淺議南水北調中線京石段工程冰期輸水技術

趙嘉誠　韓黎明　王術國

摘要:南水北調中線引丹江口水庫水量至北京、天津市。沿線渠道經過北方寒冷地區(qū),渠道水體會發(fā)生結冰現(xiàn)象。目前,冰期輸水運行是長距離渠道輸水運行調度的難點,仍處于研究探索階段。特別針對南水北調中線總干渠的冰期輸水調度,至今尚未形成成熟的技術成果。2008年為緩解北京水資源緊缺狀況,利用南水北調中線京石段工程臨時從河北省向北京供水。本次供水經歷了冰期輸水階段,并成功地實現(xiàn)了冰期安全輸水的目標,積累了寶貴的冰期輸水的調度經驗,對冰期輸水的調度研究有很好的借鑒作用。

關鍵詞:南水北調中線;冰期輸水;調度運行

中圖分類號:TV68;TV875文獻標識碼:A 文章編號:1672-1683(2009)05-0037-03

Technologies of Operation on Beijing-Shijiazhuang Section of Middle Route Project

of South-to-North Water Diversion in Ice Period

ZHAO Jia-cheng1,HAN Li-ming2,WANG Shu-guo3

(1.Jiaodong Water Transfer Bureau,Shandong Province,Weifang 261061,China;

2.Construction and Administration Bureau of Middle Route Project of the South-to-North Water Diversion,Beijing 100038,China;

3.Shandong Haobo Water Conservancy Construction Co.,Ltd,Weifang 261031,China)

Abstract: The Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project will divert water from Danjiangkou Reservoir on the Han River (a branch of the Yangtze River) to Beijing and Tianjin.As for the operation of the Project during ice period,there is no satisfactory result yet.In 2008,there was water shortage in Beijing.Since part of the Project (from Shijiazhuang to Beijing) was completed,the canal was operated to transfer water of 3 billion m3 from Hebei province to Beijing.During ice period,after careful preparation,several measures were adopted for the successful water transfer.Finally the Project was operated safely and smoothly.This paper introduces the experiences of the operation of the water diversion during ice period at this time,which can be a reference for the further research on ice period water diversion.

Key words: Middle Route Project of South-to-North Water Diversion;ice period;operation

1 引言

2008年9月18日,南水北調中線京石段應急供水工程開始通水。本次向北京應急供水是從河北省崗南水庫、黃壁莊水庫、王快水庫三座水庫累計引水3億m3,以緩解北京市的缺水狀況。這是南水北調中線京石段建成后的首次通水運行。

南水北調中線京石段應急供水工程,從河北的石家莊到北京的團城湖,渠道全長307 km,其中河北段為明渠,長227 km;北京段為暗渠,長80 km,北拒馬河暗渠渠首閘是明暗渠交界點。該段工程是南水北調中線工程的末段,2008年4月份建成并具備通水條件。

由于是第一次調水運行,運行管理人員面臨許多技術難題。其中一個最大的難題就是進入冬季輸水后,如何防止冰塞、冰壩的發(fā)生,做到安全輸水。冰期輸水期間防止重點部位結冰,是保證工程安全和順利輸水的關鍵。作為長距離輸水重點和難點,冰期輸水時如果調度不慎,極易發(fā)生冰塞、冰壩現(xiàn)象,輕則影響過水流量,重則導致輸水中斷。目前雖然許多科研人員對冰期輸水技術進行研究,但至今尚未形成成熟的技術[1-4]。然而,京石段臨時通水冰期輸水的成功運行為今后的研究提供了寶貴的實踐經驗。本文從組織和技術方面介紹南水北調中線工程運行調度人員是如何解決冰期輸水難題的。

