梁艷芹

（河北省石家莊水文水資源勘測(cè)局，石家莊050051）

北方地區(qū)冬季河道因受氣溫影響，使得輸水河道內(nèi)結(jié)冰，對(duì)輸水水位流量造成影響，出現(xiàn)水位抬高，流量變小，水位流量關(guān)系復(fù)雜多變，無(wú)論是施測(cè)流量，還是整編流量，都帶來(lái)一定難度。同時(shí)，個(gè)別河段由于氣溫下降幅度較大，出現(xiàn)冰塞、冰壩，直接威脅到河道堤防安全，增加了輸水管理難度。根據(jù)河北省冬季引黃調(diào)水資料及黃壁莊水庫(kù)向北京供水水文監(jiān)測(cè)資料，分析冰情的形成、發(fā)展及影響，對(duì)結(jié)冰期的水文監(jiān)測(cè)及調(diào)度管理等有重要意義。

1 冰情的形成

結(jié)冰前氣溫連續(xù)下降，使輸水河道內(nèi)水溫同步降低，當(dāng)水溫降至零度以下時(shí)，從氣溫低的夜間開(kāi)始產(chǎn)生岸冰薄冰帶。從河北省油故、周官屯站歷年資料看，當(dāng)日平均氣溫穩(wěn)定下降到-5℃以下時(shí)，岸冰發(fā)展成固定岸冰，固定岸冰的橫向發(fā)展，形成冰蓋［1］。

1.1 氣溫與水溫的相關(guān)變化

大氣與水體間熱交換作用的結(jié)果就是氣溫下降帶動(dòng)輸水河道內(nèi)水溫下降，當(dāng)氣溫持續(xù)下降低于水溫時(shí)，水體熱量經(jīng)水面不斷向空中散失，使水溫不斷降低并接近氣溫。水的熱容量高，而傳熱性弱，致使水溫的變化滯后于氣溫。用河北省北陳屯站2002年8～12月、2004年1～6月的水溫、岸上氣溫?cái)?shù)據(jù)繪制的水溫、岸上氣溫關(guān)系如圖1。

圖1 岸上氣溫與水溫關(guān)系圖

從圖中看出，關(guān)系點(diǎn)成一帶狀，氣溫在-6℃以上，呈線性關(guān)系，當(dāng)氣溫低于-6℃時(shí)，水溫趨近于零度。

通過(guò)引黃輸水監(jiān)測(cè)站油故站、連村站的觀測(cè)資料，在天然輸水河道上，從觀測(cè)斷面垂向上看，平均水溫水面最低，水底最高。水面水溫最低是由于裸露水面與空氣接觸，失熱較快的緣故。另外，觀測(cè)斷面處敞露水面的長(zhǎng)短對(duì)觀測(cè)結(jié)果也有影響，敞露水面長(zhǎng)，水流出冰蓋后熱量散失較多，水溫稍低。綜合看出，無(wú)論是垂向還是縱向，水溫相對(duì)穩(wěn)定，即垂向水溫值均相差不大，站與站之間水溫的差值也相差不大。

從水溫時(shí)程分布上看，前期未封凍時(shí)（一般是每年12月中下旬），水溫變幅較大，次年1月中上旬穩(wěn)定冰蓋漸趨形成后，由于冰蓋隔絕了水體與空氣，所以水溫變幅較小。結(jié)冰期間水溫基本保持在零度左右。

1.2 封凍的產(chǎn)生

從圖1中明顯看出，夜間氣溫低于-6℃，水溫將降到零度，在河岸岸邊流速小于0.30m/s的水流平穩(wěn)處，就地形成岸冰薄冰帶，氣溫穩(wěn)定下降，日平均氣溫在-5℃以下時(shí)，岸冰不再融化，發(fā)展成固定岸冰，河中泓部位出現(xiàn)溜冰花和溜冰。隨氣溫的進(jìn)一步下降，岸冰的寬度和厚度逐漸增加，尤其流速小的河段岸冰生長(zhǎng)較快，敞露水面逐漸變窄，兩岸岸冰相連形成冰橋，冰面再進(jìn)一步擴(kuò)展而形成河段封凍［2］。

