李景剛，陳曉楠，盧明龍，孫德宇，陳 寧

（中國南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司，100038，北京）

一、背 景

南水北調(diào)中線工程是緩解我國華北地區(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，全長1432 km，自丹江口水庫陶岔渠首閘引水，跨越長江、淮河、黃河、海河四大流域，自流到北京團(tuán)城湖和天津外環(huán)河，沿途分別向河南、河北、天津、北京四?。ㄖ陛犑校┕┧?，多年平均調(diào)水量95 億m3。南水北調(diào)中線工程自2014 年12 月12 日正式通水，已連續(xù)完成8 個年度供水任務(wù)，截至2022 年11 月25 日累計調(diào)水超過529 億m3，直接受益人口達(dá)8500 多萬人，已逐漸成為沿線受水地區(qū)的重要水源。

南水北調(diào)中線工程由南向北跨越北緯33°～40°，水流由亞熱帶流向暖溫帶。其中，總干渠自陶岔渠首至北拒馬河暗渠進(jìn)口段主要為輸水明渠，冬季受寒冷天氣影響，沿線會不同程度產(chǎn)生冰凌，存在岸冰、流冰、冰蓋等冰情。根據(jù)工程設(shè)計條件，中線工程總干渠冰期輸水范圍為安陽河以北段，具體為湯河節(jié)制閘（不含）至北京惠南莊泵站，全長約480 km；冰期輸水時間通常為冬季3 個月，即12 月1 日至次年2 月底。為保障冰期輸水安全，中線工程按照現(xiàn)行調(diào)度規(guī)程，在12 月1 日進(jìn)入冬季后、形成冰蓋前，提高渠道水位，通過控制流量和流速，讓水面形成穩(wěn)定冰蓋，在浮托冰蓋下輸水。這種高水位、小流量、低流速的運(yùn)行模式會一直持續(xù)到冰期結(jié)束，導(dǎo)致下游供水量較正常輸水期大幅度減少，在影響工程效益有效發(fā)揮的同時，也使得冬季水量供需矛盾日益凸顯。

南水北調(diào)中線工程的冬季輸水模式由南向北從無冰輸水向流冰輸水、冰蓋下輸水逐步過渡。分析冬季冰情觀測有關(guān)資料可知，中線工程冬季結(jié)冰時間主要集中在每年的12 月中下旬至次年2 月中上旬，而且具有明顯的暖冬、平冬和冷冬特征區(qū)別。主要結(jié)冰范圍為京石段，且越靠近下游冰情發(fā)展越嚴(yán)重。在典型冷冬年，岸冰、流冰主要分布在安陽河倒虹吸出口以北渠段，冰蓋封凍渠段則主要集中在崗頭隧洞下游至北拒馬河暗渠段；在典型平冬年和暖冬年，渠道內(nèi)冰蓋封凍時間和范圍通常相對有限，甚至全線無冰蓋產(chǎn)生。

在南水北調(diào)中線冰期輸水過程中，基于歷史觀測數(shù)據(jù)和冰情發(fā)展規(guī)律，實(shí)時監(jiān)測氣象、水情、工情，預(yù)測研判氣溫、水溫、冰情發(fā)展，進(jìn)而采取相宜的調(diào)度模式，實(shí)施動態(tài)調(diào)度，科學(xué)增加輸水的時間和范圍，對于充分發(fā)揮工程效益，最大限度地滿足沿線用水戶冬季用水需求具有重要意義。

二、冰期輸水基本控制原則

南水北調(diào)中線工程冰期輸水的關(guān)鍵是控制冰期輸水流量，采取合理的運(yùn)行方式和控制規(guī)則，使得各渠池能快速形成穩(wěn)定冰蓋，渠池內(nèi)冰凌“自產(chǎn)自消”，避免冰塞和冰壩等災(zāi)害發(fā)生。為此，南水北調(diào)中線冰期輸水渠段一般通過降低輸水流量、控制渠道水力條件等方式促使冰蓋盡快形成，進(jìn)而采取浮托冰蓋下輸水方式運(yùn)行。其間，基本的調(diào)度控制原則為：