2 京石段冰期水流狀態(tài)要求及輸水階段劃分

2.1 冰期水流狀態(tài)要求

冰期輸水運行期間,為使流冰形成、冰蓋形成和冰蓋下輸水等各階段的流態(tài)在理想狀態(tài)下運行,防止冰塞、冰壩及其他破壞性冰害發(fā)生,需要對水流狀態(tài)、水位進行嚴格控制。

2.1.1 水位

在進入冰期運行前必須把沿程水位由較低的目標水位抬升至冰期目標水位,以增加過水斷面面積。在冰期輸水運行中,使此目標水位基本保持不變。

2.1.2 流量

冰期輸水盡可能在小流量條件下運行,本次冰期入京流量約為9 m3/s,目標流量需要在進入冰期前調整到位,并保持不變。

2.1.3 其他要素

渠道水流流速控制在0.30 m/s以下;渠道內水流的弗汝德數控制在0.06以下,建筑物進口收縮斷面控制在0.08以下;渠道水深控制在2.0 m以上。

2.2 冰期輸水階段劃分

根據同地區(qū)以往冰情分析,一般情況下,京石段11月中下旬至次年2月中下旬進入冰期,12月中下旬至次年2月上旬為封凍期。根據氣象條件和冰蓋形成及融化過程,冰期輸水大體上可分為冰期目標水位生成階段、流冰階段、冰蓋形成階段、冰蓋下輸水階段、融冰階段。不同階段冰凌對輸水建筑物的安全威脅程度不同。

①冰期目標水位生成階段?？偢汕髑?1座控制閘閘前水位逐步抬升至冰期目標水位的階段。大體時間為12月上旬至12月中旬。

②流冰階段。由于氣溫和水溫相對較低,水中含有一定濃度的冰花、冰屑或冰片,甚至冰塊,在此期間繼續(xù)保持向北京輸水則為流冰輸水。大體時間為12月中旬至12月下旬。

③冰蓋形成階段。隨著氣溫繼續(xù)下降,總干渠有流冰逐漸形成穩(wěn)定冰蓋的階段。大體時間12月下旬至次年1月上旬。

④冰蓋下輸水階段。形成穩(wěn)定冰蓋后繼續(xù)保持輸水的階段。大體時間12月下旬至次年2月上旬。

⑤融冰階段。隨著天氣轉暖,冰蓋逐漸融化,在此期間繼續(xù)保持輸水的階段。大體時間2月中下旬至3月上旬。

3 京石段工程冰期輸水技術

3.1 工程措施

①為了使閘門在冰期送水期間不被凍死、啟閉靈活,該工程的控制閘除了放水河渡槽進口、崗頭隧洞進口和北拒馬河暗渠渠首外,其余都是設在建筑物的出口,因為在建筑物進口水流較平穩(wěn),若閘門在進口處直接擋冰就容易被凍死。而在出口處水流是紊流,不容易結冰。并且閘門在閘室的封閉狀態(tài)中,與室外形成兩個不同的溫度環(huán)境。為防止流冰進入倒虹吸,在建筑物進口還設置了胸墻用以擋冰和雜物,輸水實踐證明,這種措施是有效的。

②京石段應急供水工程所有的節(jié)制閘、檢修閘、退水閘的防冰凍設施(如閘門槽加熱設備)在冰期前完成調試,具備正常運行條件,確保冰期輸水時,各閘門開啟靈活,避免冰凍影響閘門操作的靈敏度。

在閘門槽內埋設有加熱系統(tǒng)。一旦氣溫降到結冰點,造成門槽冰凍時,可以啟動該系統(tǒng),進行局部加熱融冰,防止閘門槽附近結冰。它是在閘門槽里面埋設一套循環(huán)油管,在外部加熱油,熱油在管內循環(huán)流動,從而提高閘門槽處的溫度,達到融冰的目的。