1.3 特殊冰害的形成

在河北省實(shí)施冬季跨流域調(diào)水中，在大流量運(yùn)行、多口門(mén)引水、閘門(mén)開(kāi)啟度變化較大時(shí)，也曾發(fā)生程度不大的冰塞和冰壩現(xiàn)象，對(duì)水工設(shè)施和安全輸水造成威脅。

1.3.1 冰塞的發(fā)生

在河道坡度及水面比降由陡變緩時(shí)，如果上游有大量冰花下潛，且冰蓋前緣的流速大于冰花下潛速度時(shí)，則冰花下潛并聚集在下游比較平緩河段的冰蓋下面，阻塞部分過(guò)水水道斷面造成上游水位壅高，下游水位降低，逐漸發(fā)展成冰塞［3］。在河北省引黃調(diào)水河道上，部分節(jié)制閘前曾發(fā)生冰塞現(xiàn)象。

1.3.2 冰壩的發(fā)生

在部分引黃河道的卡口或彎道處，由于流冰堆積，束窄過(guò)水?dāng)嗝妫@著壅高水位，冰塊經(jīng)大量堆積形成冰壩。冰壩的形成是水力、熱力、冰情和河流邊界條件綜合作用的結(jié)果。2005年1月初，引黃干渠牛莊村附近的渡槽附近，形成厚度達(dá)1.3m冰壩，造成下游公路橋下游冰塊阻塞，當(dāng)?shù)刂鞴懿块T(mén)采取措施及時(shí)排除。

2 冰期輸水水文特性變化

由于輸水河道的結(jié)冰，使得水流的水文規(guī)律也發(fā)生變化。本文僅以冰厚、水位、流量為例來(lái)說(shuō)明。

2.1 固定點(diǎn)冰厚的變化規(guī)律

冰蓋的形成與發(fā)展直接受氣溫的影響，隨著氣溫的下降、水溫降低，冰厚不斷增加。在氣溫達(dá)到一個(gè)負(fù)的極值之后有一個(gè)緩慢回升的過(guò)程，隨著氣溫的回升冰厚逐漸變薄。根據(jù)周官屯站基本水尺斷面觀測(cè)的固定點(diǎn)冰厚資料，說(shuō)明固定點(diǎn)冰厚的變化規(guī)律。該站氣溫降至最低點(diǎn)并維持較低氣溫的時(shí)間通常是當(dāng)年12月25日～次年1月5日，此后氣溫緩慢回升，而冰蓋的增厚持續(xù)到次年1月8日，之后冰厚不再增加，進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定期。以后隨著氣溫的回升冰厚逐漸變薄。

在冰厚增長(zhǎng)的過(guò)程中，連續(xù)出現(xiàn)負(fù)氣溫是冰厚發(fā)展的條件，累計(jì)負(fù)氣溫與冰厚的關(guān)系可用如下公式表示［4］:

式中 hI為冰厚（m）；A為系數(shù)；∑（-T）為自秋季日平均氣溫轉(zhuǎn)負(fù)之日起算的累積日平均負(fù)氣溫（℃）。

系數(shù)A系根據(jù)實(shí)測(cè)資料用下式推求：

根據(jù)周官屯站2002年入冬以后的累積日平均負(fù)氣溫的絕對(duì)值與冰厚，用式（2）計(jì)算系數(shù)A的值，建立累積日平均氣溫的絕對(duì)值與系數(shù)的關(guān)系，如圖2。該站建立的累積日平均氣溫的絕對(duì)值與冰厚的關(guān)系，如圖3，說(shuō)明累積日平均氣溫的累計(jì)值對(duì)冰厚影響較大。

圖2 累計(jì)日平均負(fù)氣溫與冰厚系數(shù)關(guān)系

圖3 累積負(fù)氣溫與冰厚關(guān)系

2.2 冰情對(duì)水文要素的影響

隨著冰期冰情的發(fā)展，尤其是河道形成冰蓋進(jìn)入封凍期后，輸水河道水流的水文要素發(fā)生變化。

在流量不變的前提下，水位會(huì)有所抬升。統(tǒng)計(jì)河北省引黃入冀監(jiān)測(cè)站連村、代莊站相同流量條件下封凍期、暢流期水位對(duì)比結(jié)果如表1。

