馬健 謝兵波

【摘 要】本文主要集中分析了南水北調(diào)中線干渠冰期輸水能力的相關(guān)問題，論述了干渠冰期輸水能力的薄弱環(huán)節(jié)，進而提出了一些提升輸水能力的對策和建議，希望能夠供同行參考。

【關(guān)鍵詞】南水北調(diào)；中線；干渠；冰期；輸水能力

一、前言

在南水北調(diào)中線工程中，冰期的病害對于水力的輸送帶來了很大的困難，因此，為了提高南水北調(diào)中線工程的水力輸送能力，必須要更加深入的探討干渠冰期輸水能力的相關(guān)問題。

二、中線供水工程特點分析

按照南水北調(diào)中線總體規(guī)劃的要求，利用水文情勢豐枯互補的有利條件，中線外調(diào)水與受水區(qū)當?shù)氐乇硭偷叵滤?lián)合調(diào)度，豐枯互補，提高供水保證率，用中線水置換當?shù)氐乇硭偷叵滤?，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置與合理利用，因此中線供水工程屬于重要補充水源。

中線供水工程是補充水源這一特征，是所有中線供水調(diào)度特點中最重要的一個特征。中線供水工程既要按市場運作，但卻又是補充水源，這為中線實際運行調(diào)度帶來一個難題，主要表現(xiàn)在：

1、中線供水是補充水源，也就是說中線供水并不是受水區(qū)唯一的水源，那么受水區(qū)用戶對中線供水的需求存在著一定的不確定性和風險性。由于水文情勢的不確定性和隨機性，用戶對水資源需求也伴隨著有一定的不確定性和隨機性，當受水區(qū)水資源豐富的時候，對外調(diào)水需求降低，甚至是零需求；當受水區(qū)水資源緊缺的時候，對外調(diào)水需求增大。這一不確定性和隨機性特點，實際上增加了中線供水調(diào)度的風險和成本，也嚴重影響中線供水的效益。

2、中線供水水價與當?shù)厮畠r口徑不統(tǒng)一。前面已經(jīng)說明中線供水調(diào)度的有償性，通過水價來反映。水資源是一種母體資源，是人們賴以生存的資源，這就決定了水價不可能無限度的提高。從南水北調(diào)水價計算來看，調(diào)水將按完整的水價原則定價，包括資源水價、工程水價和環(huán)境水價。中線長距離調(diào)水，水價成本較大，而且到達最終用戶還要經(jīng)過若干環(huán)節(jié)，成本逐個環(huán)節(jié)上升。因此由于外調(diào)水與當?shù)厮畠r成本的巨大差距，中線供水水價與當?shù)厮畠r口徑不可能統(tǒng)一，那種寄希望于拉平當?shù)厮乃畠r與外調(diào)水的水價，顯然是不現(xiàn)實的。

三、冰期輸水階段劃分

根據(jù)氣象條件和冰蓋形成及融化過程，冰期輸水大體分為五個階段：冰期目標水位生成階段、流冰階段、冰蓋形成階段、冰蓋下輸水階段、融冰階段。不同階段冰凌對輸水建筑物的安全威脅程度不同，其中冰蓋形成階段和融冰階段為輸水關(guān)鍵階段。

1、冰期目標水位生成階段

冰期目標水位生成階段，即總干渠明渠段控制閘閘前水位逐步提升至冰期目標水位的階段。時間為12月上旬至12中旬。

2、流冰階段

流冰階段即，由于氣溫和水溫相對較低，水中含有一定濃度的冰花、冰屑或冰片甚至冰塊，在此期間若繼續(xù)輸水則為流冰輸水。時間為12月中旬至12月下旬。

3、冰蓋形成階段

冰蓋形成階段，即隨著氣溫繼續(xù)下降，總干渠由流冰逐漸形成穩(wěn)定冰蓋的階段。大體時間12月下旬至次年1月上旬。

4、冰蓋下輸水階段

冰蓋下輸水階段，即形成穩(wěn)定冰蓋后繼續(xù)保持輸水。大體時間12月下旬至次年2月上旬。

5、融冰階段

融冰階段，即隨著天氣轉(zhuǎn)暖冰蓋逐漸融化，在此期間繼續(xù)保持供水。

四、渠道冰期輸水能力的控制指標

1、渠道結(jié)冰期的輸水能力控制指標

進入結(jié)冰期，渠道內(nèi)首先產(chǎn)生流冰，如果攔冰索前的水流條件不致引起水流下潛，那么流冰就會在攔冰索前堆積，攔冰索前的渠道斷面首先生成冰蓋，并逐漸向上游推進。對于冰蓋下輸水的渠道而言，在冰期到來之前，應該通過節(jié)制閘的調(diào)控形成適宜冰蓋生成的水流條件，保證流冰不在攔冰索或冰蓋前緣下潛。

