東北地區(qū)水利水電工程施工期冰情預(yù)報(bào)及度凌措施

白花琴，劉書(shū)寶

（1.水利部松遼水利委員會(huì)，吉林長(zhǎng)春130021；2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)公司北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京100024）

東北地區(qū)冬季長(zhǎng)達(dá)5～6個(gè)月，最低氣溫達(dá)-40℃左右，河流穩(wěn)定封凍期長(zhǎng)達(dá)120～150 d，冰厚達(dá)1.0 m左右。水利水電工程截流后，顯著的改變了河流的天然狀態(tài)，表現(xiàn)為壩區(qū)過(guò)流斷面縮窄或河勢(shì)改變，河道的過(guò)流能力明顯降低，致使壩區(qū)河段在流凌期有可能形成冰塞或冰壩，對(duì)施工安全構(gòu)成威脅。因此在東北地區(qū)水利水電工程施工期應(yīng)加強(qiáng)冰情監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，并輔以有效的工程措施，確保工程在施工期安全渡凌。

1 冰情預(yù)報(bào)方案的編制

根據(jù)東北地區(qū)蓮花水電站、尼爾基水利樞紐工程渡凌期對(duì)冰凌洪水預(yù)報(bào)的要求，預(yù)報(bào)方案編制的主要內(nèi)容為：封江日期預(yù)報(bào)、開(kāi)江日期預(yù)報(bào)、開(kāi)江期最高水位預(yù)報(bào)。

1）封江日期預(yù)報(bào)。河流封凍現(xiàn)象的發(fā)生本質(zhì)上是熱力因素起主導(dǎo)作用，故預(yù)報(bào)因子選擇應(yīng)著眼于熱力因子。初冬氣溫穩(wěn)定轉(zhuǎn)負(fù)使河流水體不斷的降溫直達(dá)0℃，并達(dá)到過(guò)冷卻產(chǎn)生冰凌現(xiàn)象。因此日平均氣溫穩(wěn)定轉(zhuǎn)負(fù)日期直接影響封凍日期的早晚，是影響封凍的主要因子。

氣溫轉(zhuǎn)負(fù)后，每一年的降溫過(guò)程都不同，直接影響水溫的下降速度。觀測(cè)資料表明：水溫達(dá)到過(guò)冷卻的速度與氣溫下降的強(qiáng)度有直接的關(guān)系，每一次寒潮的侵襲都會(huì)使氣溫的明顯下降，同時(shí)也造成河流封凍過(guò)程的迅速發(fā)展，因此降溫強(qiáng)度也是反映封凍日期早晚的重要因子，用氣溫轉(zhuǎn)負(fù)日至氣溫小于-10℃出現(xiàn)日的間隔天數(shù)反映氣溫轉(zhuǎn)負(fù)后的降溫幅度。封江日期預(yù)報(bào)方案的表達(dá)式是：

式中：d封——封江日期；dt——壩區(qū)代表性氣象站日平均氣溫穩(wěn)定轉(zhuǎn)負(fù)日；△Tf——為氣溫轉(zhuǎn)負(fù)日至氣溫小于-10℃出現(xiàn)的間隔天數(shù)。

2）開(kāi)江日期預(yù)報(bào)。開(kāi)江日期預(yù)報(bào)通過(guò)河流封凍天數(shù)來(lái)間接預(yù)報(bào)。河流由封凍到解凍，本質(zhì)上是熱力因素作用的結(jié)果，因此開(kāi)江日期預(yù)報(bào)方案編制時(shí)首先應(yīng)考慮熱力因子，據(jù)分析春季日均氣溫穩(wěn)定轉(zhuǎn)正以后，氣溫回升的強(qiáng)度對(duì)開(kāi)江日期有較明顯的影響，反映這一特征的指標(biāo)是日平均氣溫達(dá)到5℃出現(xiàn)的日期。其次河流的封凍天數(shù)還與封江初始日期有關(guān)，封江初始日期早，當(dāng)解凍日相同時(shí)，則封江歷時(shí)長(zhǎng)些，反之則短些，故封江日期也是影響開(kāi)江日期的重要因子之一。開(kāi)江日期預(yù)報(bào)方案的表達(dá)式為：

