南水北調(diào)中線總干渠冰期輸水運(yùn)行實(shí)踐分析

陳 曉 楠,李 景 剛,盧 明 龍,靳 燕 國(guó)

(中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司,北京 100038)

0 引 言

南水北調(diào)中線工程自丹江口水庫(kù)陶岔渠首閘引水,跨長(zhǎng)江、淮河、黃河、海河四大流域,沿途分別向河南、河北、天津、北京四省(直轄市)供水,全長(zhǎng)1 432 km,南北跨越北緯33°～40°,水流由亞熱帶流向暖溫帶[1]。根據(jù)初步設(shè)計(jì),中線工程安陽(yáng)河以北段冬季存在冰期輸水運(yùn)行工況,每年冬季渠道均有不同程度的冰情發(fā)生,因而面臨冰期輸水安全問題[2]。中線干線2008年京石段臨時(shí)應(yīng)急通水、2014年全線正式通水,迄今為止已經(jīng)歷了14次冰期輸水運(yùn)行。

為解決南水北調(diào)中線總干渠冰期輸水問題,保障冰期運(yùn)行安全,提升冰期供水能力,國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)先后開展了大量研究。如劉孟凱等[3]基于氣象站點(diǎn)的逐日氣溫資料,對(duì)總干渠沿線冬季氣溫特征進(jìn)行了分析;李程喜等[4]結(jié)合冰情原型觀測(cè)資料,給出了中線總干渠冰情演變的水溫和氣溫閾值;高霈生等[5]運(yùn)用熱平衡方程,對(duì)中線渠道冬季輸水時(shí)的水溫變化、流冰量、預(yù)測(cè)冰情發(fā)展及斷面過(guò)冰能力、冰情對(duì)輸水運(yùn)行及工程安全的影響等進(jìn)行了模擬分析;郭新蕾等[6]開發(fā)了大型長(zhǎng)距離調(diào)水工程冬季輸水冰情數(shù)值模擬平臺(tái),并對(duì)寒冷氣溫條件下中線總干渠初冰、冰蓋形成、發(fā)展和消融過(guò)程進(jìn)行模擬;莫振寧等[7]通過(guò)對(duì)中線總干渠冰情數(shù)值模擬,為寒區(qū)渠道系統(tǒng)冰情預(yù)測(cè)模型提出了參數(shù)率定方案。同時(shí),中線工程在規(guī)劃[8-10]、設(shè)計(jì)[11-13]、建設(shè)[14]及運(yùn)行階段,從冰期水力學(xué)控制條件[15-16]、冰期輸水物理模型試驗(yàn)[17]、冰情原型觀測(cè)[18]、冰害防控技術(shù)措施[19]、冰期動(dòng)態(tài)調(diào)度方式[20-21]等方面也實(shí)施了多項(xiàng)冰期輸水研究課題及生產(chǎn)性項(xiàng)目,逐步形成了當(dāng)前的冰期輸水調(diào)度控制基本策略:在“攔、擾、融、排、撈”等工程措施的保障下,提前調(diào)減相關(guān)渠段輸水流量至冰期輸水安全控制流量以內(nèi),并保持較高水位運(yùn)行,從而降低渠道輸水流速,防止流冰下潛堆積,促進(jìn)冰蓋盡快形成;之后,采用水下浮托冰蓋方式運(yùn)行。在此過(guò)程中,嚴(yán)格控制水位、流量的變幅,防止冰蓋出現(xiàn)大面積破損[2]。在此模式下,冬季安陽(yáng)河以北段渠道過(guò)流能力大幅降低,進(jìn)而影響工程輸水效率。

近年來(lái),隨著中線沿線地方用水需求“由弱變強(qiáng)”,冰期輸水供需矛盾也日益凸顯。為此,中線工程開始探索實(shí)施冰期動(dòng)態(tài)調(diào)度[1],以期在保障安全的前提下實(shí)現(xiàn)多供水。當(dāng)前隨著引江補(bǔ)漢工程開工建設(shè),提升冰期輸水能力作為中線工程“挖潛”“擴(kuò)能”和高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求,相關(guān)研究和實(shí)踐仍在不斷地推進(jìn)和深化。因此,對(duì)中線工程以往冰期輸水運(yùn)行實(shí)踐進(jìn)行系統(tǒng)分析,對(duì)于指導(dǎo)今后相關(guān)研究開展、提升冬季渠道過(guò)流能力、保障冰期輸水安全和促進(jìn)供水效益發(fā)揮具有重要意義。

