長距離調(diào)水明渠冬季輸水冰情分析與安全調(diào)度

段文剛++黃國兵++楊金波++劉孟凱

摘要：結(jié)合南水北調(diào)中線總干渠2011年-2016年間5個冬季冰情原型觀測數(shù)據(jù)，分析了冰情時空分布特征、冰蓋厚度、冰情現(xiàn)象、冰情演變條件和特點(diǎn)等。2015年-2016年冬季輸水流量大，渠道水流流速0.25 ～0.67 m/s，加之遭遇罕見寒潮（-18.6℃）的疊加，局部渠段出現(xiàn)冰塞現(xiàn)象。結(jié)合總干渠閘前常水位運(yùn)行調(diào)度方式和渠池水流特點(diǎn)，提出了避免形成冰塞災(zāi)害的水流控制條件。即渠池上游控制斷面平均流速V≤040 m/s，F(xiàn)r≤0065；下游控制斷面平均流速V≤035 m/s，F(xiàn)r≤0055。建議持續(xù)加強(qiáng)全線冰情觀測，積累冰期輸水觀測數(shù)據(jù)，為優(yōu)化冬季輸水運(yùn)行調(diào)度和冰情預(yù)報提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：長距離調(diào)水工程；冰情；冰塞；立封；冰厚； 斷面流速；弗勞德數(shù)

中圖分類號：TV135文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：16721683（2016）06009609

1研究背景

南水北調(diào)中線工程是緩解我國華北地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺、優(yōu)化水資源配置、改善生態(tài)環(huán)境的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，2014年12月全線建成正式通水。該工程輸水干線全長1 432 km，其中陶岔渠首-北京團(tuán)城湖渠長1 276 km，天津干線渠長156 km（設(shè)西黑山進(jìn)口閘），線路跨越北緯33°～40°寒冷區(qū)。多年平均調(diào)水量95億m3，渠首設(shè)計(jì)流量350 m3/s，渠末設(shè)計(jì)流量50 m3/s。輸水方式以明渠為主，局部管涵為輔，沿線布設(shè)建筑物包括節(jié)制閘、分水口、退水閘、倒虹吸、隧洞、渡槽和暗涵等。截止2015年底，丹江口水庫入總干渠水量259億m3。冬季安陽以北渠道水流由于受寒冷氣溫影響，出現(xiàn)不同程度的冰情，輸水能力下降，總干渠處于無冰輸水、流冰輸水、冰蓋輸水等多種復(fù)雜運(yùn)行狀態(tài)，容易誘發(fā)冰塞冰壩及其他冰害。冰情生消演變機(jī)理復(fù)雜，涉及氣象條件、水力條件、渠道邊界條件和運(yùn)行調(diào)度等多種因素。總干渠全線自流輸水，無其它在線調(diào)蓄水庫，調(diào)蓄能力有限，采用閘前常水位運(yùn)行方式，冰期輸水調(diào)度難度大。

本文結(jié)合2011年-2016年間5個冬季冰情原型觀測數(shù)據(jù)，旨在分析中線總干渠冰情特征（如時空分布、冰蓋厚度和冰情特點(diǎn)等）；揭示冰塞形成誘因，研究冰害防治措施（工程措施和非工程措施）；從運(yùn)行調(diào)度方面提出避免形成冰塞的水流控制條件。從而實(shí)現(xiàn)冰期輸水安全、高效運(yùn)行，達(dá)到興利除害的目的[120]。

2冰情分析

2.1渠道邊界條件

南水北調(diào)中線工程輸水線路明渠全長1 198 km，平冬年份安陽以北近500 km渠道存在不同程度冰情，其中以總干渠最北端的京石段冰情最為嚴(yán)重。京石段輸水明渠全長228 km，南起石家莊附近的古運(yùn)河節(jié)制閘，北至北京房山的北拒馬河節(jié)制閘。沿線布設(shè)14座節(jié)制閘將京石段分隔為13個“渠池”串聯(lián)運(yùn)行，單池長9～27 km。渠段設(shè)計(jì)水力參數(shù)指標(biāo)總體由南至北（古運(yùn)河閘～北拒馬河閘）沿程逐級減小，設(shè)計(jì)流量Q=170～50 m3/s，設(shè)計(jì)底寬b=265～75 m，設(shè)計(jì)水深h=60～38 m，設(shè)計(jì)水面寬B=51～27 m，設(shè)計(jì)斷面平均流速V=100～075 m/s，設(shè)計(jì)水流弗勞德數(shù)Fr=0161～0117。渠道縱坡較緩i=1/25 000～1/20 000，設(shè)計(jì)明渠糙率n=0015。

