南水北調(diào)中線干渠冰期輸水冰情分析及冰害防治措施

劉建軍，滕麗娟，劉嘉偉

（1.河北省桃林口水庫管理局，河北 秦皇島066004；2.秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島066004；3.承德水文水資源勘測局，河北 承德067000）

高緯度地區(qū)的河流、渠道在冬季會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，形成水內(nèi)冰、浮冰和冰蓋［1］。南水北調(diào)中線總干渠自丹江口水庫陶岔閘渠首至北京玉淵潭全長1240km，全程有1700多個(gè)交叉建筑物，向沿程5省市輸水。冬季丹江口水庫水溫為4 ℃左右，渠道跨越8個(gè)地理緯度，沿程氣溫逐漸降低，安陽以北地區(qū)氣溫在0 ℃以下，極端氣溫可達(dá)零下十幾甚至二十幾攝氏度，總干渠北部出現(xiàn)冰問題是不可避免的?？偢汕爻毯吭龃?，有可能產(chǎn)生冰塞冰壩，影響冬季輸水；總干渠橫斷面發(fā)生變化時(shí)，如渠道轉(zhuǎn)彎、斷面收縮或擴(kuò)大、渠道與渡槽等交叉建筑物相銜接等處均可能發(fā)生冰害，產(chǎn)生冰塞、冰壩，閘前后結(jié)冰使建筑物遭破壞。此外，河北省段所處的地理環(huán)境氣候條件、水文地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)運(yùn)用情況，決定了其具有發(fā)生冰凍害的必然性［2］。

1 總干渠沿線冰情

1.1 河北沿線氣候特征

南水北調(diào)中線干渠河北省段供水區(qū)位于華北平原中部，受西北冷空氣影響大，據(jù)中線總干渠沿程磁縣、永年、內(nèi)丘、元氏、唐縣、滿城、易縣、淶水8個(gè)氣象站多年統(tǒng)計(jì)，南水北調(diào)中線干渠河北沿線每年12月上旬至次年2月下旬日平均氣溫均在0 ℃以下，其中最低極端氣溫在零下20 ℃以下，低于寒冷氣候區(qū)最冷月平均氣溫-10 ℃≤ta≦-3 ℃標(biāo)準(zhǔn)，屬寒冷氣候區(qū)。

1.2 河北供水區(qū)出現(xiàn)冰情的必然性

1.2.1 地域跨度大 氣候梯度大

南水北調(diào)中線干渠河北省段線路長超過400km，沿線所經(jīng)區(qū)域緯度差別大，氣象指數(shù)梯度大，中線干渠南部為寒冷氣候區(qū)和溫和區(qū)交叉地帶，中北部為寒冷氣候區(qū)，最冷月平均氣溫在零下3 ℃，極易產(chǎn)生冰花、冰凌，并在特定水流條件下形成冰蓋。

1.2.2 工程規(guī)模大 交叉建筑多

南水北調(diào)中線總干渠流量大，流速也很大，渠道內(nèi)較大的輸水流速使水內(nèi)含冰量增加，為流冰花下潛提供了動(dòng)力條件，利于形成冰塞冰壩；總干渠沿線交叉建筑物多，用戶多，輸水分水的流量不穩(wěn)定，易于形成流冰或冰阻，且建筑物的局部遮蔭作用使冰情更復(fù)雜化。

1.2.3 水流方向由低緯度向高緯度

南水北調(diào)中線總干渠輸水方向由南往北，從低緯度區(qū)流向高緯度區(qū)，由溫和區(qū)流向寒冷氣候區(qū)，結(jié)冰期冰花向北愈積愈多，易形成冰害；解凍期，南部開河解凍，北部還在堅(jiān)冰期，形成倒開河，易產(chǎn)生冰塞，隨著水力條件的增強(qiáng)還有可能造成武開江，如果水流中含大量的冰塊，則為冰壩發(fā)生提供了物質(zhì)條件和動(dòng)力條件。

