南水北調(diào)水內(nèi)冰對(duì)冰期輸水的影響及分析

顏炳池

（河北省大清河河務(wù)管理處，河北保定 071051）

南水北調(diào)水內(nèi)冰對(duì)冰期輸水的影響及分析

顏炳池

（河北省大清河河務(wù)管理處，河北保定 071051）

水內(nèi)冰是北方地區(qū)河渠冰期輸水出現(xiàn)的主要冰情之一，是形成流冰花、動(dòng)態(tài)冰蓋、冰塞的物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)1994～1997年3個(gè)冬季的冰期輸水原型觀測(cè)，歸納總結(jié)了水內(nèi)冰的產(chǎn)生、發(fā)展、消失的變化規(guī)律及水內(nèi)冰對(duì)冰期輸水的影響。

南水北調(diào)；冰期輸水；水內(nèi)冰

1 水內(nèi)冰

1.1 產(chǎn)生條件

水內(nèi)冰是水流處于過冷卻時(shí)在紊動(dòng)的水流條件下形成的，除了紊動(dòng)和過冷卻這兩個(gè)條件外，還需在水中存在一定的冰晶核，如從空氣中墜入的塵埃或從岸冰脫落的冰顆粒［1］。形成冰晶核之后，在與周圍水體的熱交換過程中，冰晶顆粒增大。冰晶數(shù)量增多的原因是冰晶的二次成核［2］，當(dāng)大顆粒的冰晶與其他冰晶或固體邊碰撞時(shí)，就會(huì)有小的冰晶顆粒從其脫落而形成新的冰晶［3］。

1.2 觀測(cè)方法

依據(jù)《河流冰情觀測(cè)規(guī)范》水內(nèi)冰觀測(cè)采用冰網(wǎng)觀測(cè)，觀測(cè)設(shè)備為半球型冰網(wǎng)。冰網(wǎng)觀測(cè)只能觀測(cè)到水內(nèi)冰的產(chǎn)生、發(fā)展及分布，是定性的觀測(cè)。為了定量測(cè)量水內(nèi)冰的含量，創(chuàng)造性地進(jìn)行了水內(nèi)冰含量觀測(cè)，觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置與冰網(wǎng)的設(shè)置相同，以便于兩者的比較。

1.3 生消變化規(guī)律

水內(nèi)冰的產(chǎn)生與消失隨水溫的變化而變化，而水溫的變化主要受氣溫的影響。從年生消變化看，水內(nèi)冰一般在12月份左右產(chǎn)生，至次年的2月份完全消失［4］。這是從水內(nèi)冰最早產(chǎn)生的時(shí)間點(diǎn)統(tǒng)計(jì)得出，不能說從此日開始每天就都有水內(nèi)冰產(chǎn)生。實(shí)際上，無論是寒冬、平冬還是暖冬，水內(nèi)冰的產(chǎn)生及動(dòng)態(tài)冰蓋的形成都是隨著較強(qiáng)的天氣降溫過程產(chǎn)生的，整個(gè)冬季一般有3～5次較強(qiáng)的降溫過程，其他的時(shí)段一般不會(huì)產(chǎn)生水內(nèi)冰或只產(chǎn)生較少的水內(nèi)冰，對(duì)輸水的影響較小。

從水內(nèi)冰的日生消變化分析，水溫隨氣溫每日做周期性變化。一般情況下水溫最高點(diǎn)出現(xiàn)在每日20時(shí)左右，最低點(diǎn)出現(xiàn)在次日6～8時(shí)。水內(nèi)冰的產(chǎn)生和消失沒有固定時(shí)間，一般最低氣溫低于-6℃時(shí)水內(nèi)冰開始產(chǎn)生，至8時(shí)出現(xiàn)峰值，此后由于太陽(yáng)輻射氣溫回升，水溫升高，水內(nèi)冰逐漸減少直至消失。若日平均氣溫低于-6℃時(shí)，則全天都有水內(nèi)冰產(chǎn)生［5］。

1.4 分布

1.4.1 當(dāng)河渠表面流速小于0.3m/s時(shí)，河渠表面水流為層流

在水流表面產(chǎn)生的冰核冰晶，不會(huì)潛入到水中，而是迅速發(fā)展成較薄的冰片，由岸邊相對(duì)流速更小的地方產(chǎn)生岸冰，再由岸冰向河渠中心發(fā)展形成穩(wěn)定的靜態(tài)冰蓋。這種情況下沒有水內(nèi)冰，這在引黃濟(jì)淀冬季輸水中較為常見。在近幾年南水北調(diào)中線總干渠冰期從河北向北京的試驗(yàn)性輸水中也可以看到這種冰情形式，也就是人們常說的冰蓋下輸水。

1.4.2 當(dāng)河渠水流大于0.3m/s時(shí)，河渠水流為紊流狀態(tài)