從地形上來說，南段的古運(yùn)河閘-蒲陽河閘渠長115 km，輸水線路主要布置在華北平原，渠道交叉建筑物以穿越河流的倒虹吸為主，并結(jié)合布設(shè)節(jié)制閘；北段的蒲陽河閘-北拒馬河閘渠長113 km，輸水線路緊鄰太行山，主要穿越在丘陵山地之間，倒虹吸、隧洞、石渠和渡槽等明顯增多。一般來說，倒虹吸埋設(shè)于地面之下，與大氣熱交換不暢通，基本不產(chǎn)冰也不輸送冰；隧洞不產(chǎn)冰卻可輸送冰；渡槽、石渠和其他明渠為敞露水面，與大氣熱交換充分，既產(chǎn)冰又輸送冰；節(jié)制閘（含倒虹吸、隧洞等）下游1 km內(nèi)由于閘孔淹沒出流影響，水流紊動較為劇烈，水面不易形成封凍冰蓋。渠道束窄壅堵斷面（如倒虹吸、隧洞、渡槽、節(jié)制閘和橋墩等）、彎道和水力坡降由陡變緩處（渡槽和石渠下游），容易誘發(fā)冰塞險情，應(yīng)引起關(guān)注。

2.2氣象條件

南水北調(diào)中線最北端河北省境內(nèi)，冬季多晴天，氣候干燥寒冷，降水少。一般年份11月底氣溫開始轉(zhuǎn)負(fù)，次年2月底轉(zhuǎn)正，冬季負(fù)積溫值較低。近5年實(shí)測最低氣溫-9.0 ℃～-18.6 ℃，最冷月（1月）平均氣溫-1.7 ℃～-60 ℃（基本可劃分為寒冷區(qū)），負(fù)積溫-109.3 ℃～-299.7 ℃，見表1。

2015年-2016年冬季前半程氣溫偏暖，2016年1月21日由于受罕見寒潮影響，48小時內(nèi)氣溫下降近10℃，實(shí)測最低氣溫驟降至-186℃，為近年來最低氣溫極值，冰情生消演變呈現(xiàn)出新特征。

2.3水力條件

2011年-2014年前3年為京石段臨時通水，引用水源為河北省的黃壁莊水庫、王快水庫和安格莊水庫，用水戶只有北京。輸水渠線短，不足230 km；引水流量小，北京引水115～170 m3/s，遠(yuǎn)低于渠道設(shè)計(jì)流量。2014年-2016年后2年中線全線通水，引用水源為丹江口水庫，用水戶包括北京、天津和沿線部分分水口，5個冬季冰期輸水流量對比見表2。

2015年-2016年冰期輸水是全線正式通水運(yùn)行的第二個冬季，崗頭節(jié)制閘平均過閘流量453 m3/s，占該渠段設(shè)計(jì)流量的362%，明渠末端北拒馬河節(jié)制閘入京流量平均為307 m3/s，占該渠段設(shè)計(jì)流量的614%，西黑山分水閘入津流量平均為138 m3/s。冬季輸水流量較以往同期偏大近1倍，水流流速較高。如表3所示，京石段沿線控制斷面結(jié)冰期水深h=600～268 m，渠道斷面平均流速V=025～067 m/s，水流弗勞德數(shù)Fr=0033～0142。渡槽段流速達(dá)067～081 m/s。由此可分析渠池水力條件與冰情演變的相關(guān)關(guān)系。

水流流速是直接影響冰情形態(tài)演變的重要指標(biāo)。流速低、冰花團(tuán)密度高、流冰層面積大，渠道易形成冰蓋；流速大，水流搬運(yùn)和輸送冰塊的能力強(qiáng)，渠道不易形成封凍冰蓋；而當(dāng)流速大于某一臨界值時，則有利于冰花、碎冰在封凍冰蓋前緣下潛或堆積，造成冰塞、冰壩。