本文基于中線近年來(lái)冬季冰情原型觀測(cè)數(shù)據(jù)和冰期輸水調(diào)度運(yùn)行實(shí)踐,對(duì)中線總干渠安陽(yáng)河以北段冬季冰情演化特征規(guī)律、輸水調(diào)度運(yùn)行方式以及保障措施效果進(jìn)行分析,以期為工程冬季冰期輸水運(yùn)行管理提供技術(shù)支撐。

1 冰情演化特征分析

為有效揭示總干渠冰情演變規(guī)律和時(shí)空分布特征,自2011年以來(lái),中線工程開展了系統(tǒng)的冬季冰期輸水冰情原型觀測(cè),連續(xù)獲取了12個(gè)年度冬季總干渠冰期輸水氣象、水力、冰情系列數(shù)據(jù),期間先后在滹沱河倒虹吸、漕河渡槽、北易水倒虹吸和北拒馬河渠段分別布設(shè)了4個(gè)斷面固定測(cè)站,建立了南水北調(diào)中線最低水溫和冰情預(yù)測(cè)模型,開發(fā)了冬季冰期輸水冰情觀測(cè)信息化平臺(tái),并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)冰情和氣象預(yù)報(bào),對(duì)未來(lái)渠道水溫、冰情進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.1 氣溫變化特征規(guī)律

中線工程冬季輸水以來(lái),各年冬季負(fù)積溫為-299.7～-63.5 ℃,最冷月平均氣溫-6.0～-1.1 ℃。其中,2012～2013年度冬季氣溫指標(biāo)最低,負(fù)積溫為-299.7 ℃,最冷月平均氣溫-5.0 ℃,實(shí)測(cè)日最低氣溫-14.8 ℃(見表1)。

表1 近年來(lái)典型測(cè)站氣溫特征值統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of temperature characteristic values of typical stations in recent years

1.2 冰情分布時(shí)間規(guī)律

中線工程冰情發(fā)展時(shí)間主要在12月中下旬至次年2月的中上旬,冰期歷時(shí)49～98 d,封凍歷時(shí)0～62 d(見表2)。2014年前京石段應(yīng)急通水期間,由于冬季輸水流量小、水溫低,冰情出現(xiàn)時(shí)間早,易平封形成穩(wěn)定冰蓋,且封凍時(shí)間較長(zhǎng)。冰情出現(xiàn)時(shí)間一般為12月中上旬,消失時(shí)間一般為次年2月中下旬,每個(gè)冬季冰期歷時(shí)70 d以上,封凍歷時(shí)多于30 d。其中,2012～2013年度冬季封凍歷時(shí)最長(zhǎng),達(dá)62 d。

表2 歷年來(lái)總干渠冬季冰情觀測(cè)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of winter ice conditions in the main canal over the years

2014年全線通水后,冰情出現(xiàn)時(shí)間一般為12月中下旬,消失時(shí)間一般為次年2月中上旬,冰期歷時(shí)49～69 d,封凍歷時(shí)0～41 d。其中,2014～2015年度冬季封凍歷時(shí)最長(zhǎng)(41 d),2015～2016年度次之,達(dá)到32 d,其他冬季封凍時(shí)間一般少于10 d。

1.3 冰情分布空間規(guī)律

2014年以前京石段應(yīng)急供水期間,輸水流量小,每年冬季輸水渠段都會(huì)出現(xiàn)岸冰、流冰,易形成穩(wěn)定的封凍冰蓋,封凍范圍87～230 km,冰厚14～32 cm,最大冰厚發(fā)生在2012～2013年冬季,冰蓋平整且連續(xù)。