①冰期輸水宜采用高水位運(yùn)行，以提高冰期輸水能力，同時促進(jìn)冰蓋穩(wěn)定形成，各節(jié)制閘閘前目標(biāo)水位暫按設(shè)計水位控制。在調(diào)度過程中，可結(jié)合現(xiàn)場蓄水平壓、蓄水保溫、檢修維護(hù)等具體需求，適當(dāng)調(diào)整目標(biāo)水位，其原則上應(yīng)介于設(shè)計水位和加大水位之間。

②冰期輸水一般不宜改變輸水流量，確需改變時，應(yīng)采用小幅度逐步微調(diào)的方式調(diào)整，水位日變幅不超過冰蓋穩(wěn)定的允許范圍。

③渠道水位及流量應(yīng)在進(jìn)入冰期前逐步調(diào)整至冰期運(yùn)行目標(biāo)值，在冰期結(jié)束后逐步調(diào)整至正常運(yùn)行目標(biāo)值。

④穩(wěn)封期冰蓋厚度和糙率變化會導(dǎo)致水位波動，應(yīng)通過閘門調(diào)節(jié)維持閘前目標(biāo)水位。冰期調(diào)度閘門調(diào)整頻率基本與正常輸水期一致，可適當(dāng)加密。

⑤節(jié)制閘、檢修閘、退水閘等控制性建筑物的機(jī)電金結(jié)設(shè)備，以及攔冰、擾冰、融冰、排冰等設(shè)施，應(yīng)在冰期輸水前進(jìn)行全面排查，保證其處于正常待命狀態(tài)。

三、冰期輸水安全控制流量

當(dāng)前，為保障冰期輸水安全，南水北調(diào)中線總干渠基于以下條件來確定各渠段冰期最大輸水能力，即安全控制流量：冰蓋形成為平封模式，在采用閘前設(shè)計水位運(yùn)行時，節(jié)制閘閘前水流弗汝德數(shù)（Fr）不超過0.06，對應(yīng)流速0.4 m/s左右。

在此條件下，安陽河以北段冰期輸水安全控制流量基本為設(shè)計流量的31.56%～47.64%，其中崗頭節(jié)制閘斷面過流能力原則上不超過47.64 m3/s，北拒馬河節(jié)制閘斷面入北京流量原則上不超過22.97 m3/s。在實(shí)際運(yùn)行過程中，沿線的攔冰、擾冰、融冰、排冰等設(shè)施經(jīng)過完善和改進(jìn)，或者適當(dāng)抬升渠道運(yùn)行水位時，總干渠各渠段冰期輸水安全控制流量也可適當(dāng)提升。

四、冰期輸水動態(tài)調(diào)度策略

南水北調(diào)中線冰期輸水調(diào)度過程中，年際間的氣象條件存在差異，冰情發(fā)展也不盡相同。因此，在時間和空間上均存在實(shí)施動態(tài)調(diào)度的優(yōu)化空間。對安陽河以北段各閘站所屬地區(qū)氣象站點(diǎn)冬季氣溫數(shù)據(jù)、中線正式通水以來的冬季冰情觀測數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)計分析顯示，自中線正式通水以來，近幾年其所經(jīng)區(qū)域最強(qiáng)冷空氣過程主要出現(xiàn)在12 月下旬至1 月下旬，低水溫時段主要分布在1 月至2 月上旬。12 月中下旬開始，當(dāng)某一渠段的水溫低于4 ℃、氣溫低于-10 ℃，水溫低于2 ℃、氣溫低于-5 ℃，水溫低于1 ℃、氣溫低于-3 ℃等情況下，會開始有岸冰等冰情出現(xiàn)。而當(dāng)水溫低于1 ℃、最低氣溫低于-15 ℃、連續(xù)3 日負(fù)積溫積累量低于-30 ℃時，形成冰蓋的概率大。

基于上述分析結(jié)果及歷次冰期輸水運(yùn)行經(jīng)驗，初步提出中線冰期輸水動態(tài)調(diào)度策略：

①12 月1 日開始，中線工程進(jìn)入冰期輸水調(diào)度準(zhǔn)備狀態(tài)，輸水過程中密切關(guān)注氣溫、水溫變化，如遇極端寒潮情況及時調(diào)整流量，確保安全。

