南水北調(diào)中線總干渠冰情預(yù)測模型參數(shù)敏感性分析及率定

莫振寧管光華++劉大志黃凱

摘要：南水北調(diào)中線工程黃河以北總干渠冬季由于受氣溫的影響，將有不同程度的冰情產(chǎn)生，總干渠將處于無冰、流冰、冰蓋下輸水等多種復(fù)雜運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行不當(dāng)則可能發(fā)生冰塞、冰壩危害。為了更準(zhǔn)確地預(yù)測冰情，文章利用詳細(xì)熱量交換法對(duì)不同條件下渠道內(nèi)一維冰蓋生消進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)2012年冬季的冰清觀測結(jié)果以均方根差最小的原則率定模型參數(shù)。隨后通過改變反射系數(shù)α、云量C、虛擬冰蓋厚度Δh、風(fēng)速Va、折減系數(shù)Cc及Ce、初始水溫等分析冰蓋厚度對(duì)于模型參數(shù)的敏感性。仿真結(jié)果顯示，模型參數(shù)中反射系數(shù)α、虛擬冰蓋厚度Δh這兩個(gè)參數(shù)對(duì)冰蓋厚度影響較大，氣溫?cái)?shù)據(jù)中云量C對(duì)冰厚結(jié)果影響較大，且在高云量區(qū)域敏感性為極敏感，這些規(guī)律可以為寒區(qū)渠道系統(tǒng)冰情預(yù)測模型的開發(fā)及率定提供參考。

關(guān)鍵詞：冰情預(yù)測；南水北調(diào)中線工程；冰水力學(xué)；敏感性；參數(shù)率定

中圖分類號(hào)：TV143文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

16721683（2016）06006807

Parameter sensitivity analysis and calibration of the ice cover perdition model of the main canal of the middle route of SouthtoNorth Water Transfer Project

MO Zhenning1，2，GUAN Guanghua1，LIU Dazhi1，HUANG Kai1

（1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Guangxi Water & Power Design Institute，Nanjing 530023，China）

Abstract：Because of the low temperature in winter，different degree of ice cover will grow in the main canal of the middle route of SouthtoNorth Water Transfer Project in the north of the Yellow River .The main canal would be operated under different manner such as icefree，drifting ice and ice cover mode，improper operation will lead to disaster like ice jam and ice dam.In order to anticipate the forming procedure of ice cover in main canals，a mathematical model in this paper was used to simulate the growth and decay of ice cover under different condition by calculating the detailed heat exchange.According to the field observing data of ice cover in 2012，aset of parameters were calibrated which simulation result by minimizing the quadratic error with measured ice thickness.Thenthe sensitivity of six parameters in the ice prediction model was evaluated：reflection coefficient α，cloudiness C，virtual ice thickness Δh，wind speed Va，the reduction factor Cc and Ce，initial water temperature.The results showed that the reflection coefficient α，cloudiness Cand virtual ice thickness Δh are more sensitive to the prediction of ice thickness.When the value of cloudiness is high，the sensitivity of it is extremely high.These results can be used to developed and calibrate the ice cover prediction model of canal system in clod region.

Key words：ice cover prediction；the middle route of SouthtoNorth Water Diversion Project；ice hydraulic；sensitivity；parametercalibration

我國北緯30°以北的江河渠道中普遍存在冰情問題，冰蓋的出現(xiàn)使水流由明流轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]的暗流，從而改變了水流的熱力條件、水力條件及幾何邊界條件[1]，因此在寒冷地區(qū)冰水力學(xué)的研究對(duì)合理利用配置有限的水資源有著重要的意義。河渠冰情對(duì)水利設(shè)施的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)等多方面產(chǎn)生影響。封凍期由于冰花不斷在斷面處堆積，顯著減小河道過流斷面，甚至阻斷河床斷面產(chǎn)生冰塞、冰壩而導(dǎo)致上游含冰水流漫溢，冰壩在潰決時(shí)瞬間釋放上游的槽蓄量而造成冰水洪峰。為了防治冰災(zāi)，工程中常常設(shè)立堤防、堤壩、防洪墻；也可設(shè)立壩和堰、攔冰柵、攔冰建筑物控制冰的移動(dòng)[2]。渠道內(nèi)冰的發(fā)展過程是水動(dòng)力學(xué)、力學(xué)平衡和熱力學(xué)綜合作用的復(fù)雜的過程。而在渠冰冰情眾多的因素中，冰蓋厚度是其中較重要且常用的參數(shù)[3]。冰蓋厚度的研究亦是冰水動(dòng)力學(xué)中的重要內(nèi)容。冰蓋厚度關(guān)系到冰蓋的穩(wěn)定性、冰蓋施加到周圍環(huán)境的荷載、渠池水力響應(yīng)和閘門操作過程，冰蓋厚度仿真是渠系冬季運(yùn)行控制的重要前提。

