南水北調(diào)中線工程2014—2022年冬季水溫與冰蓋觀測分析

段文剛，郝澤嘉，楊金波，黃明海，劉 備，邢夢媛

(1.長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，湖北 武漢 430010；2.中國南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司，北京 100038)

1 引言

南水北調(diào)中線工程是國家重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，是跨流域跨區(qū)域配置水資源的骨干工程，也是保障城市飲水安全、復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境、暢通南北經(jīng)濟(jì)循環(huán)的生命線。總干渠自2014年12月全線建成通水運行整整8周年，已累計從丹江口水庫調(diào)水超530億m3，惠及沿線24座大中城市、200多個縣市區(qū)，直接受益人口達(dá)8500萬人。南水北調(diào)中線總干渠自南向北從渠首陶岔閘至北拒馬河閘全長近1200 km，線路流經(jīng)北緯32°40′—39°32′，跨越溫和區(qū)與寒冷區(qū)。工程運行初期，由于對渠道冰情生消規(guī)律和時空分布認(rèn)識有限，為避免發(fā)生冰塞災(zāi)害，對于安陽湯河節(jié)制閘以北約500 km渠段，控制閘前水流弗勞德數(shù)Fr≤0.06，如此以來冬季輸水流量僅為設(shè)計流量的30%～50%，嚴(yán)重制約了工程輸水效益的發(fā)揮。因此，渠道水溫和冰情一直是冬季輸水亟待闡釋清楚的關(guān)鍵問題之一。

楊開林[1-3]結(jié)合南水北調(diào)中線渠道，指出明渠水溫的變化取決于水體與大氣和渠床的熱交換，進(jìn)而研究了渡槽水體的熱交換、太陽輻射和地溫對冰蓋下水溫的影響。鄭鐵剛等[4]以新疆紅山嘴水電站引水渠道為例，研究表明隨著大氣溫度的降低，渠道水溫沿程衰減速度明顯加快，-10 ℃為水溫衰減過程變化轉(zhuǎn)折點。脫友才等[5]對豐滿水庫的水溫和冰情進(jìn)行了原型觀測，壩前冰厚約0.7 m，且?guī)靺^(qū)冰厚沿程出現(xiàn)不均勻分布的規(guī)律。王軍等[6-9]長期關(guān)注冰塞堆積過程和冰蓋條件下橋墩局部沖刷研究。王濤等[10]研究了黃河內(nèi)蒙古河段冰情時空變化規(guī)律，并對水溫、冰蓋厚度、冰蓋前沿發(fā)展和流量的模擬值和實測值進(jìn)行了對比分析。丁法龍等[11]通過分析影響靜冰生消的各熱力過程，建立了生長期和消融期冰厚計算的熱力學(xué)模型，采用黑龍江省青花湖冰情觀測數(shù)據(jù)對冰厚計算模型進(jìn)行了驗證。穆祥鵬等[12]和郭新蕾等[13]對南水北調(diào)中線冬季輸水冰情進(jìn)行了數(shù)值模擬預(yù)測，分析了渠道的冰情特性。戴盼偉等[14]和李程喜等[15]對南水北調(diào)中線冬季水溫分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析。溫世億等[16]基于2014—2015 年冬季實測冰情數(shù)據(jù)，分析了暖冬氣候條件、小流量輸水工況下總干渠結(jié)冰、封凍和開河過程的基本規(guī)律。黃國兵等[17]基于冬季總干渠出現(xiàn)的冰凌災(zāi)害，提出了相應(yīng)的防凌減災(zāi)措施。段文剛等[18]結(jié)合南水北調(diào)中線總干渠2011—2016年5個冬季冰情實測數(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等。

對于南水北調(diào)中線工程而言，已歷經(jīng)8個冬季輸水運行檢驗，其冬季水溫和冰蓋特性到底如何？驅(qū)動機制如何？尚缺乏全面系統(tǒng)闡述的數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)。為此，本文基于現(xiàn)場8個冬季寶貴的第一手實測數(shù)據(jù)，試圖作出進(jìn)一步的答復(fù)。在此基礎(chǔ)上，給出了冰蓋生成驅(qū)動因子分析和調(diào)度建議。