2014年全線通水后,2015～2016年度冬季封凍范圍最長(zhǎng),約360 km,最大冰蓋厚度28 cm;2020～2021年度冬季次之,封凍范圍長(zhǎng)約83 km,最大冰蓋厚度16 cm。2016～2020年4個(gè)冬季基本未出現(xiàn)大范圍封凍,主要以岸冰、流冰和局部短期封凍冰蓋為主,冰蓋形成主要在崗頭節(jié)制閘以下渠段,厚度均小于5 cm,一般為不連續(xù)冰蓋,且冰蓋上有清溝。2021～2022和2022～2023兩個(gè)年度冬季均未形成冰蓋(見表2)。

2015～2016年冬季冰情發(fā)展最為嚴(yán)重,封凍冰蓋前緣向南延伸至邢臺(tái)七里河倒虹吸節(jié)制閘,流冰前緣向南延伸至安陽(yáng)河倒虹吸節(jié)制閘,冰情總長(zhǎng)481 km。自南向北冰情分為3段,其中安陽(yáng)河節(jié)制閘至七里河節(jié)制閘約118 km渠段為流冰段;七里河節(jié)制閘至蒲陽(yáng)河節(jié)制閘250 km渠段為分段封凍段,基本無(wú)冰塞;蒲陽(yáng)河節(jié)制閘至北拒馬河節(jié)制閘113 km渠段為穩(wěn)定封凍段,其中崗頭節(jié)制閘前出現(xiàn)了一定程度的冰塞。

1.4 典型特征冰情形成條件

中線干線正式通水以來(lái),冬季冰情類型主要包括岸冰、流冰、冰蓋和水內(nèi)冰,其中僅在2015～2016和2020～2021年度水溫低于0 ℃時(shí),渠道內(nèi)觀測(cè)到水內(nèi)冰?；诮陙?lái)冰情原型觀測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)分析岸冰、流冰、冰蓋封凍、水內(nèi)冰等特征冰情與流速、水溫、氣溫等指標(biāo)關(guān)系,初步得到在當(dāng)前輸水調(diào)度模式和冰期輸水安全控制流量條件下中線主要典型特征冰情形成條件如下[17,21]:

(1) 岸冰。進(jìn)入冬季,隨著氣溫的降低,渠道水體熱量散失逐漸超過(guò)其獲得的熱量,在水溫低于4 ℃且氣溫低于-10 ℃、水溫低于2 ℃且氣溫低于-5 ℃、水溫低于1 ℃且氣溫低于-3 ℃時(shí),水中初生冰晶相互聚集,首先在岸邊襯砌板流速緩慢的地方形成較薄的冰帶,即為岸冰,隨著氣溫的降低,岸冰不斷生長(zhǎng)。

(2) 流冰。對(duì)于中線干線渠道,流冰是結(jié)冰期主要的冰情現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為冰晶、流冰花和表面流冰層等形態(tài)。在水溫低于0.5 ℃且氣溫低于-6 ℃、水溫低于1.0 ℃且氣溫低于-8 ℃、水溫低于1.5 ℃且氣溫低于-12 ℃時(shí),尤其伴隨寒潮氣溫驟降,渠道水體內(nèi)出現(xiàn)大量微粒狀冰晶體,冰晶進(jìn)一步聚集凍結(jié)成流冰花。伴隨著水流流動(dòng),流冰花在運(yùn)動(dòng)中相互凍結(jié)進(jìn)而形成一定范圍的表面流冰層。另外,在日間由于氣溫回升和太陽(yáng)輻射增強(qiáng),岸冰脫落隨水流運(yùn)動(dòng)也形成流冰。