③設計上還有一個防止閘門被凍住的保證措施,就是在明暗渠交界處,即北拒馬河暗渠渠首閘,閘前設有一道攔污柵,這是整個明渠段唯一的一道攔污柵,上游明渠所有的雜物都將被沖到這里攔住,然后由清污機清除。它對保證入京水質、保護下游惠南莊泵站機組的安全運行,起著至關重要的作用。但是在冬季輸水時它又是一個安全隱患,因為該攔污柵是設在閘室外的,處在自然環(huán)境中,當氣溫降到結冰的溫度時,沖到攔污柵上的雜物就會與攔污柵凍結在一起,護住攔污柵,形成冰塞。所以必須保證攔污柵附近在任何時候都不能結冰,以便清污機的抓斗能隨時把攔污柵上的雜物清除掉。該工程采取了兩項預防措施。

一是在攔污柵上游約40 m處用鐵浮箱做成一道攔冰索,每節(jié)鐵浮箱的尺寸為長4.2 m、寬1.1 m、高0.85 m,一共6節(jié)串聯(lián)在一起,它的作用是在渠道剛開始結冰時,把上游的浮冰、流冰攔住。

二是在攔污柵前約10 m處,加設了一臺養(yǎng)魚池用的增氧機,它的作用是不停地攪動水面,產生水花和波紋,阻止攔污柵附近結冰,從而保證了清污機能隨時下水打撈雜物,在攔污柵前不造成冰塞。在退水閘的前面也安裝了一臺增氧機,以防退水閘門被凍住,保證在遇到突發(fā)事件時能隨時提升閘門泄水。

④為防止浮冰阻塞水流通道,在沿線倒虹吸、涵洞、渡槽等建筑物進口適當位置設置攔冰索。沿線的5座臨時涵管前也有可靠的攔冰措施。

⑤冰期通水時,用電量大幅度增加,臨時供電系統(tǒng)在冰期來臨前完成調試,滿足冰期通水的用電要求。

⑥冰期現(xiàn)地的運行管理設施、供電通訊設施、管理人員的生活設施均滿足越冬要求。

⑦為及時發(fā)現(xiàn)和處理冰塞險情,在可能發(fā)生冰塞險情的渠段增加值班人員和監(jiān)測手段,并保障全線退水閘、節(jié)制閘的通訊聯(lián)絡暢通。

⑧對下滑嚴重的控制閘閘門應進行搶修,對下滑較輕的控制閘門及時歸位,確保冰期運行期間控制閘門的相對穩(wěn)定。

3.2 管理措施

科學調度,管理措施跟上。京石段總干渠的建設和運行管理部門對這次輸水運行非常重視,通水前做了大量的準備工作;通水運行時科學計算、嚴格管理、合理調度。還聘請了山東膠東調水局的十多名富有多年調水經驗的專家?guī)椭{度運行。嚴格按照《2008年臨時通水運行實施方案》和《調度運行實施細則》進行科學調度,特別是進入冬季后,與當地氣象部門建立了氣象信息通道,密切關注天氣變化和寒潮動態(tài)。根據氣象變化信息,對渠道冰情及時作出預報,然后根據實際情況,合理制定目標控制水位和流量變化范圍,渠道流速控制在0.5 m3/s以下;各倒虹吸進口和臨時埋管進口都淹沒于水面以下0.2 m?？偟脑瓌t是“高水位低流量”運行。在冰期目標水位控制的基礎上,一天內水位上浮不超過10 cm,下浮不超過5 cm。運行管理人員加強冰蓋輸水期間閘前閘后水位變化情況監(jiān)視,密切關注每日10:00時與17:00時的水位變化,通過閘門適當調節(jié),保持上游水位和過閘流量基本穩(wěn)定。

例如北拒馬河暗渠渠首閘,它是在明渠的末尾、暗渠的渠首,在設計上存在一定的缺陷:弧形工作門前沒有胸墻,閘室與明渠聯(lián)通,閘門直接擋冰,而且閘門槽內又無融冰設施。為了防止閘門前結冰,本次冬季輸水采取了臨時應急措施。