②初定12 月20 日起，中線工程崗頭節(jié)制閘以下渠段開始調(diào)減流量，各斷面逐步調(diào)節(jié)流量至不超過冰期輸水安全控制流量；崗頭節(jié)制閘以上渠段根據(jù)實(shí)際氣象、水情、工情及沿線用水需求，適當(dāng)延長正常供水時間，過程中密切關(guān)注氣溫、水溫變化。

③具體調(diào)度過程中，若某渠段水溫低于3℃，或者有顯著下降趨勢，預(yù)測未來3 天可能接近1℃時，開始逐步調(diào)減該渠段及以下流量至不超過冰期輸水安全控制流量。

④冰期輸水結(jié)束時間一般為次年2 月底。實(shí)際輸水調(diào)度中，若渠道中冰蓋已全部消融，則渠道轉(zhuǎn)入非冰期輸水。若第一次寒潮后氣溫短暫回暖、冰蓋消融，但未出隆冬季節(jié)（2 月以前），渠道的輸水流量及水位仍應(yīng)保持冰期輸水狀態(tài)。

五、冰期輸水動態(tài)調(diào)度實(shí)踐

2021 年12 月1 日進(jìn)入冰期運(yùn)行后，中線工程全面加強(qiáng)對安陽河以北段各斷面水溫、氣溫、冰情等指標(biāo)的監(jiān)測，結(jié)合中長期天氣預(yù)報，動態(tài)調(diào)整冰期調(diào)度模式，科學(xué)優(yōu)化各斷面流量調(diào)減時間，并根據(jù)實(shí)際冰情和用水需求，按照“崗頭節(jié)制閘以下流量不超過冰期輸水安全控制流量，上游在保障調(diào)度安全的基礎(chǔ)上盡量滿足地方需求”的調(diào)度策略，實(shí)施動態(tài)調(diào)度。

1.渠道冰情狀況

現(xiàn)場冰情原型觀測測站實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，2021—2022 年度中線冰期輸水段具有顯著的暖冬特征。以由南向北分布的滹沱河倒虹吸、漕河渡槽、北易水倒虹吸、北拒馬河暗渠4 處觀測站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4 站的日平均氣溫于 2021 年 12 月 13 日—24 日轉(zhuǎn)負(fù)，于 2022 年 2 月 19 日—23 日轉(zhuǎn)正，日平均氣溫-3.46～-0.02 ℃，實(shí)測最低氣溫為-13.70～-9.20 ℃（圖1）。其中北易水倒虹吸觀測站氣溫最低，而12 月和1 月氣溫相對歷史同期偏高。

圖1 2021—2022 年度冬季各測站日平均氣溫

其間，渠道水溫由南往北總體呈現(xiàn)逐步遞減的趨勢，4 個觀測站的水溫整體呈下降、維持低值態(tài)勢（圖2）。其中，滹沱河倒虹吸測站水溫為4.65～11.06 ℃，至北拒馬河測站則降至2.42～9.10 ℃。工程沿線冬季水溫大于2 ℃，最低水溫于2022 年2 月3 日在北拒馬河暗渠進(jìn)口測得，為2.42 ℃。

圖2 2021—2022 年度冬季各測站日平均水溫

受氣象、水力條件等綜合影響，2021—2022 年度冰期渠道氣溫、水溫相對較高，主要冰情為岸冰，沒有形成流冰和冰蓋。其中，岸冰范圍主要集中在崗頭隧洞出口至北拒馬河暗渠段，岸冰存在日期為2021 年12 月 25 日 —2022 年 2 月 23 日 ，歷時 62 天。 2022 年 1月7 日，全線渠道岸冰總長度最長，達(dá)13.61 km，最大寬度10 cm，厚度小于0.5 cm。每日岸冰均為新生岸冰，當(dāng)日形成、當(dāng)天融化。