2 觀測方法與結(jié)果

2.1 研究區(qū)域如圖1所示，研究區(qū)域為渠首陶岔閘-北拒馬河閘近1200 km明渠，北拒馬河閘以北渠段和天津干線均采用地下輸水不在此列。沿線布設(shè)61座節(jié)制閘，其中渠首陶岔閘設(shè)計流量350 m3/s，被譽為中線工程的“水龍頭”；午河閘總干渠樁號899 km，相當(dāng)于總干渠明渠段的3/4節(jié)點處，設(shè)計流量220 m3/s，也是全線通水以來冬季冰蓋延伸的最南端閘站；崗頭閘總干渠樁號1112 km，設(shè)計流量125 m3/s，是北京和天津兩個直轄市供水的控制閘，冰期輸水地位非常特殊和重要；北拒馬河閘位于明渠最末端，總干渠樁號1198 km，設(shè)計流量50 m3/s，其下游接地下管道向北京供水。

圖1 南水北調(diào)中線總干渠示意

2.2 觀測參數(shù)與方法觀測參數(shù)主要包括輸水流量、氣溫、水溫和冰蓋特性等4項。冬季輸水流量由節(jié)制閘斷面預(yù)先安裝的明渠超聲波流量計實時監(jiān)測，必要時采用走航式多普勒流量計現(xiàn)場復(fù)核，每天2時、8時、14時和20時讀取4次。陶岔閘月輸水流量數(shù)據(jù)來源于《長江流域重要控制斷面水資源監(jiān)測通報》。冬季氣溫考慮數(shù)據(jù)的連續(xù)性和權(quán)威性，采用沿線安陽、邢臺、石家莊和保定4座國家基本氣象站氣溫日值數(shù)據(jù)(包括最低氣溫、最高氣溫和平均氣溫)，對于石家莊和保定站還收集了逐小時氣溫數(shù)據(jù)，由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取，并與工程現(xiàn)場自建的臨時氣象站進(jìn)行數(shù)據(jù)比對分析。冬季水溫由安裝在節(jié)制閘斷面的溫深儀在線觀測記錄，每小時記錄1個數(shù)據(jù)。冰蓋由照相機、無人機和冰厚測量儀記錄。為避免歧義，2020—2021年冬季是指2020年12月1日—2021年2月28日的期間時段，為行文方便亦簡稱為2021年冬季(以此類推)。

2.3 輸水流量表1和圖2給出了8個冬季全線典型節(jié)制閘冬季輸水平均流量(表2給出了閘前斷面平均流速；圖2中2014表示2014—2015年冬季，后類推)，可以看出，冬季輸水流量總體呈逐年穩(wěn)步增大的趨勢，放水河閘以北渠段流量保持相對穩(wěn)定(除個別年份外)。首個冬季2014—2015年輸水流量極小，渠首陶岔閘平均輸水流量占其設(shè)計流量的17%。2021—2022年冬季輸水流量總體最大，渠首陶岔閘平均輸水流量210 m3/s，占其設(shè)計流量的60%；午河閘輸水流量118 m3/s，占其設(shè)計流量的54%；崗頭閘輸水流量50 m3/s，占其設(shè)計流量的40%；明渠末端北拒馬河閘輸水流量21 m3/s，占其設(shè)計流量的42%。