在水面產(chǎn)生的冰核冰晶潛入水中，并在過冷狀態(tài)下發(fā)展。當(dāng)水內(nèi)冰含量小于飽和挾冰能力時(shí)，在水面上看不到流冰花，或只有很少量流冰花，此時(shí)水內(nèi)冰的分布為：流速較大的地方水內(nèi)冰較多，流速較小的地方水內(nèi)冰較少；主要表現(xiàn)：在橫斷面上，中部流速較大的地方水內(nèi)冰較多，靠近兩岸邊流速較小的地方水內(nèi)冰較少。在鉛垂方向上，上部較多，下部較少。

1.4.3 當(dāng)河渠水流流速大于0.3m/s時(shí)，水內(nèi)冰含量大于飽和挾冰能力

遇較強(qiáng)的降溫過程時(shí)，水內(nèi)冰在過冷的水中迅速發(fā)展，水內(nèi)冰增多增大，并上浮至水面形成較小的冰花團(tuán)，這些冰花團(tuán)經(jīng)相互碰撞“粘接”成較大冰花團(tuán)。冰花團(tuán)中孔隙水經(jīng)與冷空氣熱交換，變成一定強(qiáng)度厚度的冰塊，這時(shí)流冰花團(tuán)就變成了流冰。隨著水面流冰的增多，當(dāng)流冰疏密度大于0.6時(shí)，在一定的邊界條件下，如彎道、節(jié)制閘前、逐漸縮窄的漸變段、攔冰索等，就會(huì)產(chǎn)生流冰堆積形成的動(dòng)態(tài)冰蓋或冰橋。

2 水內(nèi)冰對(duì)輸水的影響

2.1 當(dāng)水內(nèi)冰在水流流速小于0.3m/s時(shí)

沒有水內(nèi)冰，水內(nèi)冰對(duì)輸水沒有影響，但靜態(tài)冰蓋對(duì)水流有影響。

2.2 當(dāng)水內(nèi)冰含量小于等于水流飽和挾冰能力時(shí)

水面有少量的流冰花，不能形成冰蓋，此時(shí)水內(nèi)冰對(duì)輸水的影響主要表現(xiàn)在：①如河渠斷面變化不大，一般上午8時(shí)的水位較下午14時(shí)的水位高1～3cm，原因是冰水混流，使水流流速略有減小，使水位抬高；②如輸水河段內(nèi)有節(jié)制閘、涵洞、渡槽等建筑物時(shí)，由于水內(nèi)冰在閘墩、涵洞、渡槽與水的接觸面有凝結(jié)作用，較厚的水內(nèi)冰可使有效接觸斷面減少，壅高上游水位；③如河段內(nèi)有欄污柵，應(yīng)引起相重視和警惕，因?yàn)闄谖蹡派蠘O易凝結(jié)水內(nèi)冰，使過水?dāng)嗝婷娣e大大減少，阻水將相當(dāng)嚴(yán)重。

2.3 當(dāng)水內(nèi)冰含量大于飽和挾冰能力時(shí)

對(duì)于大于飽和挾冰能力的水內(nèi)冰部分，水內(nèi)冰會(huì)浮至水面形成流冰花，在漂移碰撞過程中，逐漸變大硬化形成盤狀流冰，這些流冰堆積形成動(dòng)態(tài)冰蓋或冰橋。如冰蓋前緣還有來量較多強(qiáng)度較大的流冰，這些流冰就會(huì)堆積在冰蓋前，慢慢形成新的冰蓋，使冰蓋向前發(fā)展。對(duì)于來量較少?gòu)?qiáng)度較小的流冰或冰花團(tuán)，在冰蓋的前緣只有少數(shù)的冰花滯留在那里形成冰蓋，大部分的冰花則下潛至冰蓋的底部形成冰塞。這一點(diǎn)像泥沙運(yùn)動(dòng)的推移質(zhì)。冰蓋下冰花堆積的厚度很大，觀測(cè)到的數(shù)據(jù)達(dá)到0.5～1m，同時(shí)還伴有嚴(yán)重的河床沖刷現(xiàn)象，阻水相當(dāng)嚴(yán)重。

3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及采取措施

3.1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

3.1.1 欄污柵

欄污柵是影響冰期輸水最為關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)。由于在欄污柵上有凝結(jié)水內(nèi)冰的特點(diǎn)，在流冰期很容易在柵格上凝結(jié)水內(nèi)冰使過水?dāng)嗝鏈p少，影響過流。在結(jié)冰初期，即冰蓋形成初期，流冰及流冰花團(tuán)在此堆積并下潛，形成冰塞。冰塞與柵格凝結(jié)水內(nèi)冰，這兩種不利因素組合在一起，可能把整個(gè)過水?dāng)嗝嫒慷氯?/p>