前人的研究發(fā)現(xiàn)，冰蓋前緣的水流佛汝德數(shù)的大小決定了渠道冰蓋的推進模式。表1為不同水流佛汝德數(shù)條件下，冰蓋的推進模式。由表1可知，為了避免冰塞發(fā)生的可能，實現(xiàn)渠道冬季的安全輸水，在冬季結(jié)冰過程中，各渠池水流佛汝德數(shù)應小于流冰完全下潛的臨界值，即第二臨界佛汝德數(shù)。沈洪道、孫肇初等經(jīng)現(xiàn)場觀測認為，第二臨界佛汝德數(shù)在0.09左右，黃河的劉家峽、鹽鍋峽河段的原型觀測結(jié)果也表明冰蓋停止發(fā)展的臨界佛汝德數(shù)為0109，引黃濟青工程經(jīng)過多年的運行實踐，規(guī)定渠道冰期輸水過程中水流的佛汝德數(shù)應小于0.08，京密引水工程將佛汝德數(shù)小于0.09作為渠道冰期運行的控制條件之一。可見，要實現(xiàn)渠道的冰蓋下輸水，在結(jié)冰期內(nèi)渠道水流的佛汝德數(shù)應小于0.08～0.09。在本次研究中，出于安全考慮，將冰花完全下潛的第二臨界佛汝德數(shù)取為0.08。渠道在冬季運行時采用閘前常水位的運行方式，在閘前控制水位一定的情況下，渠道沿線的水流佛汝德數(shù)隨著輸水流量的增大而增加。因此，可將渠道的初始佛汝德數(shù)小于0.08作為確定渠道在結(jié)冰期輸水能力的控制指標之一。

表1 不同水流佛汝德數(shù)條件下冰蓋的推進模式

注：Fr1、Fr2分別為第一和第二臨界佛汝德數(shù)，為反映冰蓋推進模式的臨界參數(shù)。

水流流速也是影響渠道冰蓋發(fā)展模式的因素之一。1989年-1990年冬季以及1990年-1991年冬季，北京市水利科學研究所對京密引水渠開展了冰期輸水觀測，發(fā)現(xiàn)當流速小于0.6m/s時，上游產(chǎn)生的薄冰片漂浮于水面，到達冰蓋前緣或攔冰索處，不潛入水中，而停滯在冰蓋前緣呈疊瓦狀堆積，冰面堆積到一定的厚度后，逐漸向上游發(fā)展，并形成冰蓋。北京市水利科學研究所綜合分析了原型觀測結(jié)果，認為在結(jié)冰期渠道內(nèi)的斷面平均流速應控制在0.6m/s以下，以避免冰蓋前緣冰花下潛并向下游輸移。因此，渠道在結(jié)冰期也應保證水流流速不超過0.6m/s。綜上所述，確定渠道在結(jié)冰期的輸水能力的控制指標：渠道的初始佛汝德數(shù)不超過0108；渠道內(nèi)的水流速度不超過0.6m/s。在該控制指標的指導下，通過計算敞流渠道的恒定流，就可以確定不同閘前控制水位下，渠道在結(jié)冰期所能達到的輸水能力。

2、渠道完全封凍后的輸水能力控制指標

渠道在完全封凍以后，受到冰蓋阻力的影響，在相同的輸水流量和支樞點控制水位下，渠道的水位會較敞流期有較大的壅高，水位壅高是制約渠道在完全封凍后的輸水能力的關(guān)鍵因素。渠道的水位壅高與渠道的運行控制方式和冰蓋糙率密切相關(guān)。下面分別對冰蓋下輸水渠道的運行控制方式和冰蓋糙率進行分析。

（一）冰蓋下輸水渠道的運行控制方式

輸水渠道常在節(jié)制閘或倒虹吸的上游設置攔冰索，順流而下的流冰在攔冰索前堆積，形成初始冰蓋，并逐漸向上游推進。由于冰蓋在生成過程中，渠道的綜合糙率增加，當輸水流量一定時，渠池內(nèi)的水面線將壅高。為了保證冰蓋在推進過程中的穩(wěn)定，比較理想的運行方法是：控制攔冰索附近的水位不變，使渠池內(nèi)的水面線以此為支點向上轉(zhuǎn)動。即，渠道在冬季運行時，理想的運行方式是閘前常水位。采用此運行方式，在輸水流量不變的情況下，渠道糙率增加必然引起渠道內(nèi)的蓄量增加，水面線將以閘前斷面為支點向上轉(zhuǎn)動，越向渠池上游，水位壅高的幅度就越大，每個渠池的首斷面將是結(jié)冰期水位壅高最大的斷面。

