南水北調(diào)中線北拒馬河節(jié)制閘2020年~2021年冬季冰期輸水成果分析

梁萬平，劉宏東

（南水北調(diào)惠南莊管理處,北京 102407）

北拒馬河暗渠工程位于河北省涿州市東城坊鎮(zhèn)西疃村、北京市房山區(qū)大石窩鎮(zhèn)南河村及惠南莊村,是南水北調(diào)中線干線工程穿越北拒馬河中支、北支的大型交叉建筑物。北拒馬河暗渠節(jié)制閘工程上游與南水北調(diào)淶涿段明渠相接,下游為暗渠工程,工程為1 等工程,設計流量50 m3/s,加大流量60 m3/s?？偢汕＿\行時,節(jié)制閘控制開啟孔數(shù)或開度,保證渠道以正常水位運行,并滿足上游分水口的供水要求,惠南莊泵站突然停機時,開啟退水閘的同時,迅速關閉進口節(jié)制閘。泵站及暗渠一孔檢修時,節(jié)制閘可一孔過水,一孔擋水。節(jié)制閘包括工作閘門和檢修閘門,工作閘門選用露頂式弧形鋼閘門，門高4.7 m,用液壓啟閉機啟閉;檢修門選用浮箱疊梁,電動葫蘆起吊。工作門及檢修門均為正向單側擋水,擋水水頭4.4 m.節(jié)制閘最高擋水位為61.39 m,最高運行水位為61.35 m。

北拒馬河暗渠節(jié)制閘起止樁號BH0+038.30 m~0+095.0 m,全長56.7 m。上游進口翼墻為懸臂式橢圓形鋼筋混凝土結構,長20.9 m。閘室為整體平底板開敞式,起止樁號BHO+059.20 m~0+079.000 m，長19.8 m；閘室為2 孔,每孔寬5.6 m；底板頂高程為57.00 m,底板厚1.2 m,中墩厚1.5 m,邊墩厚1.2 m,閘室總寬15.1 m。閘室前段墩頂高程63.00 m,后段墩頂高程64.00 m。墩頂高程63.00 m 段長8.55 m,布置攔污柵及抓斗式全自動清污機、檢修疊梁門,檢修門處閘墩上部設一層封閉閘房,檢修閘房上游側設寬1.68 m 工作橋。墩頂高程64.00 m段長11.25 m,主要布置工作弧門,下游端布置工作門液壓啟閉機泵站,閘后漸變連接段,樁號BH0+079.00-0+095 m,長16 m,為鋼筋混凝土箱形結構,2 孔,每孔寬5.6 m,高5 m.底板厚0.8 m,邊墻厚0.8 m,頂板0.8 m,中隔墻厚由1.1 m 漸變?yōu)?.6 m。翼墻、閘室及閘后連接段均為C30F150W6 鋼筋混凝土結構?？p間設二道止水。

南水北調(diào)中線北拒馬河節(jié)制閘冰期輸水時間為12 月初至次年2 月底,通過本次冰期輸水,總結出了冰期輸水現(xiàn)場管理工作的基本特點,梳理了現(xiàn)場管理工作思路。受地理位置、氣象條件和工程特征影響,北拒馬河暗渠進口段每年冬季出現(xiàn)不同的冰情,根據(jù)多年觀測數(shù)據(jù),冬季冰蓋持續(xù)時間最長約50 天,冰厚最大為30 cm。北拒馬河暗渠位于南水北調(diào)中線干線工程明渠段末端,暗渠下游直接連接惠南莊泵站,因此研究該渠段冬季冰情發(fā)展,對提高中線冬季向北京供水保障率具有重要意義和價值。

1 水力調(diào)度參數(shù)與氣象條件

（1）水力觀測

根據(jù)中線2020年~2021年冬季冰期輸水方案要求,北拒馬河暗渠節(jié)制閘于2020年12 月1 日開始逐漸降低至冬季冰期輸水流量,輸水流量22.5 m3/s~23.5 m3/s,閘前水深3.68 m~3.89 m,平均流速0.36 m/s~0.38 m/s,Froude 數(shù)為0.059~0.063,整個冬季北拒馬河節(jié)制閘輸水流量基本穩(wěn)定,閘前冰情發(fā)展對閘前運行調(diào)度有一定影響,水位波動0.2 m,整體運行安全。