(3) 冰蓋。中線工程的冰蓋形成多為平封過(guò)程,在平鋪上溯過(guò)程中,表面流冰層首先在攔冰索、橋墩束窄斷面、彎道等控制節(jié)點(diǎn)卡塞,停止運(yùn)動(dòng),形成冰橋,緊接著上游的流冰在冰蓋前沿出現(xiàn)積壓、下潛、重疊、凍結(jié),同時(shí)與岸冰凍結(jié)成一體,平鋪上溯,形成冰蓋。中線渠道在最低氣溫低于-10 ℃、負(fù)積溫低于-113 ℃、平均流速為0.1～0.4 m/s時(shí)即可能形成冰蓋;當(dāng)水溫低于1 ℃、最低氣溫低于-15 ℃、連續(xù)3 d負(fù)積溫積累量低于-30 ℃時(shí),形成冰蓋的概率較大。

(4) 水內(nèi)冰。在嚴(yán)寒低溫條件下,渠道水體大量失熱,由于水的湍流作用,不僅水體表面冷卻,整個(gè)斷面的水溫也同時(shí)下降,當(dāng)水體處于過(guò)冷狀態(tài),只要具備了凝結(jié)成冰晶的條件,水體中任何部位都能產(chǎn)生冰晶,即水內(nèi)冰。當(dāng)中線渠道水流流速為0.36～0.37 m/s、日最低氣溫低于-10 ℃、水溫降至0 ℃以下時(shí),水內(nèi)冰分布在整個(gè)渠道斷面,水內(nèi)冰厚度約0.5～3.0 cm,重量為0.16～0.95 kg,結(jié)冰厚度沿水深方向遞減。

1.5 典型特征冰情分區(qū)預(yù)測(cè)

對(duì)于中線冰情發(fā)生及消融規(guī)律的研究,當(dāng)前主要側(cè)重岸冰、流冰、冰蓋3種常見類型。借助已開發(fā)的冰情觀測(cè)信息化平臺(tái),中線工程初步構(gòu)建起基于水溫、負(fù)積溫的冰情狀態(tài)判斷模型[18-19]。具體做法是:利用歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì),分別將負(fù)積溫和水溫作為觀測(cè)點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo),對(duì)“無(wú)冰”“岸冰”“流冰”“冰蓋”等冰情在平面上進(jìn)行區(qū)劃(見圖1),進(jìn)而利用氣象預(yù)報(bào)和水溫預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)渠道未來(lái)一周冰情發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖1 北拒馬河渠段冰情分區(qū)及預(yù)測(cè)示意Fig.1 Schematic diagram of ice zoning and prediction in the canal section of Beijuma River

2 冰期輸水調(diào)度方式

2.1 運(yùn)行方式

中線總干渠設(shè)計(jì)流速一般為1 m/s,自流輸水條件下,該流速水流狀態(tài)在遇到嚴(yán)寒時(shí)不可避免產(chǎn)生冰凌,此時(shí)流速越大流冰下潛的風(fēng)險(xiǎn)越大。另外,考慮到高流速水流狀態(tài)抑制冰凌發(fā)生的方式,通常需要加壓實(shí)施,其經(jīng)濟(jì)性和安全性仍需進(jìn)一步論證。為此,目前冬季中線采用低流速方式,防止流冰危害,促進(jìn)冰蓋盡快形成。此外,根據(jù)中線總干渠冰期運(yùn)行實(shí)際,封凍期一般時(shí)間較短,10 d左右,冰蓋不連續(xù)、厚度不大,且冰蓋上一般存在一定的“清溝”,若水脫離冰蓋易造成冰蓋破損。因此,采取水下浮托冰蓋的方式運(yùn)行,并盡量保持水位穩(wěn)定。

2.2 調(diào)度策略

按照現(xiàn)行規(guī)定,一般每年12月初至次年2月底,中線工程處于冰期輸水運(yùn)行階段[2],即12月1日起,中線工程進(jìn)入冰期輸水調(diào)度準(zhǔn)備狀態(tài),全面加強(qiáng)對(duì)安陽(yáng)河以北段的水溫、氣溫、冰情等指標(biāo)監(jiān)測(cè),結(jié)合7～15 d中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)和沿線用水需求,優(yōu)化各斷面流量調(diào)減時(shí)間,科學(xué)實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)度[1]。初定12月20日起,中線工程崗頭節(jié)制閘以下渠段逐步開始調(diào)減流量,按照不超過(guò)冰期輸水安全流量控制,上游渠段則在保障調(diào)度安全的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際氣象、水情、工情及沿線用水需求,適當(dāng)延長(zhǎng)正常供水時(shí)間和范圍,盡量滿足地方需求,實(shí)現(xiàn)多供水。具體調(diào)度過(guò)程中,若某渠段水溫低于3 ℃,或者有顯著下降趨勢(shì),預(yù)測(cè)未來(lái)3 d可能接近1 ℃時(shí),通過(guò)上下游閘門聯(lián)合調(diào)度,在1～2 d內(nèi)盡快將該渠段及以下流量調(diào)減到位[1-2]。