（二）冰蓋糙率分析

冰蓋糙率越大，輸水能力就越小，確定渠道冰蓋糙率范圍對確定渠道冰期輸水能力十分重要。影響冰蓋糙率的因素包括冰蓋下的輸水時間長度和冰蓋的推進模式。整個冬季，渠道冰蓋糙率并不是一成不變的，實際觀測表明，冰蓋糙率是時間的函數(shù)，冰蓋形成初期糙率最大，一般稱為初始冰蓋糙率。隨著水流的沖刷，冰蓋底部的棱角逐漸變得圓滑，糙率值逐漸減小，并最終趨近于某一穩(wěn)定值。冰蓋的初始糙率與冰蓋的推進模式密切相關(guān)。當渠道內(nèi)的冰蓋按照平封方式生成時，冰蓋的下表面光滑，冰蓋糙率小。當渠道內(nèi)的冰蓋按照立封方式生成時，冰蓋的下表面因流冰的堆積而參差不齊，冰蓋的初始糙率就較大。

五、冰期輸水技術(shù)

1、工程措施

①在出口處水流是紊流，不容易結(jié)冰。并且閘門在閘室的封閉狀態(tài)中，與室外形成兩個不同的溫度環(huán)境。為防止流冰進入倒虹吸，在建筑物進口還設置了胸墻用以擋冰和雜物，輸水實踐證明，這種措施是有效的。

②應急供水工程所有的節(jié)制閘、檢修閘、退水閘的防冰凍設施（如閘門槽加熱設備）在冰期前完成調(diào)試，具備正常運行條件，確保冰期輸水時，各閘門開啟靈活，避免冰凍影響閘門操作的靈敏度。

在閘門槽內(nèi)埋設有加熱系統(tǒng)。一旦氣溫降到結(jié)冰點，造成門槽冰凍時，可以啟動該系統(tǒng)，進行局部加熱融冰，防止閘門槽附近結(jié)冰。它是在閘門槽里面埋設一套循環(huán)油管，在外部加熱油，熱油在管內(nèi)循環(huán)流動，從而提高閘門槽處的溫度，達到融冰的目的。

2、管理措施

科學調(diào)度，管理措施跟上。干渠的建設和運行管理部門對這次輸水運行非常重視，通水前做大量的準備工作；通水運行時科學計算、嚴格管理、合理調(diào)度。還聘請了山東膠東調(diào)水局的十多名富有多年調(diào)水經(jīng)驗的專家?guī)椭{(diào)度運行。

為了防止閘門前結(jié)冰，冬季輸水采取臨時應急措施。對冰期運行的各項安全措施作了規(guī)定，并明確了不同階段的調(diào)度要求，主要內(nèi)容如下。

①建立冰期輸水運行管理責任體系，加強各級運行管理和現(xiàn)地調(diào)度值班力量，強化各自責任意識。

②編制冰期輸水應急預案，明確在不同的建筑物出現(xiàn)冰塞、冰蓋破裂等情況時的應對措施。

③制定冰期輸水運行監(jiān)視制度，預警制度，建立冰期輸水運行的監(jiān)視通道，明確不同氣溫條件下重點監(jiān)視部位、頻率和要求，特別注意流冰輸水及冰蓋形成期間的冰情、水情變化。

④對于渠道斷面急劇變化部位，如建筑物進口，配置專人和設備撈冰以及預警報告，應保持排冰運輸通道暢通。

⑤配備搶險隊伍、人工撈冰設施和破冰機械設備，嚴防冰塞發(fā)生。

⑥為保障冰期輸水安全，加強渠道及建筑物的管理和維護，增強渠系巡視，保證監(jiān)測設備、控制設備、通訊設備的正常運行。

⑦沿線各退水閘、排冰閘保證隨時投運。

結(jié)束語：總而言之，在南水北調(diào)的中線工程中，干渠冰期輸水能力的研究至關(guān)重要，只有提高了冰期輸水能力，才能真正發(fā)揮出南水北調(diào)線路的運輸效果，調(diào)動工程的能動性。

參考文獻：

[1]吳劍疆，茅澤育，王愛民，等.河道中水內(nèi)冰演變的數(shù)值計算[J].清華大學學報（自然科學版），2013，（5）.

[2]茅澤育，董曾南，陳長植.河冰數(shù)學模擬研究綜述[J].水力發(fā)電，2011，（12）.

[3]王軍，孫連進，周智慧.冰塞下冰塊起動分析[J].水利水運科學研究，2009，（2）.