南水北調(diào)中線工程典型冷冬年冰情分析及防控措施

韋耀國，溫世億，楊金波

（1.南水北調(diào)中線干線工程建設管理局，100038，北京；2.長江科學院，430010，武漢）

南水北調(diào)中線工程（簡稱中線工程）自丹江口水庫陶岔渠首閘引水，途徑長江流域、淮河流域、黃河流域、海河流域，到達北京、天津。中線工程河北省內(nèi)渠段冬季輸水面臨不同程度的結(jié)冰問題，冬季總干渠處于無冰輸水、流冰輸水和冰蓋輸水等復雜工況下運行，在倒虹吸、渡槽、節(jié)制閘附近可能發(fā)生冰塞、冰壩，因此研究中線工程冬季安全輸水具有重要意義。

目前國內(nèi)外對冰的形成演變有了較深的理論研究。中線工程冬季運行為長距離冰期輸水問題，國內(nèi)對中線工程長距離冰期輸水問題開展了大量工作，董耀華等開展了大清河兩個冬季冰情原型觀測，為中線工程設計提供了基礎數(shù)據(jù)；楊開林等利用冰塞計算模型對冰塞冰壩問題進行了計算預測；劉孟凱等分析了熱量交換和冰蓋厚度的計算方法，建立了渠道冰期輸水模型。南水北調(diào)中線干線工程建設管理局（以下簡稱中線建管局）針對中線工程冰期輸水問題開展了一系列工作，聯(lián)合天津大學、中國水電水利科學研究院等單位在“‘十一五’國家科技支撐計劃項目”中研究中線工程冰期輸水方式、水流控制條件、渠道輸水能力、攔冰索布置結(jié)構等；委托長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司等單位編制 《南水北調(diào)中線一期工程總干渠運行調(diào)度規(guī)程》，專門分析了控制總干渠平封冰蓋水流條件和冬季冰期輸水調(diào)度模式切換過程，以及結(jié)冰期、封凍期、開河期調(diào)度方式。2011—2018年中線建管局組織開展了中線冬季輸水冰情原型觀測。根據(jù)科學研究和冬季輸水運行實踐，由于冰期輸水問題涉及熱力學、水力學、固體力學等多個學科，且中線倒虹吸、渡槽、節(jié)制閘建筑物布置多樣，中線工程長距離冬季輸水問題非常復雜。

2014年中線工程正式全線通水以來，中線工程冰情具有明顯的暖冬、平冬和冷冬特征：如2015—2016年冬季具有明顯冷冬氣候特征，總干渠形成冰蓋封凍長約350 km，石家莊下游各渠池幾乎全部封凍；2016—2017年冬季具有明顯暖冬特征，未出現(xiàn)大范圍渠池封凍，交叉建筑物進口局部位置出現(xiàn)冰蓋，持續(xù)時間短。本文基于2015—2016年中線工程冬季冰情原型觀測成果，總結(jié)典型冷冬氣候條件下長距離輸水工程冬季運行的水力、氣象和特征冰情參數(shù)，分析渠道冰情生消演變規(guī)律及中線工程結(jié)冰、封凍等冰情，提出防控措施。

一、冰情發(fā)展分析

1.氣象與水力條件

（1）氣象條件

2015—2016年冬季具有典型的冷冬年特征。以北拒馬觀測斷面氣象站為例，冬季負積溫為269℃，1月份平均氣溫為-6℃，尤其2016年1月19日遭受罕見降溫過程，48 h內(nèi)氣溫下降近10℃，實測最低氣溫為-18.6℃，為近年冬季實測最低氣溫極值。

（2）水力條件

在2015—2016年冬季中線工程輸水流量數(shù)據(jù)中，崗頭節(jié)制閘平均過閘流量45.3 m3/s，占該渠段設計流量的36.2%；北拒馬河節(jié)制閘流量平均為30.0 m3/s，占該渠段設計流量約60%；結(jié)冰渠段控制斷面水深6.00～2.68 m；渠道斷面平均流速0.25～0.67 m/s；水流弗勞德數(shù) 0.033～0.142；渡槽段流速達0.67～0.81 m/s。中線工程渠道流速相對略大，為流冰下潛提供了動力條件。

2.冰情時空分布

時間方面，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天；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天，具有封凍日期滯后、冰期歷時短的特點。

空間方面，該冬季全線處于無冰輸水、流冰輸水和冰蓋輸水運行工況，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，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，其余渠段為無冰段。

3.特征冰情

該冬季渠道封凍以文封河為主，局部立封，開河為文開河。整個冰期分為3個階段：結(jié)冰期、封凍期和開河期，見圖1。結(jié)冰期冰情為岸冰、流冰花、表面流冰、流冰下潛、冰塞等；封凍期冰情為冰蓋、冰蓋封凍、冰厚增長、冰蓋裂縫等；開河期冰期為冰蓋融化、開河流冰、剩余岸冰、冰壩。其中表面流冰和冰蓋厚度增長為主要冰情。

（1）流冰分析

根據(jù)流冰形成條件分析，在流速v＜0.5m/s， 氣溫 T＜-6℃， 水溫 T＜1.5℃時，流冰形成，一般伴隨冬季12月后的第2次或第3次降溫過程。開始流冰以冰晶、流冰花、冰花團為主，分布密度稀疏，尺寸為 1～3 cm，厚度小于 1 mm；隨著氣溫降低，流冰以表面流冰層為主，分布密度占渠道寬度80%以上，鋪滿整渠道，長達幾千米，厚度0.5～2cm。