2.輸水調(diào)度過程

按照冰期輸水渠道水位控制要求，在2021 年12月1 日前，安陽河以北段各節(jié)制閘閘前水位逐步調(diào)整至設(shè)計水位以上，并保持運(yùn)行穩(wěn)定，為冰期調(diào)度做好準(zhǔn)備。之后，結(jié)合氣溫、水溫、冰情發(fā)展和氣象預(yù)報，實(shí)施動態(tài)調(diào)度。主要流量調(diào)度過程見表1、圖3。

表1 2021—2022 年度冰期輸水渠段主要流量調(diào)度過程

圖3 2021—2022 年度冰期輸水渠段各重點(diǎn)斷面流量

①根據(jù)中央氣象臺發(fā)布的寒潮預(yù)警，2021 年12月23 日—26 日，我國中東部地區(qū)自北向南將出現(xiàn)一次明顯的降溫過程，氣溫會下降6～10℃，局地下降達(dá)到14℃以上。因此，12 月 21 日—28 日，逐步調(diào)減崗頭節(jié)制閘以下渠段向北京、天津和河北的分水流量，合計調(diào)減流量30 m3/s，使得崗頭節(jié)制閘及以下斷面輸水流量控制在冰期安全控制流量以內(nèi)。

②受寒潮降溫影響，渠道水溫下降明顯，2021 年12 月23 日后漕河渡槽斷面水溫已逐步降至5℃以下。因此，12 月 23 日—1 月 4 日，結(jié)合地方用水需求，逐步調(diào)減崗頭節(jié)制閘以上渠段向河北的分水流量，合計調(diào)減流量52 m3/s。此時，沙河北退水閘斷面以上至安陽河倒虹吸出口段，渠道過流超出冰期輸水安全控制流量20～30 m3/s。

③之后，安陽河以北冰期輸水段整體維持輸水流量相對穩(wěn)定，直至2022 年2 月底。

3.動態(tài)調(diào)度實(shí)效

2021—2022 年度冬季3 個月間，安陽河以北段采用動態(tài)調(diào)度方式，適當(dāng)延長非冰期輸水時間和范圍，相關(guān)斷面的最大輸水流量和平均輸水流量均有所提升。其中，安陽河節(jié)制閘斷面平均輸水流量149.67 m3/s，最大輸水流量208.14 m3/s；崗頭節(jié)制閘斷面平均輸水流量58.18 m3/s，最大輸水流量90.00 m3/s；王慶坨連接井平均輸水流量25.75 m3/s，最大輸水流量41.73 m3/s；惠南莊泵站斷面平均輸水流量22.61 m3/s，最大輸水流量30.96 m3/s。全線運(yùn)行安全、穩(wěn)定，未發(fā)生冰塞、冰壩以及其他冰凍災(zāi)害。

經(jīng)水量數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，在冬季3 個月間，安陽河節(jié)制閘累計過流量11.61 億m3，較冰期輸水安全控制流量下水量增加了3.70 億m3，向河北、天津、北京3 ?。ㄖ陛犑校├塾嫻┧?1.03 億m3，較水利部年度供水計劃內(nèi)同期計劃供水量增加3.38 億m3，冰期輸水動態(tài)調(diào)度實(shí)效顯著。

六、結(jié) 論

針對當(dāng)前南水北調(diào)中線冬季冰期輸水模式造成供水量減少所帶來的水量供需矛盾，在現(xiàn)行的中線冰期輸水基本控制原則、安全控制流量的基礎(chǔ)上，基于歷史觀測數(shù)據(jù)和冰情發(fā)展規(guī)律，提出了冰期輸水動態(tài)調(diào)度策略，并通過2021—2022 年度冬季3 個月的冰期調(diào)度實(shí)踐，驗證了中線冰期實(shí)施動態(tài)調(diào)度的可行性。

中線將結(jié)合工程智慧化調(diào)度和數(shù)字孿生建設(shè)，今后不斷提升冰情演化“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”功效，切實(shí)保障冰期輸水安全，進(jìn)而實(shí)施更加精準(zhǔn)的時空動態(tài)調(diào)度，從而更好地發(fā)揮工程效益，最大限度地滿足沿線用水戶用水需求。