[JP2]冰蓋的演變過程一般可分為形成、穩(wěn)定和消融3個(gè)階段[4]。冰蓋厚度的動(dòng)態(tài)變化與冰蓋上下表面的熱量交換密切相關(guān)，在冬季氣溫較低時(shí)，冰蓋與空氣，冰蓋與水體之間的熱量交換導(dǎo)致冰蓋厚度的增加；春季時(shí)氣溫回暖，熱交換使冰蓋開始融化，這一過程產(chǎn)生了量與質(zhì)的變化及形態(tài)變化的復(fù)雜的冰情現(xiàn)象[5]。近一個(gè)世紀(jì)來，國內(nèi)外學(xué)者在考慮了冰蓋與大氣和水的熱交換的情況下，在冰蓋生消模型建立方面取得了大量研究成果。Stefan（1889）[6]提出了經(jīng)典的度日模型，該模型以負(fù)積溫即從計(jì)算時(shí)刻開始的負(fù)氣溫累積值作為主要參數(shù)，模型參數(shù)少、簡單實(shí)用，在工程上有著較廣泛的使用。Shen和Yapa（1985）[7]討論了經(jīng)典度日模型的缺點(diǎn)，認(rèn)為其精度低且無法描述融冰過程，在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的統(tǒng)一度日模型，該模型在引入部分參數(shù)的前提下能夠克服傳統(tǒng)度日法的缺點(diǎn)，可以模擬冰蓋生成和消融的完整過程。國內(nèi)學(xué)者也對(duì)度日法展開了大量工作。練繼建提出了冰厚生長消融全過程的輻射冰凍度日法，此方法將地面凈輻射引入度日法，全面考慮了氣溫及輻射對(duì)冰蓋發(fā)展的影響[8]。顧李華設(shè)定一個(gè)負(fù)積溫增幅標(biāo)準(zhǔn)k，如果負(fù)積溫增幅大于k，冰厚增加；如果負(fù)積溫增幅小于k，則冰厚減小[9]。Shen和Chiang（1984）[10]在考慮了水溫和冰蓋表面熱交換的情況下建立了一種新的冰蓋生消模型。該模型采用了詳細(xì)的熱量交換計(jì)算公式計(jì)算了冰蓋表面與大氣的熱量交換，這種詳細(xì)的計(jì)算方法使得冰蓋表面與大氣之間的熱交換量計(jì)算更為精確。對(duì)于冰蓋表面的熱量交換的計(jì)算，Ashton（1986）[11]提出了一種概化算法來計(jì)算，該方法通過冰蓋表面溫度與氣溫之差的線性函數(shù)來計(jì)算冰蓋表面與大氣的熱交換量，該方法只使用一個(gè)公式，較詳細(xì)計(jì)算方法簡單。

本文建立了基于詳細(xì)熱交換模擬（Shen和Chiang（1984））的渠道冰水力學(xué)發(fā)展模型，并結(jié)合南水北調(diào)中線工程放水河渡槽段2012年12月1日至2013年2月28日的實(shí)測冰厚數(shù)據(jù)對(duì)該模型的反射系數(shù)α、云量C、虛擬冰蓋厚度Δh、風(fēng)速Va、折減系數(shù)Cc及Ce等參數(shù)進(jìn)行率定，最終確定模型參數(shù)取值和初始水溫對(duì)模擬結(jié)果的敏感性。