（2）冰蓋厚度

該冬季結(jié)冰段冰蓋平均厚度為8～28 cm，自南向北逐步加厚，石家莊段冰厚約10 cm，淶涿段冰厚28 cm。典型測點冰蓋變化過程見圖2，整個冬季冰蓋厚度變化分為3個階段，即增厚、穩(wěn)定、消融。

二、典型冰情及影響

1.冰塞

該冬季結(jié)冰期及封凍初期蒲陽河倒虹吸下游局部位置出現(xiàn)流冰下潛，發(fā)生一定量的冰塞體，經(jīng)測量單渠池冰塞長度為1～3 km，其中漕河渡槽出口至崗頭隧洞節(jié)制閘、下車亭隧洞至南拒馬河倒虹吸渠段冰塞最為嚴重。

冰塞體典型剖面結(jié)構可分為3層：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；下層為冰屑堆積體，厚70～150 cm，局部位置達250 cm，冰屑堆積體絮狀松散，侵占過水斷面。

渠道出現(xiàn)冰塞，一方面冰塞體侵占部分過水斷面，減小過水面積；另一方面冰塞下表面為無規(guī)則冰屑堆積，增加渠道糙率，抬高了渠道上游水位線。通過分析，蒲陽河倒虹吸以北渠池發(fā)生冰塞后，導致渠池上游水位壅高0.3～0.7 m，其中蒲陽河倒虹吸閘后水位壅高0.6 m，墳莊河倒虹吸節(jié)制閘閘后水位壅高0.7 m。冰塞消融過程較快，一般持續(xù)時間為4～6天。

2.流冰堆積體

圖1 冬季冰情發(fā)展過程

圖2 典型斷面冰蓋厚度變化過程

在開河期，馬頭溝倒虹吸進口和南拒馬河倒虹吸進口出現(xiàn)小型流冰堆積體。經(jīng)觀測，流冰堆積體范圍為10～55 m，流冰堆積厚度 1.5～2.0 m，上游水位沒有出現(xiàn)明顯的壅高。經(jīng)測量分析，開河期流冰堆積體主要由下游渠段開河流冰在下游建筑物進口上堆下插堆積形成，流冰堆積體規(guī)模小，消融時間快，兩處冰壩在24 h內(nèi)消失，流冰堆積體就地融化，不影響中線工程正常輸水。

3.金結(jié)閘門凍結(jié)

經(jīng)冬季寒冷氣候考驗，中線工程結(jié)冰段閘站金結(jié)和閘門防凍措施運行可靠，各節(jié)制閘、分水閘運行整體正常。2016年1月23日，西黑山分水閘閘門結(jié)冰，經(jīng)及時處理融冰，分水閘操作正常。

4.儀器設備

該冬季ADCP流量計、水位計等儀器設備運行整體可靠，但在結(jié)冰期出現(xiàn)少數(shù)流量計讀數(shù)失真問題。ADCP流量計讀數(shù)失真發(fā)生在冰塞形成時期，且均為流量計布置在建筑物進口的情況，經(jīng)分析該斷面多被冰塞體侵占，過水斷面減小而導致流量計偏高。

三、防控措施

基于長距離串行輸水系統(tǒng)冰期運行出現(xiàn)的冰情和成因分析，提出中線工程冰期輸水以防為主，攔、擾、撈、排一體的冰凌防控措施。

1.冰期調(diào)度

輸水調(diào)度以防為主。根據(jù)冬季氣溫條件和具體冰情，從調(diào)度出發(fā)，控制渠道水力條件，防止大量流冰下潛形成冰塞。中線工程冬季應嚴格控制渠道水位和流量，結(jié)冰期促使冰蓋盡快形成，防止流冰大量下潛形成冰塞。封凍期維持水位穩(wěn)定，保持冰蓋完整安全；融冰期盡量促使冰塊就地融化，避免形成武開河。

2.攔冰設施

研發(fā)攔冰索等攔冰設施，分段攔截渠道上游流冰量，分割長距離明渠段的流冰量，為降低出現(xiàn)大型冰塞體風險，應結(jié)合建筑物布置設置攔冰索，達到“化整為零”目的，控制冰塞體形成位置和冰塞體體積。同時可通過優(yōu)化攔冰索型式提高攔冰索攔冰效果，如斜跨式布置增加攔冰索的導冰功能，見圖3和圖4。

圖3 攔冰索雙排布置

圖4 攔冰索導冰功能示意圖

3.擾冰設施

在冬季低溫條件下，建筑物進口和閘站金屬結(jié)構容易結(jié)冰或受冰蓋凍脹影響，需要布置水動力、加熱設施、高壓氣泡或者熱水融冰等擾冰融冰設施。

4.撈冰設施

根據(jù)現(xiàn)場觀測，渠道流冰多堆積在交叉建筑物進口、節(jié)制閘、分水口和曲率大的渠道彎道附近，尤其容易堵塞攔污柵。因此應在重點建筑物進口、節(jié)制閘前布置撈冰設備，如撈冰機、撈冰鏟車和運輸車輛，及時打撈堆積流冰。

5.應急排冰

針對極端寒冬天氣條件下的冰期運行風險，可根據(jù)中線工程現(xiàn)狀情況，研究增加排冰閘和優(yōu)化排冰閘型式，提高中線工程應急排冰能力。推薦對重點渠段退水閘進行改造，增加排冰功能，實現(xiàn)冬季應急排冰，減輕渠道流冰壓力。