式中：ds——封凍天數(shù)；d5℃——壩區(qū)代表性氣象站日均氣溫不小于5℃出現(xiàn)日期；d封——壩區(qū)河道前一年封凍日期。

3）開(kāi)江最高水位預(yù)報(bào)。影響開(kāi)江水位的因素是復(fù)雜的，河流從封凍到解凍，是冰情現(xiàn)象的一次突變，在這一變化過(guò)程中，水力和熱力因素對(duì)開(kāi)江最高水位（Zmax）都會(huì)有直接或間接的影響。從成因上分析，開(kāi)江最高水位不僅與開(kāi)江流量有關(guān)，同時(shí)與冰情變化也有直接的關(guān)系，大量的觀測(cè)資料表明，冰情的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于固定斷面的水位的影響是復(fù)雜的，具有不確定性。

影響開(kāi)江水位最直接的水力因子是流量，但考慮到開(kāi)江期水文測(cè)驗(yàn)困難，整編精度不高等因素，不宜直接采用該因子。經(jīng)分析和篩選，采用以下2個(gè)因子來(lái)間接反映水力因素。a)預(yù)報(bào)依據(jù)站4月1日水位（Z4.1），這一指標(biāo)反映開(kāi)江前的基礎(chǔ)水位即基礎(chǔ)槽蓄量，其對(duì)開(kāi)江最高水位（Zmax）是有影響的；b)冬季11月至開(kāi)江前累積降水量∑P11～開(kāi)，開(kāi)江期水量補(bǔ)給與冬季的降水量有一定關(guān)系，常用來(lái)間接反映水力因素，但補(bǔ)給量與氣溫有關(guān)系。

影響開(kāi)江最高水位的熱力因子是開(kāi)江期溫度上升的強(qiáng)度，溫度上升強(qiáng)度大開(kāi)江快，反之則慢。反映這一指標(biāo)的因子是氣溫穩(wěn)定轉(zhuǎn)正日至開(kāi)江日的間隔日數(shù)（△Tk），間接的反映了氣溫轉(zhuǎn)正后的增溫過(guò)程，△Tk越小，增溫梯度越大，開(kāi)江較快，則冰情對(duì)開(kāi)江最高水位影響大些，反之增溫緩慢，水勢(shì)平穩(wěn)，水位漲幅可能小些。開(kāi)江最高水位預(yù)報(bào)方案的表達(dá)式為：

式中：Zmax——開(kāi)江最高水位，m；Z4.1——壩區(qū)依據(jù)水文站4月1日水位；△Tk——代表性氣象站日平均氣溫穩(wěn)定轉(zhuǎn)正日至開(kāi)江日的間隔時(shí)間，d；∑p11～開(kāi)——去冬11月至開(kāi)江前斷面以上的降水總量，mm。

冰情預(yù)報(bào)要求工程渡凌期加強(qiáng)水文、氣象觀測(cè)，不斷更新氣象要素預(yù)報(bào)成果，并根據(jù)最新的觀測(cè)資料對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果訂正，確保其預(yù)報(bào)成果有一定的精度，為防凌工作的開(kāi)展提供必要的技術(shù)支撐。

2 工程度凌措施

2.1 工程度凌破冰河段的選擇

水利水電工程施工期破冰的目的是在導(dǎo)流河段及其下游在開(kāi)江期形成暢流河段。原蘇聯(lián)的一些水電工程的度凌實(shí)踐總結(jié)表明，要求破除防護(hù)工程上下游10 km河道的冰蓋，顯然這些對(duì)我國(guó)而言從經(jīng)濟(jì)上都不易做到，對(duì)我國(guó)東北地區(qū)施工期渡凌應(yīng)因地制宜，具體問(wèn)題具體分析，選擇合理的破冰河段及長(zhǎng)度。

東北地區(qū)白山水電站、蓮花水電站、小山水電站、尼爾基水利樞紐等幾個(gè)工程渡凌河道破冰長(zhǎng)度的實(shí)例表明，河道破冰長(zhǎng)度達(dá)到了渡凌的效果。一般情況下，根據(jù)冰情條件，在導(dǎo)流工程上下游一定距離，河流易形成擁堵的彎段、束窄段、橋墩、閘前等阻塞冰凌的障礙處進(jìn)行爆破除冰。破碎冰的范圍，其長(zhǎng)度一般可延伸至窄深、彎道等上下游一定距離,一般不少于河寬的3倍。若導(dǎo)流工程上下游河道比較順直，根據(jù)導(dǎo)流工程的導(dǎo)流形式和形態(tài)規(guī)模等條件，其各自破冰長(zhǎng)度一般也不必超過(guò)5 km。

2.2 破冰寬度

國(guó)內(nèi)外大量工程渡凌的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,河道破冰寬度一般為天然河道冬季河寬的50%左右。對(duì)天然河道而言，靠近岸邊有效水深已很小，甚至有相當(dāng)寬度的連底凍，而且開(kāi)江期由于水力因素的作用，往往是河流中泓先開(kāi)江，因此破冰選擇河道中心線左右約50%是合適的。