2.4冰情時空分布

[JP2]如表4所示，南水北調(diào)中線冰情時間分布主要在12月～次年3月，冰期輸水歷時63～98 d，封凍歷時32～62 d，受氣溫（如寒潮）和輸水調(diào)度影響，年際變化較大。冰情空間分布見表5，[HJ2.3mm]2011年-2014年前3個冬季僅京石段通水運(yùn)行，通水渠線總長226 km，幾乎呈全線封凍狀態(tài)。2014年-2015年冬季為首次全線通水運(yùn)行，氣溫偏暖，封凍段渠長86 km。

2015年12月16日開始出現(xiàn)岸冰，2016年2月17日冰情完全消失，全線冰期輸水歷時63 d；2016年1月14日開始形成封凍冰蓋，2月15日冰蓋消失，封凍歷時32 d，均較以往冬季歷時短，且封凍日期明顯滯后。封凍冰蓋前緣向南延伸至邢臺七里河倒虹吸節(jié)制閘（樁號835 km），封凍段渠長363 km。流冰前緣向南延伸至安陽河倒虹吸節(jié)制閘（樁號717 km），流冰段渠長481 km。總得來說，冰情自南向北可分為3段：安陽河節(jié)制閘-七里河節(jié)制閘約118 km渠段為流冰段、七里河節(jié)制閘-蒲陽河節(jié)制閘250 km渠段為分段封凍段（基本無冰塞）、蒲陽河節(jié)制閘-北拒馬河節(jié)制閘113 km渠段為穩(wěn)定封凍段（多處發(fā)生冰塞險情）。

2.5冰蓋厚度

如表6所示，在穩(wěn)定封凍期，采用冰鉆鉆孔、量冰尺測量的手段，實(shí)測南水北調(diào)中線近5年渠心最大冰厚14～32 cm，與緯度相近的京密引水和引黃入冀總干渠較為吻合，具有類比性；遠(yuǎn)較東北黑龍江、嫩江冰?。ㄒ姳?）。2015年-2016年冬季實(shí)測冰厚28 cm，縱向分布自南向北冰蓋逐步加厚，石家莊渠段冰蓋厚度約10 cm（渠心），明渠末端淶涿渠段渠心最大冰蓋厚度增加至28 cm。斷面橫向分布為渠心薄，岸邊厚，岸邊最大冰厚近46 cm，主要是斷面水流流速分布所致。

2.6主要冰情現(xiàn)象

冰情生消演變與氣象因素（寒潮）、水力因素密切相關(guān)，可分為結(jié)冰期、封凍期和解凍期等3個階段。如表8所示，渠道前4年冰期輸水運(yùn)行良好，為無冰塞冰壩現(xiàn)象。 2015年-2016年冬季輸水流量加大，且受罕見寒潮疊加影響，出現(xiàn)嚴(yán)重冰情。渠道[JP2]主要冰情現(xiàn)象包括流冰花、冰花團(tuán)、表面流冰層、岸冰、冰花下潛、冰塞、冰壩、冰堆、封凍冰蓋和岸冰脫落（尺寸較大，長可達(dá)20～30 m，寬約2 m，厚約10～20 cm）等（見圖1至圖4），多處渠段形成冰塞險情，局部水位壅高0.4 m。封凍形式為平封、立封，開河形式以文開河為主。

渠道平封冰蓋形成過程見圖5：傍晚氣溫降低首先形成冰晶和冰花、之后氣溫持續(xù)降低形成流冰層，通常在攔冰索（或橋墩）處先形成冰橋，流冰層或冰塊沿冰橋平鋪上溯，渠段平封凍結(jié)；如氣溫較高，則流冰層就地消融。