1.3 渠道冰期輸水冰情及其產(chǎn)生條件

1.3.1 冰期輸水可能遇到的冰情

當(dāng)氣溫降至0 ℃以下時(shí)，水溫下降且達(dá)到凝固點(diǎn)，渠道緩流渠段上會(huì)形成大量冰花，并在岸邊形成初生薄岸冰，冰在水流作用下破碎與冰花一起輸移，渠道則開始流凌。當(dāng)流凌密度達(dá)到一定程度時(shí)，在渠道與水工建筑物交叉處、斷面顯著變化處，由于流凌速度減小或發(fā)生回流渦流，使流凌冰塊輸移受阻、壅塞，形成冰橋，隨冰橋面積擴(kuò)大，渠道進(jìn)入封凍階段。在封凍過程中，冰橋兩側(cè)結(jié)冰擴(kuò)大形成冰蓋。當(dāng)冰蓋前緣的水流動(dòng)能足夠大時(shí)，冰蓋前緣冰花下潛堆積形成冰塞。春季氣溫回升，渠道進(jìn)入流凌期，總干渠流向由南向北，且跨越地理緯度大，溫差大，會(huì)出現(xiàn)上游冰融，下游冰處于堅(jiān)實(shí)的狀態(tài)，上游來冰會(huì)在河床束窄處、彎道處、坡度由陡變緩處、及堅(jiān)實(shí)冰塞前受到阻礙卡冰結(jié)壩，形成冰壩。

1.3.2 冰蓋形成條件

冰蓋是在特定的條件下冰凌堆積、加密，在水面上形成的一層堅(jiān)實(shí)冰。冰蓋生成往往需要3個(gè)條件：①一定的河道形態(tài)，冰蓋起初易形成于河道的彎曲凸岸、水庫的回水末端、及縱斷面由急變緩處；②充分的冰花、冰塊，即足夠大的流凌密度；③封凍前緣處的流速滿足臨界條件。

當(dāng)流凌密度達(dá)到中度流冰的較大值或全面流冰時(shí)，在一定的渠道形態(tài)和水力條件下流冰運(yùn)動(dòng)不暢，相互擁塞，凍結(jié)形成冰橋或冰拱，面積漸增，渠道開始進(jìn)入卡冰封河狀態(tài)，形成初始冰蓋，冰蓋在特定的條件下分別以平鋪上溯式、水力加厚式和力學(xué)加厚式3種形式向上游發(fā)展。

1.3.3 冰塞形成條件

渠道封凍過程中，水流中隨主流向下游移動(dòng)的大量冰花遇到障礙物或者流凌量大于渠道最大過冰能力時(shí)，冰花聚集形成連續(xù)冰橋。當(dāng)水流流速較小時(shí)，上游所來冰花停止在冰橋上游，冰蓋開始形成且不斷向下游發(fā)展，當(dāng)水流流速較大時(shí)，上游所來冰花下潛到自己形成的冰蓋下面，冰在冰蓋下移動(dòng)、聚集、使冰蓋加厚，形成初始冰塞。

冰塞的形成條件：①有足夠的冰花；②有阻止冰花通過的邊界，一般出現(xiàn)在河道的坡度由陡變緩，由寬變窄，河槽彎曲段，水庫的回水末端，河道與水工建筑物的交叉處等；③水流速度達(dá)到冰花下潛的臨界流速。

1.3.4 冰壩形成條件

冰壩是在冰凌水流演進(jìn)中，因過水?dāng)嗝媸湛s、河槽比降減緩或原型封凍冰蓋等使過流能力減小，由塊大質(zhì)堅(jiān)的冰塊上爬下插堆積而成。

冰壩的形成條件：①上游河段有足夠數(shù)量和強(qiáng)度的冰塊；②具有輸送大量冰塊的水流條件；③具有阻止大量流冰的邊界條件，如河道比降由陡變緩處、水庫回水末端、河流入湖或入海地區(qū)、河流急彎段、河道狹窄處及有冰塞的河段處。

1.4 河北供水區(qū)沿線冰情［3］

武漢水電大學(xué)和長江科學(xué)院 《冰期輸水計(jì)算分析》中以1979～1980年和1976～1977年為典型年，代表一般平冬年和寒冷年進(jìn)行數(shù)模分析。1979～1980年為平冬年，最冷月平均氣溫:邢臺(tái)-1.9 ℃，石家莊-2.3 ℃，滿城-3.5 ℃，出現(xiàn)有影響的寒潮9次，比平均值多45%。1976～1977年寒冬年最冷月平均氣溫：邢臺(tái)-5.2 ℃，石家莊-6 ℃，滿城-7.1 ℃，出現(xiàn)有影響的寒潮11次，比平均值多77%，為22年中的首位。據(jù)此進(jìn)行數(shù)模分析，在平均輸水情況下的冰期天數(shù)和輸冰量如表1。