表1 相同流量條件下輸水水位對(duì)比

流量相同情況下，水位分別相差0.34m（水深3.41m）、0.24m（水深2.20m）。說(shuō)明封凍期輸水由于冰蓋的存在，在保持流量的需求下，會(huì)造成河道輸水的水位上漲，甚至影響堤岸安全。

近幾年實(shí)施的南水北調(diào)中線總干渠向北京市應(yīng)急供水的實(shí)踐表明，當(dāng)由節(jié)制閘控制時(shí)，適當(dāng)提高閘前水位，提高節(jié)制閘的過(guò)流能力，從而可以提高完全冰封的渠道的過(guò)水能力［5］。

2.2.2 冰情對(duì)流速的影響

河道形成冰蓋后，水流的上下及兩側(cè)有固體邊界，河中水流形同管流，濕周增加，水力半徑變小，受冰蓋底面的阻水作用，使流速沿垂向分布發(fā)生變化，斷面平均流速減小。冰蓋形成前，水面流速最大，冰蓋形成后，一般0.5倍相對(duì)水深處流速最大且穩(wěn)定，因此測(cè)流選點(diǎn)宜選擇一般0.5倍相對(duì)水深處。從同流量不同時(shí)期的流速比較來(lái)看，暢流期流速大于流冰期流速，流冰期流速大于封凍期流速［6］。

北京市水利科學(xué)研究所對(duì)京密引水渠的冰期觀測(cè)結(jié)果是：斷面平均流速控制在0.6m/s以下時(shí)，可避免冰蓋前緣冰花下潛并向下游輸移，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸水。通過(guò)對(duì)河北省引黃監(jiān)測(cè)站的資料分析顯示：渠道平均流速在0.4m/s以下時(shí)，在封凍冰緣前有近半數(shù)溜冰、溜冰花發(fā)生冰面堆積，近半數(shù)下潛。

應(yīng)用能力培養(yǎng)也離不開(kāi)知識(shí)遷移能力的培養(yǎng)，教師在教學(xué)過(guò)程當(dāng)中應(yīng)選擇一些重要的概念形成、發(fā)展、完善的過(guò)程來(lái)講。由此通過(guò)數(shù)學(xué)家思維的發(fā)展過(guò)程體現(xiàn)知識(shí)由特殊至一般、再由一般到特殊的過(guò)程。由特殊到一般是知識(shí)體系形成的過(guò)程，體現(xiàn)了數(shù)學(xué)家的思維過(guò)程，而一般到特殊的過(guò)程是知識(shí)應(yīng)用的過(guò)程，即如何將一般的知識(shí)用于特殊的問(wèn)題解決中。通過(guò)這一過(guò)程的講解幫助學(xué)生從廣度、深度上思考問(wèn)題，拓展學(xué)生的思維空間。

2.2.3 冰情對(duì)河道過(guò)水能力的影響

2.2.3.1 結(jié)冰期流量的空間幾何變化

形成冰蓋后的水流形同有壓管流，與同樣面積暢流期相比，增加了對(duì)水流的阻力，使同水位下流量減小。冰層所增加的阻力與冰底糙率有關(guān)。對(duì)比連村、代莊、周官屯站相同水位條件下封凍期、暢流期流量，如表2。

表2 相同水位條件下輸水量對(duì)比

由表2可知，在相同水位下，連村、代莊、周官屯站冰蓋下輸水比無(wú)冰時(shí)流量分別減小11.7，13.8，17.1m3/s，減少率分別為 27%，26%，34%。

由于冰蓋的產(chǎn)生，斷面水流受到河床和冰蓋的雙重作用，增加了斷面濕周，減小了水力半徑，使過(guò)水?dāng)嗝嫠髯枇υ龃?，河渠輸水能力減小。而且，各斷面流量受氣溫因素影響較大，流量變化復(fù)雜，上下游相應(yīng)性差，對(duì)照上下游流量過(guò)程線成鋸齒形。

2.2.3.2 流量的時(shí)程變化規(guī)律

在多年的冰期測(cè)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，冰期流量隨氣溫的變化而有相應(yīng)的變化，當(dāng)氣溫每日跨越0℃上下變動(dòng)且日變化溫差很大時(shí)尤為顯著。特別是小河渠，變化更為明顯。如南皮縣肖圈干渠肖圈站，1994～1998年冰期流量明顯呈現(xiàn)鋸齒形變化，每日6～8時(shí)所測(cè)流量小，15～16時(shí)所測(cè)流量較大。