2.7冰情形成條件

結(jié)合南水北調(diào)中線總干渠2011年-2016年間5個冬季冰情原型觀測數(shù)據(jù)，初步提出冰情形成的臨界條件。

（1）初生岸冰。最低氣溫<-6 ℃，負(fù)積溫<-22 ℃，岸邊流速01 m/s。

（2）流冰花。最低氣溫<-50 ℃，平均流速01～04 m/s。

（3）封凍冰蓋。最低氣溫<-10 ℃，負(fù)積溫<-113 ℃，平均流速01～0.4 m/s。

（4）冰蓋消融。最高氣溫> 1.0 ℃，水溫0.5 ℃，流速0.1～0.4 m/s。

2.8冰情特點(diǎn)

由于中線工程所處的地理位置、氣象條件和工程布置方式，運(yùn)行調(diào)度采用節(jié)制閘前常水位控制，其冰情呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

（1）由于節(jié)制閘、倒虹吸等建筑物阻隔，總干渠冰蓋亦不連續(xù)。節(jié)制閘、倒虹吸、隧洞等建筑物出口下游通常均有200 m以上的敞露水面，不易形成封凍冰蓋。

（2）封凍冰蓋以表面流冰層形成為主，天然河道岸冰較寬向河心聚攏亦可形成冰蓋。

（3）冬季輸水方式為浮冰蓋輸水，采用無冰蓋輸水、冰蓋下明流輸水不現(xiàn)實(shí)。

（4）冬季輸水能力較其他季節(jié)顯著下降。

（5）封凍形式多為平封，開河形式多為文開河。

3冰塞冰壩及其他冰害

（1）冰塞。

2015年-2016年冬季冰情受罕見寒潮和水流流速高的疊加影響，蒲陽河閘-北拒馬河閘渠段多處形成冰塞險情。冰塞是指封凍冰蓋下面大量冰花、流冰堆積，堵塞了部分渠道斷面，造成上游水位壅高、輸水能力明顯下降的現(xiàn)象。一般發(fā)生在結(jié)冰期，碎冰在冰蓋前緣擠壓、重疊傾斜凍結(jié)，冰蓋表面不平整，形成起伏冰堆。

影響冰塞形成和發(fā)展的因素歸納起來主要有熱力因素、水力因素與河道邊界條件。熱力因素主要表現(xiàn)在氣溫的高低（特別是24 h或48 h內(nèi)降溫幅度），在渠道不封凍情況下氣溫越低產(chǎn)冰量越多；水力因素主要表現(xiàn)在流速上，當(dāng)冰蓋前緣處的流速大于冰花下潛流速時，冰花、碎冰下潛并堆積于冰蓋下面形成冰塞；渠道邊界條件主要指比降變化（水流搬運(yùn)輸送冰塊能力減弱）、彎道等阻礙冰花、碎冰順利下泄的因素。概括地說，冰塞形成有3個條件：①上游產(chǎn)冰量足夠多；②水流流速達(dá)到冰花下潛的臨界流速；③斷面束窄壅堵處（如倒虹吸、隧洞、渡槽、節(jié)制閘和橋墩等）、彎道和水力坡度由陡變緩處易誘發(fā)冰塞。破除冰塞即可從以上3方面入手。

（2）冰塞形態(tài)。

2015年-2016冬季輸水流量大，流速高，加之遭遇罕見寒潮（18.6℃）的疊加影響，總干渠最北段蒲陽河節(jié)制閘～北拒馬河節(jié)制閘113 km渠道多處發(fā)生冰塞險情，局部渠段出現(xiàn)立封冰堆。冰塞體順流向長度約400～700 m，典型剖面結(jié)構(gòu)可分為3層（見圖6）：上層為冰堆，厚20～40 cm，碎冰塊堆積；中層為冰蓋，厚25 cm，堅(jiān)硬密實(shí) ；下層為冰屑，厚70～230 cm，絮狀松散，具有一定阻水作用，渠道上游水位壅高04 m。

（3）冰壩。

冰壩是指冰塊在渠道內(nèi)受阻，冰塊上爬下插或擠壓堆積形成阻水冰堆積體，猶如在渠道中筑起一座攔水浮壩，嚴(yán)重阻塞過水?dāng)嗝?，使渠道上游水位顯著壅高的現(xiàn)象，一般出現(xiàn)在解凍期。

前4個冬季融冰期未見冰壩。2015年-2016冬季融冰期南拒馬河倒虹吸上游明渠出現(xiàn)小型冰壩，冰塊上爬下插，擠壓堆積，局部阻水冰堆積體厚近1 m，所幸渠道上游壅水不明顯，危害不大。