1工程背景

南水北調(diào)中線工程是緩解我國北方地區(qū)水資源短缺、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(chǔ)設(shè)施，是關(guān)系我國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的重大工程。目前該工程已于2014年冬季建成通水，成為北京、天津兩市的城鎮(zhèn)生活用水主要來源。南水北調(diào)中線總干渠由南向北跨越北緯33°-40°，沿線氣候從暖溫帶向中溫帶過渡，總體處于寒冷地區(qū)。黃河以北700 km渠道水流冬季由于受寒冷氣溫的影響，將有不同程度的冰情產(chǎn)生，總干渠將處于無冰輸水、流冰輸水、冰蓋下輸水等多種復(fù)雜運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行不當(dāng)則可能發(fā)生冰塞、冰壩危害，尤其是安陽以北的倒虹吸、閘門、渡槽下游、曲率半徑較小的彎道等局部水工建筑物附近。如何解決總干渠冰期輸水的運(yùn)行安全問題，滿足各種復(fù)雜運(yùn)行工況下水位流量的控制要求，對(duì)保障南水北調(diào)中線工程的安全高效運(yùn)行具有重要工程意義。

本文中使用的實(shí)測資料來自長江科學(xué)院2012年冬季冰情原型的觀測資料[11]。觀測2012年12月1日起至2013年2月28日結(jié)束，歷時(shí)90 d，觀測范圍從石家莊連接段入渠口開始，到北拒馬河暗渠入口結(jié)束，及黃壁莊和安格莊水庫。該冬季供水水庫為黃壁莊和安格莊水庫，總供水量Q=11～13 m3/s，其中黃壁莊Q=64～70 m3/s，安格莊水庫Q=53～56 m3/s，冬季冰期采取閘前常水位、冰蓋下輸水方式，沿線7個(gè)節(jié)制閘控制，控制閘前高水運(yùn)行，整個(gè)冬季為小流量、小流速、低弗氏數(shù)輸水。本文使用的氣象、冰厚數(shù)據(jù)均來自其中放水河渡槽段的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)[12]。

本文使用武漢大學(xué)開發(fā)的輸水渠道系統(tǒng)運(yùn)行仿真與控制軟件V10中的冰情預(yù)測程序包[13]。

4結(jié)論

本文結(jié)合南水北調(diào)工程，運(yùn)用系統(tǒng)仿真方法根[CM（22*4]據(jù)實(shí)測氣象數(shù)據(jù)模擬了2012年冬季南水北調(diào)中線[CM）]

總干渠冰蓋的生消過程，討論了模型中參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響，并提出參數(shù)率定方案，得出以下主要結(jié)論。

（1）反射系數(shù)α、虛擬冰蓋厚度是對(duì)冰蓋厚度Δh仿真結(jié)果影響較大的因素，因此在進(jìn)行參數(shù)率定時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮率定這兩個(gè)參數(shù)。

（2）云量C對(duì)冰厚結(jié)果影響較大，且在高云量區(qū)域敏感性為極敏感，為了提高仿真精度，獲取詳細(xì)精確的氣象資料很有必要。

[JP2]由于冰凌現(xiàn)象的復(fù)雜性，本文考慮的因素及其變幅尚帶有一定的局限性，以下因素亦會(huì)影響模型預(yù)測結(jié)果：

（1）模型未考慮降雪的影響，冰蓋上的積雪會(huì)阻隔冰體對(duì)熱量的吸收，冰蓋厚度比無降雪時(shí)冰蓋厚度小。

（2）模型預(yù)測采用的數(shù)據(jù)為氣象站監(jiān)測結(jié)果，但其與渠道現(xiàn)場的環(huán)境條件并不完全相同。上文結(jié)論中可見譬如云量等實(shí)際參數(shù)對(duì)結(jié)果影響較大，因此兩種條件下的氣象數(shù)據(jù)差異性及其規(guī)律值得研究。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1][ZK（#]王軍.平衡冰塞輸冰的試驗(yàn)研究[J].水利發(fā)電學(xué)報(bào)，2002（1）：6166.（WANG Jun.A study on ice jam in balance transporting discharge[J].Journal of Hydroelectric Engineering.2002（1）：6166.（in Chinese））

[2]美國陸軍工程兵團(tuán).河冰管控工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國水利水電出版社，[HJ1.93mm]2013.4782.（U.S Army Corps of Engineers.Engineering and Design Ice Engineering[M].Beijing：China WaterPower Press，2013.4782.（in Chinese））