水溫是影響冰情發(fā)展重要因素,北拒馬河節(jié)制閘水尺斷面水溫過程見圖1,水溫變化階段分三個過程,第一個階段為水溫下降階段,2020年12 月以后水溫由8.8℃逐漸下降,2021年1 月4 日水溫逐漸降至1℃；第二個階段,2021年1 月5 日至15 日,水溫低于1℃,并且在0℃附近持續(xù)一段時間,該階段冰情最嚴重；第三個階段,1 月16 日后,水溫逐漸回升,節(jié)制閘前冰情逐漸消失,截止2 月7 日閘前水溫升至4.70℃。

圖1 2020年~ 2021年冬季北拒馬河暗渠節(jié)制閘水溫過程曲線

（2） 氣象觀測

根據(jù)北拒馬河節(jié)制閘附近自動化氣象站觀測數(shù)據(jù)分析,該冬季北拒馬河節(jié)制閘附近2020年12 月1 日前日平均氣溫穩(wěn)定轉負,2021年2 月17 日氣溫穩(wěn)定轉正,負積溫約-235℃,實測最低氣溫-22.9℃,為中線全線通水以來實測最低氣溫值,見圖2。

圖2 2020年~2021年冬季氣溫過程曲線

根據(jù)觀測,2021年1 月6 日～1 月8 日中線京津冀工程段出現(xiàn)大風降溫過程,保定市的保定氣象站、雄縣氣象站、順平氣象站創(chuàng)造建站以來的最低氣溫值,其他氣象站接近建站以來最低氣溫值。2020年12 月1 日至1 月10 日積累負積溫-177℃,為保定站1968年以來同期累積負積溫序列第二。劇烈的強降溫過程促使冰情迅速發(fā)展。

圖3 全線正式通水以來典型冬季氣溫變化曲線

圖4 保定市各氣象站2021年1 月6 日~8 日氣溫最低值與各站建站以來最低值對比（保定、雄縣、順平站創(chuàng)造建站以來最低氣溫值）

2 2020年~2021年基本冰情

受地理位置、氣候條件及工程布置影響,北拒馬河暗渠渠段為中線干線冬季冰期輸水重點監(jiān)測渠段。該冬季冰期從2020年12 月14 日開始,2 月5 日結束,冰期歷時54 天,閘前封凍時間為10 天,最大冰厚為15 cm。整個冬季冰期發(fā)展分為3 個階段,結冰期、封凍期及開河期,不同階段出現(xiàn)不同冰情。

2.1 結冰期

結冰期主要冰情為岸冰、流冰。

2020年12 月14 日北拒馬河暗渠進口開始出現(xiàn)岸冰,開始出現(xiàn)岸冰的氣溫-12℃,水溫3.5℃,渠道岸邊流速為0.25 m/s,早期岸冰沿渠道邊緣呈條帶狀,伸向水面的一側呈鋸齒狀,隨著白天氣溫回升,岸冰與渠道邊坡融化脫離,岸冰出現(xiàn)預示該冬季總干渠開始進入冰期。

隨著氣溫、水溫降低,渠道開始出現(xiàn)流冰，12 月31 日,北拒馬河渠段出現(xiàn)寒潮降溫,最低氣溫-13℃,水溫降至1.3℃,暗渠進口渠段開始出現(xiàn)零星稀疏流冰,流冰厚度小于0.5 mm。2021年1 月6 日~8 日,中線工程出現(xiàn)大范圍的寒潮強降溫過程,最低氣溫-22.9℃,水溫從0.5℃降至0℃附近,北拒馬河暗渠進口出現(xiàn)大量流冰,流冰呈表面流冰層狀,鋪滿整個渠道斷面,流冰厚度為4 mm~6 mm,1 月6 日晚上,大量流冰在暗渠進口導冰索前堆積,形成初始冰蓋,然后繼續(xù)發(fā)展,1 月8 日,暗渠進口冰蓋長度約250 m。