表1 全線通水以來8個冬季典型節(jié)制閘輸水平均流量

表2 全線通水以來8個冬季典型節(jié)制閘閘前斷面平均流速

圖2 全線通水以來8個冬季輸水流量

2.4 氣溫文獻(xiàn)[19]提出了氣溫鏈概念并基于此對南水北調(diào)中線冬季氣溫等級評價，本節(jié)氣溫等級評價參照此方法?？紤]到北方站點的氣溫對渠道冰蓋生成驅(qū)動尤為顯著[19]，本文主要以北方4站即安陽-邢臺-石家莊-保定站的冬季平均氣溫和1月平均氣溫來表征，并進(jìn)行了等級評價和暖冷排序，輔以保定站冬季氣溫和短期寒潮極值等，見表3、表4?？梢钥闯觯员狈?站來講，冬季氣溫總體以暖冬居多，2014—2015年冬季為強暖冬，2017—2018年冬季為正常平冬，2015—2016年冬季為弱冷冬(以一月氣溫評價)。以1月平均氣溫計，2015年1月最暖(0.3 ℃)，2016年1月最冷(-2.7 ℃)。若單以保定站論，其冬季氣溫和3 d滑動氣溫圍繞均線上下波動(見圖3)，暖冬特征并不顯著。保定站最低氣溫-22.0 ℃，與1970年創(chuàng)造的歷時極值記錄保持齊平；保定站最低日平均氣溫-12.4 ℃，最低3 d滑動氣溫-10.7 ℃，短期強寒潮可能是今后冰蓋生成的關(guān)鍵驅(qū)動因子。

表3 全線通水以來8個冬季典型站點氣溫

表4 全線通水以來8個冬季氣溫極值

圖3 全線通水以來8個冬季氣溫

2.5 水溫表5和圖4給出了沿線典型節(jié)制閘全線通水以來8個冬季的斷面平均最低水溫?？偢汕髯阅舷虮倍舅疁刂鸺壗档停羲疁亟档椭? ℃附近時則預(yù)示著該斷面將生成冰蓋。渠首陶岔閘水溫可以表征為總干渠冬季輸水的初始水溫，主要受丹江口水庫水溫影響，其最低水溫極小值為6.7 ℃，出現(xiàn)在2016年1月27日；其最低水溫極大值為10.4 ℃，出現(xiàn)在2020年2月17日。午河閘是全線通水8個冬季以來冰蓋發(fā)展的最南端邊界，其最低水溫極小值為0 ℃，出現(xiàn)在2016年1月25日。0 ℃水溫渠段最長達(dá)300 km；其最低水溫極大值為5.2 ℃，出現(xiàn)在2022年1月25日。崗頭閘為北京和天津干線輸水的控制閘，其最低水溫極小值為0 ℃，出現(xiàn)在2016年1月23日；其最低水溫極大值為3.6 ℃，出現(xiàn)在2022年2月1日。明渠末端北拒馬河閘最低水溫極小值為0 ℃(5個冬季均有出現(xiàn))；其最低水溫極大值為2.6 ℃，出現(xiàn)在2022年2月2日。

表5 典型節(jié)制閘歷年冬季最低水溫 單位：℃

表6給出了北拒馬河閘冰蓋生成前渠段水溫降幅。可以看出，2018—2019年冬季北拒馬河閘斷面水溫降速最快，10 d之內(nèi)其斷面平均水溫由3.5 ℃降至0.0 ℃，期間崗頭閘—北拒馬河閘渠段水溫降幅亦達(dá)到極大值1.69 ℃/100 km。2020—2021年冬季北拒馬河閘斷面水溫降速次之，10 d之內(nèi)其斷面平均水溫由2.9 ℃降至0.0 ℃，期間磁河閘—北拒馬河閘渠段水溫降幅亦達(dá)到其極大值1.37 ℃/100 km。

