的不結(jié)冰距離公式可知，不結(jié)冰距離與渠道井水注入量、井水水溫、太陽輻射量成正比，與大氣溫度、風(fēng)速、大氣飽和差、日降雪量成反比。
3)當(dāng)外界大氣溫度為-20℃時，僅改變渠道井水注入量(q注＝0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14、0.16、0.18、0.20m3/s等)，保持其他條件不變，計算渠道的不結(jié)冰距離，結(jié)果表明：渠道井水注入量越大，渠水的井水收入的熱量w水越大，渠道的不結(jié)冰距離也越大，井水注入量每增加0.02m3/s，渠道的不結(jié)冰距離便以每400m左右遞增，說明渠道井水注入量對不結(jié)冰距離的影響較為顯著。在實際工程中，增加井水的注入量是提高渠道水溫，增大渠道不結(jié)冰距離，防止渠道冬季運行冰害最直接有效的方法。
4)在相同環(huán)境下，僅改變外界大氣溫度(當(dāng)t氣＝-10、-11、-12、-13、-14、-15℃等時)，對渠道不結(jié)冰距離進(jìn)行計算，結(jié)果表明：外界大氣溫度與單位面積水面的有效放射的熱量損失、每米渠道水面與大氣對流交換引起的熱量損失成反比，與渠道的不結(jié)冰距離成正比，且氣溫每降低5℃，不結(jié)冰距離減小的最大幅度為31.3％，最小幅度為16.1％，說明大氣溫度對不結(jié)冰距離影響較為顯著。
5)在大氣溫度為-20℃時，保持其他條件不變時，對不同風(fēng)速(v風(fēng)＝0.5、1.0、1.5、2.0m/s)下的不結(jié)冰距離進(jìn)行計算，結(jié)果表明：風(fēng)速與渠道的不結(jié)冰距離成反比，隨著風(fēng)速的加大，渠道的不結(jié)冰距離越短，且不結(jié)冰距離減小的最大幅度為53.0％，最小幅度為4.3％，說明風(fēng)速對不結(jié)冰距離的影響也較為明顯。