2.3 流量控制

前期通過(guò)對(duì)中線冰期輸水調(diào)度方案的研究,明確了冰蓋立封模式發(fā)展的臨界弗汝德數(shù)為0.08,平封發(fā)展的臨界弗汝德數(shù)為0.06。在此基礎(chǔ)上,分別針對(duì)平封、立封模式,計(jì)算得出安陽(yáng)河以北各斷面不同水位下的冰期輸水安全控制流量,基本為設(shè)計(jì)流量的31.56%～47.64%[12-13]。結(jié)合冬季來(lái)水情況、用戶需求、工程檢修以及冰期運(yùn)行等多種因素,近年來(lái)冰期崗頭節(jié)制閘斷面輸水流量一般在50 m3/s左右,入京流量在21 m3/s左右,入津流量在20 m3/s左右。根據(jù)當(dāng)前冰期輸水相關(guān)規(guī)定,平封條件、設(shè)計(jì)水位下運(yùn)行時(shí),參考的冰期輸水安全控制流量為:崗頭節(jié)制閘斷面為47.64 m3/s,北拒馬河節(jié)制閘斷面為22.97 m3/s[2,19]。輸水過(guò)程中,流量盡量保持不變,確有必要需改變輸水流量時(shí),采用小幅度逐步微調(diào)的方式。

2.4 水位控制

安陽(yáng)河以北段冰期渠道水位控制在設(shè)計(jì)水位以上。其中,古運(yùn)河節(jié)制閘至蒲陽(yáng)河節(jié)制閘渠段水位一般控制在設(shè)計(jì)水位至加大水位之間,崗頭節(jié)制閘至北拒馬節(jié)制閘渠段水位控制在加大水位附近,盡量降低流速,促進(jìn)渠道內(nèi)水流形成平封冰蓋。輸水過(guò)程中,水位盡量保持穩(wěn)定,一般控制水位每小時(shí)降幅在5 cm以內(nèi),漲幅10 cm以內(nèi)。

3 冰期輸水保障措施

南水北調(diào)中線冰期輸水調(diào)度控制要求高、輸水技術(shù)難度大,存在冰塞、冰壩、設(shè)備故障、凍脹破壞等冰凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),在實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)度的基礎(chǔ)上,需要輔助工程、管理各類措施,協(xié)同保障,以期在運(yùn)行安全的前提下實(shí)現(xiàn)多供水目標(biāo)。

3.1 工程措施

(1) 攔冰設(shè)施。在冰期,輸水渠段的倒虹吸、暗渠、渡槽、隧洞等建筑物進(jìn)口處均布設(shè)有攔冰索,可有效攔截流冰,使得渠段內(nèi)的冰凌盡量做到“自產(chǎn)自消”,促進(jìn)冰蓋形成。當(dāng)前冰期輸水期間,中線工程沿線共布設(shè)攔冰索104道,其中防腐木式99道,鋼浮筒式5道。崗頭隧洞進(jìn)口至干線明渠末端布置攔冰索42道,占全線攔冰索數(shù)量的40%。

(2) 擾冰設(shè)施。低溫條件下,為避免渠道流冰在閘前漸變段等處不斷發(fā)展聚集形成冰塞,工程沿線重點(diǎn)部位設(shè)置了擾冰設(shè)備,共有111套,其中射流擾冰設(shè)備105套,氣泡擾冰設(shè)備6套。漕河渡槽出口至惠南莊泵站間共布置擾冰設(shè)施58套,占全線擾冰設(shè)施總量的53%。