由于引黃輸水時(shí)未進(jìn)行日周期流量測(cè)驗(yàn)，根據(jù)張家口地區(qū)錢(qián)家沙洼、柴溝堡水文站、石家莊局小覺(jué)水文站日周期測(cè)驗(yàn)成果得出:流量變化規(guī)律與氣溫基本一致，呈日周期變化［6］。 在 6:00～8:30 之間，氣溫最低，流量也最小，14:30～17:30之間，氣溫最高，流量常為最大。同一日中最大最小流量相差2倍以上。輸水監(jiān)測(cè)站流量相差沒(méi)有這么懸殊，流量日變幅為20%。

3 冰期輸水的保障措施

根據(jù)河北省20多年的引黃調(diào)水實(shí)踐，要保證冬季結(jié)冰期引黃安全輸水，需要各方各級(jí)管理部門(mén)和水情監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)，周密安排，科學(xué)調(diào)配，加大冰期輸水保護(hù)力度，千方百計(jì)保證輸水安全。

（1）要進(jìn)一步加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)，落實(shí)責(zé)任，嚴(yán)格值班制度，特別是要做好節(jié)假日值班工作，遇有情況及時(shí)上傳下達(dá)，確保調(diào)水工作正常進(jìn)行。

（2）調(diào)度部門(mén)在冰情嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)當(dāng)控制河道輸水流量，減少節(jié)制閘門(mén)的頻繁變化，減少水流的暴漲暴落；適當(dāng)提高節(jié)制閘前水位，控制斷面流速小于0.4m/s以下，確保下游穩(wěn)定輸水。

（3）制定并完善冰期輸水搶險(xiǎn)預(yù)案，認(rèn)真落實(shí)應(yīng)急搶險(xiǎn)措施，備足備好物料和機(jī)械，做到物資到位、人員到位，確保在最短時(shí)間內(nèi)排除冰塞、冰壩等冰災(zāi)威脅。冰期認(rèn)真做好水情與水閘工程巡查工作，進(jìn)一步加大對(duì)渠道巡查的力度，密切注視水情、冰情和工情變化，確保調(diào)水渠道安全、水流通暢。

（4）制訂冰期輸水測(cè)量預(yù)案，提前落實(shí)各項(xiàng)應(yīng)對(duì)措施。確保冰期輸水?dāng)?shù)據(jù)測(cè)量工作正常進(jìn)行。根據(jù)冰期流量日周期變化規(guī)律，選擇合適的測(cè)流時(shí)機(jī)提高日平均流量的精度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從輸水河道冬季冰期觀測(cè)中，闡述了水流從氣溫下降到水溫相應(yīng)下降，從岸冰生成到全部封凍，從全面封凍到冰災(zāi)形成過(guò)程。在預(yù)防冰害威脅中，應(yīng)把握科學(xué)時(shí)機(jī)，強(qiáng)化冰期輸水管理工作。分析了冰情對(duì)河流水文要素的影響，尤其是減少了河道流量，降低了河道過(guò)水能力，給河道上的取水口閘門(mén)及節(jié)制閘們的運(yùn)行管理帶來(lái)不便，難以合理控制開(kāi)啟度。提出了冰期調(diào)水中調(diào)度運(yùn)行管理部門(mén)應(yīng)采取的措施。

［1］禮濤，劉娟，趙亮.引黃濟(jì)津潘莊線路應(yīng)急輸水工程河北段冬季輸水冰情分析［J］.河北水利，2012（5）：43.

［2］李根生.引黃濟(jì)津冬季輸水冰情觀測(cè)與分析［J］.南水北調(diào)與水利科技，2006，6（4）:25-27.

［3］朱曉原，張留柱，姚永熙.水文測(cè)驗(yàn)實(shí)用手冊(cè)［K］.北京：中國(guó)水利出版社，2013.

［4］SL—93，河流冰情觀測(cè)規(guī)范［S］.

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［6］河北省水文水資源勘測(cè)局.河北省重大水問(wèn)題戰(zhàn)略研究［M］.北京：中國(guó)水利出版社，2010.