表6 北拒馬河閘冰蓋生成前10 d渠段水溫降幅

2.6 冰蓋特性表征冰情嚴(yán)重程度的參數(shù)主要包括冰蓋長度、厚度和封凍歷時等。表7 和圖5給出了歷年冬季的冰蓋特性，圖6繪制了總干渠最北段蒲陽河閘—北拒馬河閘渠段冰蓋分布示意圖。2015—2016年冬季冰情最為嚴(yán)重，冰蓋累計最長達(dá)280 km，冰厚28 cm，封凍歷時32 d，冰蓋形態(tài)為連續(xù)冰蓋。次之為2014—2015年冬季的73 km的連續(xù)冰蓋，封凍歷時41 d；2020—2021年冬季冰蓋長38 km，為非連續(xù)冰蓋，排序第3位。2019—2020年和2021—2022年兩個冬季未生成冰蓋。崗頭閘—北拒馬河閘近90 km是冰蓋多發(fā)渠段，應(yīng)引起關(guān)注。應(yīng)該指出的是，中線工程由于節(jié)制閘和倒虹吸阻隔，閘前水深較大，流速較緩，易率先形成冰蓋；閘后水深較淺，流速較大，水流紊動較強，不易形成冰蓋，與天然河道冰蓋分布存在一定差異。

表7 全線通水以來8個冬季冰蓋特性

圖5 全線通水以來8個冬季冰蓋特性

3 分析討論

明渠冬季輸水水溫沿程變化影響因素主要包括渠首水溫、氣象條件、輸水流量，以及渠道水面寬度和渠底地?zé)釡囟鹊?。渠首水溫直接關(guān)系到渠道水體的初始熱量。氣象條件中太陽輻射對渠道水體進(jìn)行增熱，但冬季低氣溫、風(fēng)速風(fēng)向等氣象要素導(dǎo)致水體失熱，渠道水體在冬季以失熱為主，且氣溫為主導(dǎo)因素。渠首流量大小和沿程流量分布，在南水北調(diào)中線閘前常水位控制下，直接體現(xiàn)為渠道流速大小，進(jìn)而影響到渠道水體流動歷時長短，從而關(guān)系到渠道水體與沿程水氣界面、水床界面的熱交換的多少。

從實測數(shù)據(jù)和相關(guān)理論分析：南水北調(diào)中線總干渠由南至北輸水，冬季沿程氣溫總體下降，沿程流量逐漸減小，因此總干渠冬季輸水水溫總體沿程下降，在遭遇強寒潮氣溫波動情況下，水溫短時間內(nèi)下降幅度增大。

3.1 簡化水溫模型基于構(gòu)建的總干渠簡化水溫預(yù)測模型，擬合了2 d、3 d和7 d等不同預(yù)報時效的水溫與氣溫變化的響應(yīng)關(guān)系。

如圖7所示，水流自南向北依次經(jīng)過午河閘、放水河閘、崗頭閘和北拒馬河閘，沿線設(shè)有若干分水口分水，總干渠流量沿程減小，即Qw≥Qf≥Qg≥Qb?；?020—2021年冬季實測數(shù)據(jù)(并以2018—2019年冬季實測數(shù)據(jù)復(fù)核)，構(gòu)建水溫模型。選擇該冬季數(shù)據(jù)的主要原因是：①該冬季生成冰蓋38 km；②輸水流量較大(與今后冬季輸水流量更為接近)，并且在選擇數(shù)據(jù)期間流量保持相對穩(wěn)定，即午河閘流量Qw=93 m3/s，崗頭閘Qg=50 m3/s，北拒馬河閘Qb=25 m3/s；③冬季氣溫總體評價為暖冬，主要是由于短期強寒潮驅(qū)動生成冰蓋，這可能是今后冰蓋生成相對更為常見的一種模式。畢竟全球持續(xù)變暖背景下，冷冬出現(xiàn)的概率會越來越少。

注：圖中紅色部分為最終抵達(dá)北拒馬河閘流量Qb在該斷面的占比，綠色和紅色合計為該斷面總流量。圖7 午河閘—放水河閘—崗頭閘—北拒馬河閘渠段示意

根據(jù)質(zhì)量守恒和熱量平衡原理，初始斷面指定水體攜帶的熱量等于終末斷面同股水體攜帶的熱量加上沿程散失(或吸收)的熱量。此處以北拒馬河閘流過的水體為研究對象，構(gòu)建遵循物理過程和量綱和諧原則的簡化數(shù)學(xué)方程。對于明渠，水溫分析中通常只考慮水面與大氣的熱交換。對于崗頭閘—北拒馬河閘渠段而言，則可描述為：