（4）其他冰害。

除冰塞外，總干渠冰期輸水還發(fā)生以下冰害：a.分水閘封凍堵塞，分水流量大幅減?。籦.攔冰索遭受撞擊斷裂，主要是水流推動冰塞體所致；c.冰塞斷面流量計(jì)讀數(shù)失真等。d.冰塊堵塞攔污柵影響過流能力；e.閘門（含退水閘）結(jié)冰封凍；f.流冰撞斷測試儀器安裝管道（如ADCP測流管道）；g.流冰塊撞擊金結(jié)閘門；h.渠坡凍脹破壞；i.冬季輸水渡槽滲漏。

4冰害防治與安全調(diào)度

（1）冰害防治。

a.對于總干渠最北端的蒲陽河閘-北拒馬河閘冰塞易發(fā)渠段，應(yīng)加密布設(shè)攔冰索（尤其是倒虹吸、隧洞、渡槽等建筑物進(jìn)口和石渠上游），對沿線流冰實(shí)施分段攔截，達(dá)到“化整為零”的效果，以消減下游冰塞體的體積規(guī)模（針對冰塞形成條件第1條）。

b.必要時設(shè)置排冰閘和滯冰池，或采取機(jī)械排冰措施。亦可結(jié)合現(xiàn)有排冰閘或退水閘，輔助布設(shè)剛性直線型水力導(dǎo)冰浮排，可將流冰導(dǎo)向指定的位置（或閘孔）。

c.金結(jié)閘門前應(yīng)設(shè)置防冰凍設(shè)施，可采用壓縮空氣吹泡法（避免采用噴灑水方式），加強(qiáng)水流擾動，避免閘門結(jié)冰封凍，必要時采用溫?zé)崴票?/p>

d.加強(qiáng)冰情固定斷面觀測和全線巡視檢查，加強(qiáng)冰塞冰壩專項(xiàng)應(yīng)急監(jiān)測，及時預(yù)防預(yù)警。

（2）安全調(diào)度措施。

為避免形成冰塞危害，首先從定性方面提出安全調(diào)度措施。冬季冰期輸水運(yùn)行調(diào)度宜盡快促使形成平封冰蓋，保持浮冰蓋輸水方式，總干渠完全采用無冰蓋輸水或冰蓋下明流輸水方式是不現(xiàn)實(shí)的。結(jié)冰期和融冰期主要是控制水流流速，盡可能保持低流速運(yùn)行，以免誘發(fā)冰塞冰壩危害或巨大岸冰脫落塊撞擊建筑物；封凍期主要控制水位波動，避免水位大幅波動導(dǎo)致冰蓋塌陷或脹破，水位變幅不超過15 cm/h或30 cm/d。對于蒲陽河閘-北拒馬河閘冰塞易發(fā)渠段可適當(dāng)抬高水位運(yùn)行。京石段渠頂高程是按加大水位+1.5m超高確定的，有關(guān)渡槽、倒虹吸等建筑物是按加大流量和加大水位設(shè)計(jì)的，冰期輸水期間適當(dāng)抬高水位運(yùn)行是可行的。

（3）渠池水流特點(diǎn)。

[JP2]中線總干渠運(yùn)行調(diào)度采用閘前常水位方式，由上、下游節(jié)制閘組成的渠池，其水面線呈a1型壅水曲線，沿程水深均大于明渠均勻流正常水深。見圖7，蒲陽河閘-崗頭閘渠池長27 km，上游控制斷面（蒲陽河閘后）水深h1=268 m，V1=067 m/s，F(xiàn)r1=0131；下游控制斷面（崗頭閘前）水深h2=443 m，V2=039 m/s，F(xiàn)r2=0059。即渠池上游控制斷面水深淺，流速大，弗勞德數(shù)高；下游控制斷面則相反，水深厚，流速小，弗勞德數(shù)小。二者水流條件差別較大，特別是長距離和布置隧洞、渡槽較多的渠池。

