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行調(diào)度方式和渠池水流特點，提出了避免形成冰塞災害的水流控制條件。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)化冬季輸水運行調(diào)度和冰情預報提供科學依據(jù)。

關鍵詞：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文獻標志碼：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)略性基礎設施，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-北京團城湖渠長1 276 km，天津干線渠長156 km（設西黑山進口閘），線路跨越北緯33°～40°寒冷區(qū)。多年平均調(diào)水量95億m3，渠首設計流量350 m3/s，渠末設計流量50 m3/s。輸水方式以明渠為主，局部管涵為輔，沿線布設建筑物包括節(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、冰蓋輸水等多種復雜運行狀態(tài)，容易誘發(fā)冰塞冰壩及其他冰害。冰情生消演變機理復雜，涉及氣象條件、水力條件、渠道邊界條件和運行調(diào)度等多種因素?？偢汕€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）；從運行調(diào)度方面提出避免形成冰塞的水流控制條件。從而實現(xiàn)冰期輸水安全、高效運行，達到興利除害的目的[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重。京石段輸水明渠全長228 km，南起石家莊附近的古運河節(jié)制閘，北至北京房山的北拒馬河節(jié)制閘。沿線布設14座節(jié)制閘將京石段分隔為13個“渠池”串聯(lián)運行，單池長9～27 km。渠段設計水力參數(shù)指標總體由南至北（古運河閘～北拒馬河閘）沿程逐級減小，設計流量Q=170～50 m3/s，設計底寬b=265～75 m，設計水深h=60～38 m，設計水面寬B=51～27 m，設計斷面平均流速V=100～075 m/s，設計水流弗勞德數(shù)Fr=0161～0117。渠道縱坡較緩i=1/25 000～1/20 000，設計明渠糙率n=0015。

從地形上來說，南段的古運河閘-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，應引起關注。

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，次年2月底轉(zhuǎn)正，冬季負積溫值較低。近5年實測最低氣溫-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，遠低于渠道設計流量。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，占該渠段設計流量的362%，明渠末端北拒馬河節(jié)制閘入京流量平均為307 m3/s，占該渠段設計流量的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067～081 m/s。由此可分析渠池水力條件與冰情演變的相關關系。

水流流速是直接影響冰情形態(tài)演變的重要指標。流速低、冰花團密度高、流冰層面積大，渠道易形成冰蓋；流速大，水流搬運和輸送冰塊的能力強，渠道不易形成封凍冰蓋；而當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?？偟脕碚f，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；遠較東北黑龍江、嫩江冰薄（見表7）。2015年-2016年冬季實測冰厚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，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)嚴重冰情。渠道[JP2]主要冰情現(xiàn)象包括流冰花、冰花團、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

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：

（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。

（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，堅硬密實 ；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，嚴重阻塞過水斷面，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??；b.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，應加密布設攔冰索（尤其是倒虹吸、隧洞、渡槽等建筑物進口和石渠上游），對沿線流冰實施分段攔截，達到“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.必要時設置排冰閘和滯冰池，或采取機械排冰措施。亦可結(jié)合現(xiàn)有排冰閘或退水閘，輔助布設剛性直線型水力導冰浮排，可將流冰導向指定的位置（或閘孔）。

c.金結(jié)閘門前應設置防冰凍設施，可采用壓縮空氣吹泡法（避免采用噴灑水方式），加強水流擾動，避免閘門結(jié)冰封凍，必要時采用溫熱水破冰。

d.加強冰情固定斷面觀測和全線巡視檢查，加強冰塞冰壩專項應急監(jiān)測，及時預防預警。

（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)渠段可適當抬高水位運行。京石段渠頂高程是按加大水位+1.5m超高確定的，有關渡槽、倒虹吸等建筑物是按加大流量和加大水位設計的，冰期輸水期間適當抬高水位運行是可行的。

（3）渠池水流特點。

[JP2]中線總干渠運行調(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。

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)，以及中線渠道運行調(diào)度方式和渠池水流特點，考慮渠道地理位置和氣候條件，提出避免形成冰塞災害的水流控制條件：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。按此指標進行輸水控制，京石段冰期輸水流量約占其設計流量的25%～45%。如此分別提出控制斷面水力指標，是與總干渠實際運行水流特點相適應的。對于渡槽和部分石渠斷面而言，按此控制水流難度較大（要求的輸水流量太小），可在其上游加密布設攔冰索以消減冰塞體的規(guī)模。事實上，冰塞形成較為復雜，不僅與低溫極值有關，還與24 h或48 h溫度降幅有關，結(jié)冰期極端寒潮襲擊往往會加重冰塞災害。這里實際隱含了保證率的概念，可以認為，按此指標進行輸水控制出現(xiàn)嚴重冰塞災害的風險較小。隨著今后對總干渠冰情演變認識的深入，攔冰設施加密布設，可逐步完善（或提高）該控制指標，以確保冬季輸水安全、高效運行。

應該指出的是，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。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。可以看出，水流流速和上游來冰量是誘發(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，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行方式和渠池水流特點，提出運行初期避免冰塞災害的水流控制條件：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，對冰情認識尚屬有限，極端冰情冰害尚未全部顯現(xiàn)，應持續(xù)加強全線冰情觀測，積累冰期輸水觀測數(shù)據(jù)，為優(yōu)化冬季輸水運行調(diào)度和冰情預報提供科學依據(jù)。冬季冰情問題相當復雜，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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