(3) 融冰設(shè)施。為避免因受嚴(yán)寒低溫影響,節(jié)制閘、排冰閘、退水閘等閘門發(fā)生凍結(jié)而無(wú)法操作,工程沿線穿黃節(jié)制閘至北京惠南莊泵站共設(shè)置融冰設(shè)備180套,其中熱管融冰設(shè)備132套,熱纜融冰設(shè)備48套。崗頭節(jié)制閘及其下游渠段,各節(jié)制閘、控制閘等控制建筑物融冰設(shè)備覆蓋率達(dá)100%。

(4) 排冰設(shè)施。中線干線共布設(shè)有排冰閘15座,分別分布在漳河倒虹吸至北拒馬河暗渠段。為了防止流冰過(guò)度堆積阻塞,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況提前啟動(dòng)排冰閘將流冰排出總干渠。石家莊以北渠段設(shè)置有洨河排冰閘、西黑山排冰閘、北拒馬河退水排冰閘。

(5) 撈冰設(shè)施。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),渠道流冰多堆積在交叉建筑物進(jìn)口、節(jié)制閘、分水口和曲率較大的渠道彎道附近,容易堵塞攔污柵。因此,在崗頭隧洞、西黑山進(jìn)口閘和北拒馬河暗渠等重點(diǎn)建筑物進(jìn)口、節(jié)制閘前布置撈冰設(shè)備,如撈冰機(jī)、撈冰鏟車和運(yùn)輸車輛,及時(shí)打撈堆積流冰。

3.2 管理措施

(1) 工程巡查。當(dāng)渠道內(nèi)開始出現(xiàn)冰情后,尤其是在冰蓋形成期和消融期,工程沿線應(yīng)加密巡查頻次。當(dāng)日最低氣溫在-2℃以下時(shí),針對(duì)沿線建筑物進(jìn)口檢修閘、節(jié)制閘、控制閘、退水閘、分水口等重點(diǎn)部位加強(qiáng)巡查,特別注意襯砌板破壞部位、高地下水位渠段、渠道彎道處以及其他輸水輪廓邊界斷面變化較大部位的結(jié)冰情況及水體含冰情況,發(fā)現(xiàn)冰塊或冰屑集中等冰情、險(xiǎn)情、突發(fā)事件時(shí)應(yīng)第一時(shí)間報(bào)告。

(2) 值班值守。各級(jí)管理機(jī)構(gòu)嚴(yán)格落實(shí)值班制度,強(qiáng)化值班紀(jì)律,履行崗位職責(zé),認(rèn)真做好設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行監(jiān)控、運(yùn)維保障和輸水調(diào)度等工作,當(dāng)班人員應(yīng)準(zhǔn)確掌握上一班及該班的冰情信息,及時(shí)查看轄區(qū)天氣預(yù)報(bào)和寒潮預(yù)警,密切關(guān)注氣溫、水溫、水情、冰情變化,在轄區(qū)內(nèi)有冰情出現(xiàn)時(shí),保持時(shí)刻警惕,隨時(shí)跟蹤,發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)上報(bào)。

(3) 信息報(bào)送。各級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)每日按規(guī)定及時(shí)、準(zhǔn)確、逐級(jí)報(bào)送中線冰情日?qǐng)?bào),記錄總干渠現(xiàn)場(chǎng)冰情信息。匯總統(tǒng)計(jì)分析后,繪制崗頭節(jié)制閘、西黑山節(jié)制閘、北拒馬節(jié)制閘等重點(diǎn)斷面水溫變化監(jiān)測(cè)圖,編制冰情短信,并將相關(guān)信息及時(shí)向各有關(guān)單位和部門人員進(jìn)行通報(bào)共享。