表1 平冬和冷冬年冰期歷時(shí)

從表1中看出，平冬年石家莊以北的流冰期達(dá)40d，滿城縣60d，北拒馬78d。水利部水科院《南水北調(diào)中線工程冬季輸水冰情初步研究》提出：上游來冰凌流量大于河道的允許過水能力時(shí)，渠道中就會(huì)出現(xiàn)冰凌堆積而形成冰塞。由總干渠斷面要素分析得出：鄭州到北京沿線各段的河段最大過冰能力在0.28～0.1m3/s之間，表中計(jì)算的最大流冰量，平冬年1.38～1.55m3/s，冷冬年1.4～8.56m3/s，均大大超過允許值，說明極易產(chǎn)生冰塞，發(fā)生冰害。

2 運(yùn)行過程中的冰害防治措施

2.1 利用排冰閘孔和蓄冰容積

南水北調(diào)中線干渠在相應(yīng)渠段兩側(cè)設(shè)置了排冰閘和人工蓄冰、滯冰池，當(dāng)上游所來流冰量大，渠道過水能力不足時(shí)，及時(shí)采取排冰減險(xiǎn)和冰凌儲(chǔ)存措施，避免冰花在渠道內(nèi)大量堆積、堵塞或排向下游。

2.2 設(shè)置攔冰設(shè)施 防止結(jié)冰封凍

在節(jié)制閘、倒虹吸、橋梁等交叉建筑物上游附近設(shè)置攔冰設(shè)施，及時(shí)排冰；為保證渠系上有排冰任務(wù)的閘門、攔污柵和起閉機(jī)等正常運(yùn)行，可借鑒已有工程經(jīng)驗(yàn)［4］，采取保溫法、加熱法、吹泡法、射流法、電脈沖法和微波振動(dòng)等措施。

2.3 冰蓋下輸水和無冰蓋輸水

冰蓋下輸水和流冰輸水運(yùn)用“遠(yuǎn)距離輸水渠道控制容量”的管理調(diào)度方法［5］，在輸水流量急劇變化的情況下，通過節(jié)制閘對(duì)閘門上游進(jìn)行常水位控制，以達(dá)到穩(wěn)定輸水的目的；有條件的渠道，采用無冰蓋輸水運(yùn)行方式，要求渠道流速不得小于臨界流速1.1m/s。

2.4 加強(qiáng)巡查預(yù)警

加強(qiáng)人工巡回及時(shí)排查險(xiǎn)情，條件許可的情況下還可以在渡槽及建筑物上游設(shè)置水位越限無線傳輸報(bào)警裝置，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情。

3 結(jié)語

（1）南水北調(diào)中線干渠工程規(guī)模大、地理跨度和氣候梯度也很大，河北省段南水北調(diào)中線供水區(qū)屬寒冷氣候區(qū)，鄭州到北京沿線各段河段的最大流冰量均大大超過允許值，極易產(chǎn)生冰塞，發(fā)生冰害。

（2）巨大的冰塞、冰壩可造成渠水漫溢。為防止南水北調(diào)中線干渠冰期輸水發(fā)生冰害，可采取蓄冰、排冰、輸冰、冰蓋下輸水等措施。

［1］王軍.河冰形成和演變分析［M］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［2］李書民.南水北調(diào)工程與淺層季節(jié)凍土區(qū)防冰凍研究［J］.河北水利水電技術(shù)，2002（2）：37-38.

［3］王流泉.南水北調(diào)中線總干渠冰期輸水的設(shè)計(jì)和管理［J］.南水北調(diào)與水利科技，2002（4）.

［4］徐志昌，楊永安，邢紅.水電站引水明渠抗凍措施的研究［J］.黑龍江水專學(xué)報(bào)，2001，28（2）.

［5］陸英，祁永吉，楊民才，等.青海引水式小水電站冬季的冰蓋運(yùn)行［J］.中國農(nóng)村水利水電，1997（7）.