調度指揮單位制訂了《南水北調京石段工程冰期輸水運行技術要求》,對冰期運行的各項安全措施作了規(guī)定,并明確了不同階段的調度要求,主要內容如下。

①建立冰期輸水運行管理責任體系,加強各級運行管理和現(xiàn)地調度值班力量,強化各自責任意識。

②編制冰期輸水應急預案,明確在不同的建筑物出現(xiàn)冰塞、冰蓋破裂等情況時的應對措施。

③制定冰期輸水運行監(jiān)視制度,預警制度,建立冰期輸水運行的監(jiān)視通道,明確不同氣溫條件下重點監(jiān)視部位、頻率和要求,特別注意流冰輸水及冰蓋形成期間的冰情、水情變化。

④對于渠道斷面急劇變化部位,如建筑物進口,配置專人和設備撈冰以及預警報告,應保持排冰運輸通道暢通。

⑤配備搶險隊伍、人工撈冰設施和破冰機械設備,嚴防冰塞發(fā)生。

⑥為保障冰期輸水安全,加強渠道及建筑物的管理和維護,增強渠系巡視,保證監(jiān)測設備、控制設備、通訊設備的正常運行。

⑦沿線各退水閘、排冰閘保證隨時投運。

3.3 應急措施

制訂了科學的管理制度和突發(fā)事件應急預案,隨時準備排除險情。此外,調度指揮部門還在通水開始后制定了嚴格科學的管理制度,其中包括:冰期輸水期間要求參加調度的人員加密觀測水位和冰情的次數;發(fā)現(xiàn)異常情況及時上報;調度負責人24 h不離工作崗位等。

與此同時,還制訂了突發(fā)冰塞、冰壩時的應急處理預案。這個預案包括冰情觀察、報告制度、決策制度、人員準備、機械準備、冰塞清除措施、停水程序等。要求參加調水的工作人員都要熟知應急處理預案,一旦發(fā)生險情,能夠及時有效的采取必要的應對措施,不致臨時措手不及。

4 結論和建議

由于近幾年北京市出現(xiàn)持續(xù)干旱年,水資源嚴重短缺,為確保2008年北京市供水安全,2008年9月經由京石段應急供水工程從河北省崗南、黃壁莊以及王快三座水庫,向北京實施調水3億m3的臨時通水任務。臨時通水經歷冰期輸水階段,為保證輸水的順利進行,調度運行中采取了多種技術措施,經過一個冬季的冰期輸水檢驗,以上各項措施都是行之有效的,值得相似工程借鑒。

①京石段渠道設置攔冰索對于本次冰期通水作用較大,無論在小流量或較大流量時,攔冰索均能起到較好的攔冰作用,防止冰塊進入倒虹吸、渡槽等建筑物,同時減少了閘門冰凍的可能。京石段某些閘前,原設計未設置攔冰索,建議增設。

②本次臨時通水流量小,在流冰期和融冰期基本沒有出現(xiàn)流冰;如果今后在冰期加大流量輸水,將與本次冰期運行狀態(tài)不大相同,還應進一步研究冰期輸水方案和措施。

③北拒馬節(jié)制閘閘前利用多點氣泵增氧機、加掛門簾等措施防止攔污柵前冰凍和閘室冰凍。此項措施在本次冰期通水過程中,證明是切實可行的。在今后的冰期運行過程中,值得借鑒和推廣。

參考文獻:

[1] 吳劍疆,茅澤育,王愛民,等.河道中水內冰演變的數值計算[J].清華大學學報(自然科學版),2003,(5).

[2] 茅澤育,董曾南,陳長植.河冰數學模擬研究綜述[J].水力發(fā)電,1996,(12).

[3] 王 軍,孫連進,周智慧.冰塞下冰塊起動分析[J].水利水運科學研究,1999,(2).

[4] 靳國厚,高霈生,呂斌秀.明渠冰情預報的數學模型[J].水利學報,1997,(10).