(4) 預(yù)警會(huì)商。密切關(guān)注天氣變化,通過(guò)各類自動(dòng)化系統(tǒng)、平臺(tái)和氣象網(wǎng)站等多途徑實(shí)時(shí)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)對(duì)暴雪、冰凍、寒潮等天氣的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),為預(yù)警預(yù)報(bào)和冰凍災(zāi)害預(yù)防決策提供技術(shù)支撐。同時(shí)加強(qiáng)與沿線省、市(縣)氣象部門單位聯(lián)系和信息溝通,及時(shí)掌握沿線低溫、寒潮及冰凍災(zāi)害預(yù)警響應(yīng)信息,及時(shí)組織會(huì)商,提前發(fā)布冰情預(yù)警。

(5) 應(yīng)急保障。各級(jí)管理機(jī)構(gòu)有針對(duì)性地編制完善冰凍災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案和專項(xiàng)處置方案,提前做好冰期應(yīng)急搶險(xiǎn)物資儲(chǔ)備、應(yīng)急搶險(xiǎn)設(shè)備維護(hù)和應(yīng)急搶險(xiǎn)隊(duì)伍管理等工作,針對(duì)轄區(qū)可能發(fā)生的冰情險(xiǎn)情,適時(shí)組織開展冰凍災(zāi)害應(yīng)急演練,有效提升冰期輸水應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力。如遇突發(fā)險(xiǎn)情,及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案,有效開展現(xiàn)場(chǎng)先期處置,控制險(xiǎn)情的發(fā)展。

4 結(jié)論與討論

近年來(lái),南水北調(diào)中線工程通過(guò)冰期輸水運(yùn)行實(shí)踐積累,初步揭示了總干渠冬季冰情生消演變規(guī)律,在保障冰期運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上,已形成了一套較為可行的輸水調(diào)度控制模式和措施保障體系。通過(guò)分析可以得出以下結(jié)論。

(1) 自全線通水以來(lái)的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看,中線總干渠發(fā)生冰情的范圍比理論預(yù)想偏小,基本為石家莊以北段,南北渠池凍融狀態(tài)不同步;主要冰情為岸冰和流冰,發(fā)生冰塞風(fēng)險(xiǎn)概率較低;冰期輸水時(shí)間偏短,較大范圍冰蓋持續(xù)時(shí)間一般不超過(guò)1個(gè)月。

(2) 整體上,目前南水北調(diào)中線工程冬季運(yùn)行調(diào)度以小流量、高水位冰蓋下輸水為基礎(chǔ),以最不利的氣象條件作為場(chǎng)景輸入,具有安全性高和氣象條件適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn),但渠道輸水能力將大幅受限。

(3) 基于長(zhǎng)距離串行輸水系統(tǒng)冰期運(yùn)行出現(xiàn)的冰情和成因分析,冰期輸水以防為主,經(jīng)過(guò)2015～2016年、2020～2021年等典型冷冬年嚴(yán)峻冰情檢驗(yàn),中線工程當(dāng)前采取的“攔、擾、融、排、撈”一體化冰凌防控措施和各項(xiàng)管理措施行之有效,可供類似輸水工程運(yùn)行調(diào)度借鑒。但在個(gè)別措施的應(yīng)用條件和實(shí)施功效,如排冰閘運(yùn)用、冰情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等方面還需不斷深化研究。

為此,如何突破現(xiàn)有冰蓋下輸水方式,探索冬季非冰蓋大流量輸水新模式,不斷提升明渠水溫、冰情集合預(yù)報(bào)和精細(xì)模擬精度,深入完善各類工程設(shè)施和管理措施保障功效,進(jìn)而構(gòu)建時(shí)間和空間兩個(gè)維度上的冬季輸水能力提升理論技術(shù)體系,將是下一步研究的重點(diǎn)方向。在此過(guò)程中,需結(jié)合南水北調(diào)中線工程智慧化調(diào)度和數(shù)字孿生工程建設(shè),充分發(fā)揮冰情演化“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”措施功效,實(shí)施更加精準(zhǔn)的時(shí)空動(dòng)態(tài)調(diào)度,減少冬季輸水時(shí)長(zhǎng),降低受影響渠段范圍,努力提升中線工程冬季冰期輸水能力,從而更好地發(fā)揮工程效益,最大限度地滿足沿線用水戶的用水需求。