2.3 破冰時(shí)機(jī)

當(dāng)日最高氣溫穩(wěn)定轉(zhuǎn)正后即可進(jìn)行爆破,此時(shí)冰蓋，質(zhì)地尚堅(jiān)硬，效率高，而且破冰后不易復(fù)凍。破冰過(guò)早會(huì)破而復(fù)凍，甚至前功盡棄，造成浪費(fèi)；破冰過(guò)晚，匆忙被動(dòng)甚至有一定的危險(xiǎn)，并且冰層發(fā)粘，破冰效果不好。

3 工程渡凌的非工程措施

3.1 成立安全渡凌領(lǐng)導(dǎo)小組

嚴(yán)重的凌汛可能導(dǎo)致基坑被冰水混合物所淹，進(jìn)而影響工程的施工工期，因此工程建設(shè)管理部門(mén)應(yīng)該像重視汛期洪水一樣重視凌汛洪水，在凌汛到來(lái)時(shí)要成立工程度凌領(lǐng)導(dǎo)小組，負(fù)責(zé)應(yīng)急預(yù)案的制定，防凌物資的準(zhǔn)備，防凌工作的演習(xí)等工作，確保防凌隊(duì)伍來(lái)之能戰(zhàn)，戰(zhàn)之能勝，確保在發(fā)生特殊情況時(shí)工程能夠安全度凌。

3.2 冰情監(jiān)測(cè)工作

工程度凌期要做好冰情監(jiān)測(cè)工作，監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目包括基坑上下游的水位，導(dǎo)流建筑物附近的水位等，增加觀測(cè)次數(shù)。加強(qiáng)巡測(cè)工程區(qū)整個(gè)河段的冰情，發(fā)現(xiàn)水位大幅度上漲及工程上下游發(fā)生冰凌壅堵等不利于工程度凌的情況，要及時(shí)報(bào)告防凌指揮部門(mén)，采取有效措施，確保工程安全度凌。

3.3 冰情預(yù)報(bào)工作

寒冷地區(qū)施工的水利水電工程，在工程招標(biāo)階段要進(jìn)行有關(guān)冰情預(yù)報(bào)方案的編制招標(biāo)工作，在工程截流前完成冰情預(yù)報(bào)方案的編制工作。在預(yù)報(bào)過(guò)程中要根據(jù)最新實(shí)測(cè)的水文氣象資料，對(duì)冰情預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行修訂，使冰情預(yù)報(bào)結(jié)果有一定的精度。

4 結(jié)語(yǔ)

1）東北地區(qū)水利水電工程施工期均存在冰情問(wèn)題，冰凌洪水是東北地區(qū)常見(jiàn)的洪水，他的特別之處是一旦洪水進(jìn)入基坑，清除冰水混合物要花費(fèi)大量的人力物力，甚至影響施工工期，因此在寒冷地區(qū)施工導(dǎo)流期應(yīng)重視工程的防凌渡凌工作。

2）在工程招標(biāo)階段，工程渡凌的冰情觀測(cè)、冰情預(yù)報(bào)方案的編制、工程渡凌的工程措施均應(yīng)納入正常的招標(biāo)程序，確保工程渡凌的工程措施和非工程措施的實(shí)施。

3）根據(jù)寒冷地區(qū)水利水電工程水文氣象特性，編制施工期冰情預(yù)報(bào)，加強(qiáng)冰情觀測(cè)，是當(dāng)好防汛部門(mén)耳目和參謀的基礎(chǔ)。

4）施工期應(yīng)選擇基坑上下游對(duì)工程渡凌不利的河段進(jìn)行冰蓋爆破，在開(kāi)江期預(yù)先形成暢流河段，使上游河段的冰凌能順利通過(guò)該河段，確?；影踩?。

5）在凌汛期成立工程渡凌領(lǐng)導(dǎo)小組，制定應(yīng)急預(yù)案，儲(chǔ)備必要的防凌物資，做好應(yīng)急情況演練是做好工程安全渡凌的關(guān)鍵。

［1］楊昕，劉書(shū)寶，等嫩江尼爾基水利樞紐工程施工期冰情預(yù)報(bào)方案編制報(bào)告［R］.

［2］段元?jiǎng)?，?冰凌爆破技術(shù)探討［J］.冰川凍土，2003（S2）.

［3］王鐵鋒，劉書(shū)寶，等.寒冷地區(qū)水利水電工程施工期冰問(wèn)題及對(duì)策［J］.冰川凍土，2003（S2）.