2.2 封凍期

封凍期主要冰情為冰蓋厚度發(fā)展。1 月6 日大量流冰堆積促使暗渠進口冰蓋形成。1 月7 日,暗渠進口冰蓋長約230 m,冰蓋厚度為4.5 cm 左右,封凍期冰蓋厚度發(fā)展迅速,1 月12 日冰蓋最大厚度為15 cm,隨后氣溫回暖,冰厚開始保持不變,1 月14 日隨著氣溫回暖,冰蓋厚度快速減小,渠道進入開河期。

圖7 北拒馬河測站冰厚發(fā)展過程

2.3 開河期

開河期主要冰情為開河流冰。1 月16 日,隨著氣溫回暖和上游高溫來流的影響,北拒馬河暗渠進口渠段開河進入開河期,開河期冰蓋融化迅速,該暗渠封凍段冰蓋2 天內(nèi)全部開敞,僅有兩岸剩余岸冰,暗渠進口冰蓋完全開河。

在開河期,水溫是誘發(fā)開河的主要因素,1 月14 日水溫由0℃逐漸回升至0.2℃,冰厚厚度保持不變,1 月16 日后,上游高溫來流進入該渠段,該渠段水溫快速升值0.5℃,促使暗渠進口冰蓋當日開河。

根據(jù)2020年~2021年冬季冰期輸水觀測,北拒馬河暗渠進口冰情具有發(fā)展速度快,持續(xù)時間短的特點,發(fā)展速度快表現(xiàn)為形成冰蓋速度快,冰厚發(fā)展速度快,開河期冰蓋融化速度快。強降溫寒潮和水溫是影響該冬季冰情發(fā)展的主要因素。

3 冰情危害及應對措施

3.1 冰情危害

受2021年1 月6 日~8 日寒潮強降溫影響,該冬季北拒馬河暗渠進口冰情發(fā)展迅猛,對北拒馬河節(jié)制閘渠段冬季冰期安全運行帶來一定威脅,主要包括：

（1）流冰堵塞節(jié)制閘前攔污柵,1 月6 日晚,北拒馬河暗渠上游渠道形成的大量流冰,部分流冰穿過導冰索,運動至節(jié)制閘進口的攔污柵前,存在堵塞攔污柵孔,影響渠道輸水流量的可能性,為保障正常供水,按照先前安排,晝夜加強人工撈冰力度,避免大流量流冰在攔污柵前堆積,保證正常供水。

（2）冰情發(fā)展速度快,影響節(jié)制閘前水位波動,1 月8 日,隨著上游冰情發(fā)展,冰蓋長度增加,北拒馬河暗渠進口水位下降約20 cm,影響泵站向北京自流供水流量。根據(jù)現(xiàn)場冰情觀測,分析出影響節(jié)制閘前水位下降原因,主要為渠道上游至北拒馬河暗渠進口渠段大流量流冰下潛堆積,侵占過流面積,影響了渠道過流條件,導致渠道輸水能力瞬間變化。然后經(jīng)過評估冰情發(fā)展對水位的最大影響程度,加強了現(xiàn)場水位觀測頻次,隨著冰情發(fā)展的穩(wěn)定,水位逐漸恢復正常,供水基本得到保證。

（3）流量計和水溫儀器顯示讀數(shù)出現(xiàn)異常,暗渠進口出現(xiàn)冰蓋封凍后,暗渠節(jié)制閘的流量讀數(shù)升高,水溫讀數(shù)失靈。結合現(xiàn)場冰情觀測分析,閘前流量計測量斷面流量的物理過程,不能滿足冰蓋條件下流態(tài)現(xiàn)象,同時水溫不能顯示0.2℃以下的溫度。經(jīng)分析討論后,采取了多個措施,加強節(jié)制閘前水位觀測,采用PCCP 管的流量設備指導節(jié)制閘調(diào)度,增加人工水溫觀測手段,實時掌握閘前渠段水溫,保證冬季冰情觀測和工程安全運行。