(1)

基于實測數(shù)據(jù)，計算推求得Kgb=0.20。稍加轉(zhuǎn)換即得水溫預(yù)測模型：

(2)

同理，對于放水河閘—北拒馬河閘渠段，推求水溫預(yù)測模型：

(3)

再次，對于午河閘—北拒馬河閘渠段，推求水溫預(yù)測模型：

(4)

典型閘站水溫與氣溫的響應(yīng)關(guān)系見圖8和圖9。2018—2019年冬季觀測時段內(nèi)，放水河閘水溫由5.5 ℃降為2.0 ℃，北拒馬河閘水溫由3.5 ℃降為0 ℃，保定站3 d滑動平均氣溫由1.6 ℃快速下降為-10.8 ℃，之后又回升至-7.1 ℃，即便在氣溫回升過程中，氣溫仍較水溫低9.0 ℃～12.0 ℃，故水溫仍處于失熱下降通道，因此圖8中氣溫雖上下波動，水溫仍呈單邊下行趨勢。需要指出的是，影響北拒馬河閘水溫的因素不僅取決于區(qū)間氣溫，還取決于初始斷面水溫。

圖8 2018—2019年冬季冰蓋生成前典型閘站水溫與氣溫響應(yīng)關(guān)系

圖9 2020—2021年冬季冰蓋生成前典型閘站水溫與氣溫響應(yīng)關(guān)系

3.2 冰蓋生成關(guān)鍵驅(qū)動因子分析根據(jù)南水北調(diào)中線總干渠8個冬季冰情觀測結(jié)果分析，寒潮和輸水流量是渠道冰蓋生成的關(guān)鍵驅(qū)動因子。

表8 北拒馬河閘初封日期與寒潮極值的響應(yīng)關(guān)系

圖10 保定站3個典型冬季日平均氣溫過程線

3.2.2 輸水流量對冰蓋生成的貢獻(xiàn) 中線工程輸水調(diào)度采用閘前常水位控制方式，即不論渠段輸水流量如何變化(設(shè)計流量及以下)，其下游端節(jié)制閘閘前水位均保持在穩(wěn)定狀態(tài)基本不變。冬季渠道水面與大氣的日平均凈熱通量Φ=-K(Tw-Ta)，式中：K為熱交換系數(shù)，Tw為水溫，Ta為氣溫。冬季輸水流量越小，則渠道流速越緩慢，水流從渠首陶岔閘輸移至北拒馬河閘的歷時(t)越長，單位水體失熱總量(t·Φ)越大從而易生成冰蓋，2014—2015年冬季即為此明證。當(dāng)年冬季為工程首次全線試通水，輸水流量特別小。渠首陶岔閘流量Qt為59 m3/s(相應(yīng)斷面流速Vt=0.20 m/s)，午河閘流量Qw為24 m3/s(Vw=0.12 m/s)，崗頭閘流量Qg為22 m3/s(Vg=0.18 m/s)，北拒馬河閘流量Qb為15 m3/s(Vg=0.22 m/s)。即便當(dāng)年冬季氣溫最暖(為8個冬季唯一的強暖冬)，但是仍不可避免地生成冰蓋73 km，居第2位。反之，2021—2022年冬季輸水流量大幅放大，陶岔閘和午河閘流量分別達(dá)到210 m3/s和118 m3/s，斷面流速分別為0.70 m/s和0.58 m/s；而該冬季氣溫較2014—2015年冬季甚至偏冷，卻并未生成冰蓋。整個冬季北拒馬河閘斷面最低水溫2.6 ℃，相去冰點甚遠(yuǎn)。以往數(shù)學(xué)模型研究亦提出了相同的結(jié)論，同一氣象條件下，輸水流量越大，沿線水溫降幅就越小，越不易形成冰蓋[14]。