3.1.2 渡槽

渡槽的結(jié)構(gòu)與輸水渠道不同。渡槽的四周都暴露在空氣中，當(dāng)氣溫低于0℃時(shí)，空氣與渡槽混土結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱傳導(dǎo)交換，使混凝土溫度也低于0℃，這樣當(dāng)有水內(nèi)冰時(shí)，水內(nèi)冰就會(huì)凝結(jié)在渡槽內(nèi)壁，使過水?dāng)嗝鏈p少，同時(shí)加大渡槽的糙率影響輸水。溫度越低水內(nèi)冰越多，水內(nèi)冰凝結(jié)厚度越大則影響越嚴(yán)重。但渡槽還有一個(gè)特點(diǎn)，就是氣溫較低時(shí)渡槽內(nèi)壁對(duì)凝結(jié)水內(nèi)冰起加速的作用，當(dāng)氣溫轉(zhuǎn)正時(shí)渡槽內(nèi)壁會(huì)加速水內(nèi)冰融化。

3.1.3 節(jié)制閘

水體中有水內(nèi)冰時(shí)，在閘墩閘門上，都會(huì)凝結(jié)水內(nèi)冰，在冰蓋形成初期，未露出水面的閘門，又成了主要的欄冰設(shè)施，是冰蓋形成的主要邊界條件，并加速冰蓋的形成。在閘門開度以上至冰面都會(huì)被冰花堵滿，影響過閘流量。

3.1.4 冰蓋前緣

對(duì)由于流冰堆積形成的動(dòng)態(tài)冰蓋，在其前緣無論是向前發(fā)展，還是冰花下潛形成冰塞，都會(huì)壅高上游水位。

3.2 采取措施

（1）對(duì)于攔污柵，可采取欄污柵加熱的方法，使其融化或不凝結(jié)水內(nèi)冰，也可采取冰期輸水期間去掉攔污柵。

（2）對(duì)于渡槽，要盡量使內(nèi)壁少結(jié)水內(nèi)冰，最好在其四周采取保溫措施，其次在渡槽上游，盡早形成冰蓋，減少渡槽上游水內(nèi)冰的來量。

（3）對(duì)于節(jié)制閘，為了保證其調(diào)節(jié)靈活，使其不凝結(jié)或少凝結(jié)水內(nèi)冰，可采取加熱的方法，使其融化或不凝結(jié)水內(nèi)冰。

（4）對(duì)于冰蓋冰塞的影響措施，在冰期輸水時(shí)可適當(dāng)降低調(diào)水流量，抬高水位，降低流速，降低水—?dú)饨缑鏌峤粨Q速度，減少水內(nèi)冰量，減小對(duì)輸水的影響。

4 結(jié)語

通過從1994～1997年3個(gè)冬季的冰期輸水原型觀測(cè)及近些年的研究，充分認(rèn)識(shí)到水內(nèi)冰是水流流速大于0.3m/s時(shí)一切冰情冰害的根源。因此在南水北調(diào)冰期輸水的運(yùn)用管理中，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。

［1］Osterkemp T.Frazil Ice Formation:A Review［J］.Hydraulics Division，A SCE.1978，104，1239-1255.

［2］Betchelor G K.Mass transfer from small particles suspended in turbulent fluid.［J］.Journal of Fluid Mechanics，1998（3）: 609-623.

［3］吳劍疆，茅澤育，王愛民，等.河道中水內(nèi)冰演變的數(shù)值計(jì)算［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003（5）.

［4］吳新玲，顏丙池，寧夕英.水內(nèi)冰對(duì)建筑物的影響分析［J］.河北水利水電技術(shù)，2002（2）.

［5］河北省大清河河務(wù)管理處．1996～1997年冬季南拒馬河、大清河、白溝引河冰期輸水觀測(cè)成果分析報(bào)告［R］．1997．

［6］河北省大清河河務(wù)管理處．1995～1996年冬季南拒馬河、大清河、白溝引河冰期輸水觀測(cè)成果分析報(bào)告［R］．1996．

Impact of Frazil on the Water Diversion in Ice Period and Analysis

YAN Bing-chi
（Daqinghe River Management Office of Hebei Province，Baoding 071051，China）

The frazil appears in northern channels of China.It is one of the main ice conditions in ice period.Frazil is also the basic material to form ice flow，dynamic ice cover and the ice plug.The paper is based on the prototype observation for the ice period in three whole winters of 1994 to 1997.It summarizes the production，development and disappearance of the frazil change rule and the impact of the frazil on the water diversion in ice period.

South-to-North Project;water diversion in ice period;frazil

TV12

B

1672-9900（2014）03-0023-03

2014-04-14

顏炳池（1963-），男（漢族），河北大城人，高級(jí)工程師，主要從事水利工程管理工作，（Tel）13013259679。