韋耀國，溫世億，楊金波

（1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，100038，北京；2.長江科學(xué)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(dá)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(fù)雜工況下運(yùn)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(yùn)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(gè)冬季冰情原型觀測，為中線工程設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；楊開林等利用冰塞計(jì)算模型對冰塞冰壩問題進(jìn)行了計(jì)算預(yù)測；劉孟凱等分析了熱量交換和冰蓋厚度的計(jì)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(shè)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(xué)、中國水電水利科學(xué)研究院等單位在“‘十一五’國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)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(gòu)等；委托長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司等單位編制 《南水北調(diào)中線一期工程總干渠運(yùn)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(xué)研究和冬季輸水運(yùn)行實(shí)踐，由于冰期輸水問題涉及熱力學(xué)、水力學(xué)、固體力學(xué)等多個(gè)學(xué)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(fù)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(jìn)口局部位置出現(xiàn)冰蓋，持續(xù)時(shí)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(yùn)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(fù)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(shí)測最低氣溫為-18.6℃，為近年冬季實(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dá)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(shí)空分布

時(shí)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(shí)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(shí)32天，具有封凍日期滯后、冰期歷時(shí)短的特點(diǎn)。

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(yùn)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(gè)冰期分為3個(gè)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(shí)，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(tuán)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(dá)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(diǎn)冰蓋變化過程見圖2，整個(gè)冬季冰蓋厚度變化分為3個(gè)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(yán)重。

冰塞體典型剖面結(jié)構(gòu)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(jiān)硬密實(shí)；下層為冰屑堆積體，厚70～150 cm，局部位置達(dá)250 cm，冰屑堆積體絮狀松散，侵占過水?dāng)嗝妗?/p>

渠道出現(xiàn)冰塞，一方面冰塞體侵占部分過水?dāng)嗝?，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(dǎo)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(shí)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(jìn)口和南拒馬河倒虹吸進(jìn)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(jìn)口上堆下插堆積形成，流冰堆積體規(guī)模小，消融時(shí)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(yàn)，中線工程結(jié)冰段閘站金結(jié)和閘門防凍措施運(yùn)行可靠，各節(jié)制閘、分水閘運(yùn)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(shí)處理融冰，分水閘操作正常。

4.儀器設(shè)備

該冬季ADCP流量計(jì)、水位計(jì)等儀器設(shè)備運(yùn)行整體可靠，但在結(jié)冰期出現(xiàn)少數(shù)流量計(jì)讀數(shù)失真問題。ADCP流量計(jì)讀數(shù)失真發(fā)生在冰塞形成時(shí)期，且均為流量計(jì)布置在建筑物進(jìn)口的情況，經(jīng)分析該斷面多被冰塞體侵占，過水?dāng)嗝鏈p小而導(dǎo)致流量計(jì)偏高。

三、防控措施

基于長距離串行輸水系統(tǒng)冰期運(yùn)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(yīng)嚴(yán)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(shè)施

研發(fā)攔冰索等攔冰設(shè)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(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)結(jié)合建筑物布置設(shè)置攔冰索，達(dá)到“化整為零”目的，控制冰塞體形成位置和冰塞體體積。同時(shí)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(dǎo)冰功能，見圖3和圖4。

圖3 攔冰索雙排布置

圖4 攔冰索導(dǎo)冰功能示意圖

3.擾冰設(shè)施

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

4.撈冰設(shè)施

根據(jù)現(xiàn)場觀測，渠道流冰多堆積在交叉建筑物進(jìn)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(yīng)在重點(diǎn)建筑物進(jìn)口、節(jié)制閘前布置撈冰設(shè)備，如撈冰機(jī)、撈冰鏟車和運(yùn)輸車輛，及時(shí)打撈堆積流冰。

5.應(yīng)急排冰

針對極端寒冬天氣條件下的冰期運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，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(yīng)急排冰能力。推薦對重點(diǎn)渠段退水閘進(jìn)行改造，增加排冰功能，實(shí)現(xiàn)冬季應(yīng)急排冰，減輕渠道流冰壓力。