[HJ1mm]圖7典型渠段水面線示意圖

Fig.7Sketch map of canal pool water surface line

（4）安全調(diào)度水流控制指標(biāo)。

由表3得知，隨著渠池水流流速和弗勞德數(shù)加大，開始出現(xiàn)冰塞險情。結(jié)合近5年特別是2015年-2016冬季冰情原型觀測數(shù)據(jù)，以及中線渠道運(yùn)行調(diào)度方式和渠池水流特點(diǎn)，考慮渠道地理位置和氣候條件，提出避免形成冰塞災(zāi)害的水流控制條件：即渠池上游控制斷面平均流速V≤040 m/s，F(xiàn)r≤0065；下游控制斷面平均流速V≤035 m/s，F(xiàn)r≤0055，見表9。按此指標(biāo)進(jìn)行輸水控制，京石段冰期輸水流量約占其設(shè)計(jì)流量的25%～45%。如此分別提出控制斷面水力指標(biāo)，是與總干渠實(shí)際運(yùn)行水流特點(diǎn)相適應(yīng)的。對于渡槽和部分石渠斷面而言，按此控制水流難度較大（要求的輸水流量太?。稍谄渖嫌渭用懿荚O(shè)攔冰索以消減冰塞體的規(guī)模。事實(shí)上，冰塞形成較為復(fù)雜，不僅與低溫極值有關(guān)，還與24 h或48 h溫度降幅有關(guān)，結(jié)冰期極端寒潮襲擊往往會加重冰塞災(zāi)害。這里實(shí)際隱含了保證率的概念，可以認(rèn)為，按此指標(biāo)進(jìn)行輸水控制出現(xiàn)嚴(yán)重冰塞災(zāi)害的風(fēng)險較小。隨著今后對總干渠冰情演變認(rèn)識的深入，攔冰設(shè)施加密布設(shè)，可逐步完善（或提高）該控制指標(biāo)，以確保冬季輸水安全、高效運(yùn)行。

應(yīng)該指出的是，冰塞和冰花下潛意義不同，冰塞是冰花下潛引起的不利結(jié)果，但冰花下潛未必一定形成冰塞災(zāi)害。冰花下潛主要取決于水流流速，同時與冰塊尺寸、冰塊密度和堵塞程度等相關(guān)。南水北調(diào)中線現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，即便很小的流速（V≤03 m/s）亦有冰花下潛現(xiàn)象，由于上游來冰量有限，零星下潛的碎冰在冰蓋下輸送，在下游敞露水面又漂浮水面，未引發(fā)不利冰害?？梢钥闯觯髁魉俸蜕嫌蝸肀渴钦T發(fā)冰塞危害的兩大重要因素，二者缺一不可。故提出上述水流流速和弗勞德數(shù)控制指標(biāo)，目的是避免出現(xiàn)較大規(guī)模的冰塞體，以致于明顯壅高渠道上游水位，甚至出現(xiàn)水流漫溢或渠道潰口的災(zāi)害。同時，為保持冬季高效輸水，局部零星的冰花下潛（甚至極少量堆積）是可接受的，只要未對運(yùn)行調(diào)度帶來不利影響即可。

5結(jié)論與建議

[JP2]冬季冰期輸水運(yùn)行調(diào)度宜盡快促使形成平封冰蓋，保持浮冰蓋輸水方式。結(jié)合總干渠閘前常水位運(yùn)行方式和渠池水流特點(diǎn)，提出運(yùn)行初期避免冰塞災(zāi)害的水流控制條件：即渠池上游控制斷面平均流速V≤0.40 m/s，F(xiàn)r≤0.065；下游控制斷面平均流速V≤035 m/s，F(xiàn)r≤0.055。目前總干渠全線通水僅2個冬季，對冰情認(rèn)識尚屬有限，極端冰情冰害尚未全部顯現(xiàn)，應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)全線冰情觀測，積累冰期輸水觀測數(shù)據(jù)，為優(yōu)化冬季輸水運(yùn)行調(diào)度和冰情預(yù)報提供科學(xué)依據(jù)。冬季冰情問題相當(dāng)復(fù)雜，如何保持安全、高效通水，下步可論證在冰塞易發(fā)渠段提高閘前運(yùn)行水位從而提高渠道過流能力的可行性和輸水效益研究。

[HJ1.9mm]

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