表9給出了總干渠冰蓋生成的原因分析，冬季氣溫和輸水流量是冰蓋生成的兩大關(guān)鍵驅(qū)動因子，流量越小氣溫越低越易生成冰蓋，2016年冬季嚴(yán)重冰情是二者疊加作用的結(jié)果，2015年冬季冰蓋主要是輸水流量小誘發(fā)，而2021年冬季冰蓋主要是短期強寒潮所致。進(jìn)而特別指出，寒潮的強度和時機均對冰蓋生成有貢獻(xiàn)，1月下旬降臨的強寒潮更易于導(dǎo)致冰蓋生成。

表9 冰蓋生成驅(qū)動因子分析

3.3 冬季輸水調(diào)度建議基于初期運行8個冬季的冰情冰蓋分析，冬季輸水流量提升尚有較大潛力可挖。在此提出3點建議：(1)研究提出基于水溫調(diào)節(jié)的冬季輸水流量動態(tài)調(diào)度方案，不必全冬季全渠段“一刀切”。分析不同輸水流量和氣象條件下水溫降落過程和區(qū)間最大降幅，根據(jù)渠系降流量調(diào)控周期，建立渠段輸水流量與水溫的響應(yīng)關(guān)系，確保任何條件下渠系流量下降(當(dāng)前流量-冰期安全流量)調(diào)控時長小于水溫降低(當(dāng)前水溫-冰點)時長即可。譬如當(dāng)水溫Tw≥5 ℃時，渠段輸水流量按設(shè)計流量的60%控制風(fēng)險是相當(dāng)?shù)偷摹?2)提升冬季輸水流量降低閘前水位加大流速運行，其目的是縮短總干渠水齡減少沿程熱量散失從而抑制冰蓋生成。冬季輸水可適當(dāng)松弛閘前常水位約束，但應(yīng)滿足分水口取水、倒虹吸進(jìn)口淹沒深度和高地下水位段平壓等約束。(3)做好冰情精準(zhǔn)預(yù)報和冰塞應(yīng)急搶險裝備研發(fā)，以實現(xiàn)冬季安全高效輸水。

4 結(jié)論

(1)全線通水8個冬季輸水流量總體呈穩(wěn)步增大的態(tài)勢，放水河閘以北渠段流量保持相對穩(wěn)定(除個別年份外)。保定站最低氣溫-22.0 ℃，最低3日滑動氣溫-10.7 ℃，短期強寒潮可能是今后冰蓋生成的關(guān)鍵驅(qū)動因子。

(2)自南向北冬季水溫逐級降低，北拒馬河閘斷面水溫最大降速為10日內(nèi)由3.5 ℃降至0 ℃，期間渠段水溫降幅亦達(dá)到極大值1.69 ℃/100 km。2016年冬季冰蓋最長達(dá)280 km(最南端延伸至午河閘)，次之為2015年冬季冰蓋73 km和2021年冬季38 km。崗頭閘—北拒馬河閘近90 km是冰蓋多發(fā)渠段，應(yīng)引起關(guān)注。

(3)基于冰蓋生成前實測數(shù)據(jù)，以初始水溫和區(qū)間氣溫為輸入條件，擬合給出了2 d、3 d和7 d等不同預(yù)報時效的簡明水溫模型和冰蓋生成臨界閾值。

(4)初步分析認(rèn)為：冬季氣溫和輸水流量是冰蓋生成的兩大關(guān)鍵驅(qū)動因子，流量越小氣溫越低越易生成冰蓋，1月出現(xiàn)的短期強寒潮更易于導(dǎo)致冰蓋生成。2016年冬季嚴(yán)重冰情是二者疊加的結(jié)果，2015年冬季冰蓋主要是輸水流量小誘發(fā)，而2021年冬季冰蓋主要是短期強寒潮所致。