3.2 應對防護措施

本年度冬季冰期輸水準備工作從11 月開始,12 月初完成了冰期輸水人防措施、物防措施、技防措施、組織保障措施的準備工作。

（1）人防措施

管理處成立了以處長為組長的冰期輸水工作小組,工作小組下設辦公室,負責組織協(xié)調(diào)各科及其他單位開展冰期輸水日常工作。管理處人員對北拒馬河節(jié)制閘開展不定期巡視檢查。非工作日有3 人負責晝夜應急值班。

北拒馬河節(jié)制閘現(xiàn)場,增加了應急隊伍駐防人員4 名（2020年12 月1 日至2021年2 月28 日）,每天負責對節(jié)制閘前進行巡視。項目部人員5 名,駐西疃村隨時待命。

維護隊伍共8 人晝夜值班。采取三班兩倒方式,每班3 人,常白班1 人。

（2）物防措施

北拒馬河暗渠渠首設置有導冰索1 套、曝氣裝置1 套（2 臺空壓機）、攔污柵1 套、排冰閘1 臺、可加熱高溫高壓水槍2 臺、清污機2 臺、電動式多瓣液壓抓斗1 臺、冰釬和冰耙4 個、閘孔保溫設施2 套。

（3） 技防措施

冰期輸水前,對北拒導冰索進行檢查、維護,并安裝于北拒節(jié)制閘攔污柵前。

對北拒曝氣裝置進行檢查、維護和試運行,確保空壓機運行正常,輸氣管路暢通,根據(jù)上級指令和結合實際情況,曝氣裝置投入運行。

攔污柵出現(xiàn)冰凌、浮冰時,利用清污機和可加熱高溫水槍對攔污柵前冰塊融化和清理,同時利用冰釬、冰耙進行清理。

導冰索上游出現(xiàn)大面積浮冰時,利用電動式多瓣液壓抓斗作為應急破冰、撈冰工具,可將渠道內(nèi)較大的冰塊破碎打撈,開啟排冰閘,進行排冰處理。

出現(xiàn)低溫天氣時,投入運行閘控的保溫工業(yè)門,確保節(jié)制閘室內(nèi)機電設備運行正常。

每日采集轄區(qū)冰情信息：過閘流速、閘控水溫、最高氣溫、最低氣溫、節(jié)制閘前后結冰情況、全段結冰情況等并匯總編輯形成冰期輸水冰情日報,每日8:00 前上報分調(diào)中心。

每日關注南水北調(diào)中線干線工程冬季輸水冰情觀測云平臺網(wǎng)站和南水北調(diào)冬季冰情微信公眾號及時獲取有關冰情信息,分析未來幾天冰情發(fā)展趨勢,為管理處開展預防和應急處置工作做好準備。

（4） 組織保障措施

入冬前,對防冰凍設備進行全面檢查,確保能夠隨時投入使用。

編制和印發(fā)了《惠南莊管理處冰凍災害應急處置方案》,明確了相關職責和處置措施。

針對管理處冰期輸水風險點、防控重點部位以及冰凍災害應急處置程序,組織運行維護單位、應急搶險隊伍、保安公司等開展了冰期輸水應急培訓。

2020年11 月23 日,在北拒馬河節(jié)制閘前組織開展了突發(fā)冰塞事故應急演練,提高管理處、應急搶險隊伍等冰凍災害的應急處置能力。

管理處組織梳理冰期輸水防控風險點和應急搶險設備工作位置,設置了冰期輸水展板。

4 結論與建議

根據(jù)2020年~2021年冬季冰期調(diào)度運行及冰情觀測,積累了北拒馬河暗渠進口渠段氣象、水力調(diào)度、冰情特征數(shù)據(jù),掌握了岸冰、流冰、冰蓋發(fā)展基本規(guī)律,針對北拒馬河暗渠進口工程特征,總結了一套冬季冰情輸水的管理、調(diào)度、應急處置措施,有利于指導南水北調(diào)中線干線典型節(jié)制閘冬季冰期安全運行管理。針對冬季運行存在問題,建議加強統(tǒng)籌調(diào)度、工程、應急、管理、科研多方合作,建立高效的冰期輸水應急管理體系。增加冰情觀測專用設備,提高水溫、冰厚等觀測自動化水平,加強冬季冰期輸水數(shù)據(jù)整理分析,完善中線水溫、冰情預報預警系統(tǒng)。