李家岸灌區冬季帶冰引水的實踐與探索

曹九崗，王建華，劉洪明

（山東省德州市李家岸灌區管理局，251500，德州）

李家岸灌區冬季帶冰引水的實踐與探索

曹九崗，王建華，劉洪明

（山東省德州市李家岸灌區管理局，251500，德州）

帶冰引水；冰凌冰壩；李家岸灌區

一、李家岸灌區2011年冬季帶冰引水情況

2010年年底，山東省德州市面臨著百年不遇的特大干旱。為了抗旱保苗及滿足灌區農村飲水的需求，李家岸灌區展開了大規模的冬季帶冰引水工作。與往年冬季引水情況相比其引水流量、引水時間、出現的險情以及采取的除冰搶險的措施都是空前的。一是整個冬季沒有停止引水，其中帶冰引水從2010年12月27日至2011年2月20日，共計55天。二是保持了相對穩定的引水流量。引水期間，保持了30 m3/s左右的流量，確保了既不因流量過小而使河道全部封堵，又不致因流量過大水位過高而潰堤。三是采取了空前的破冰除險措施。雖然本次帶冰引水流量不是很大，但總干渠運行水位很高，達到并超過設計水位。同時，由于局部形成冰壩，致使局部水位在高水位運行的基礎上急劇上升，險象環生。為了確保安全，共出動挖掘機20余臺排冰凌、破冰壩，疏通渠道。

通過采取科學有效的技術措施和強有力的組織措施，順利地完成了冬季引水任務。共帶冰引水1.37億m3，有效地緩解了農田旱情，為慶云、樂陵水庫送水1000多萬m3，確保了兩縣的農村飲水需求。

二、冬季帶冰引水險情發生的三個階段

1.第一階段——冰蓋形成期

此階段是指從開始有零星冰塊（凌）開始，至水面冰蓋形成這段時間。其主要特點是冰塊隨水流向下游漂浮，浮冰開始影響水的流速，水位開始上升，在障礙物處及水流變緩地段易形成冰壩，是引水最危險的時期。

李家岸灌區本次引水從12月27日開始，由于連續的低溫 （最低溫度-6℃～-9℃ 平均溫度連續6天低于0℃），出現了冰凌。同時，黃河冰凌不斷進入渠道，此時為帶冰引水第一階段。12月30日、31日，由于黃河水位上升和調水計劃的原因，引水流量由原來的30 m3/s先后增加至40 m3/s和55 m3/s。此時黃河來水冰凌進一步增多，整個渠道內充滿了冰塊堆疊的浮冰層，厚度達50 cm，致使水位迅速上升，局部渠段超過設計水位0.5 m，開始出現險情。隨后幾天，個別渠段出現冰壩，致使總干渠在高水位運行的基礎上水位急速上升，險情進一步發展。采用挖掘機排冰凌、破冰壩，疏通橋、涵、閘等措施解除了險情。

2.第二階段——冰下過流期

在第一階段末，由于天氣持續降溫，致使冰塊冰凌結為一體，形成冰蓋。冰蓋下面形成一個比較穩定的過水斷面，在引水流量變化不大的情況下，水位不會發生較大變化，局部也不會產生冰壩堆積現象。此階段引水特點是水位比平時高，在流量變化不大的情況下比較穩定，是帶冰引水比較穩定的時期。

3.第三階段——冰蓋融化期

在天氣逐漸變暖時,平均溫度連續數天達到0℃以上，渠道冰蓋開始明顯融化并逐漸開裂、松動，最后導致冰蓋分裂成較大的冰塊體，并隨水流漂浮。此時情況與第一階段類似，但由于冰塊體強度和厚度比第一階段小，其形成的破壞力和危險程度比第一階段要小。

此階段的特點是水位進一步下降，局部有形成冰壩或者浮冰堆積導致水位上升的可能。要注意流量不能變化過大（特別是變大）。

帶冰引水過程三個階段風險度示意見圖1。從圖中可以看出：①在第一階段后期是引水最危險的時期，第三階段是比較危險的時期。②在流量維持不變的情況下，P2幾乎是個恒定值，且 P2＜P3＜P1。 ③第一階段的結冰與第三階段的化冰，存在著比氣溫滯后的現象 （表現為兩個階段的危險度上升期曲線為凹形，這從后面的冰塊融化試驗中可得到驗證），主要是水溫受地溫等環境溫度的影響造成的。

圖1 帶冰引水過程風險度示意圖

三、帶冰引水三個不同階段影響因素分析

帶冰引水的危險程度受多方面的影響，主要有四大因素，即環境溫度、流量、渠道內部阻水因素及外部除冰疏通因素。在引水三個階段過程中，四種因素都影響著引水的安全，但在不同階段影響的程度不同。

1.第一階段

第一階段四種因素對引水影響都很大：如果氣溫突降很多，浮冰厚度會增加，且易形成冰壩；引水流量增加過大，冰塊冰凌堆積加快，形成冰壩的可能性大大增加；渠道彎曲、由陡變緩以及橋、閘等阻冰處極易形成冰壩；外部除冰因素是疏通水流、確保引水安全的重要因素。

2.第二階段

第二階段最重要的因素就是流量。此時已形成固定冰蓋，厚度可達30～50 cm，如果維持一定流量大體保持不變（變幅不超過±10%），冰下過水斷面保持相對穩定，水位不會發生大的變化，此階段是最安全的。

3.第三階段

第三階段與第一階段大體相同。由于此階段屬冰凌融化期，冰體的強度比第一階段要小，形成冰壩的概率將降低，引水危險程度P2要小于P1。如果保持流量不產生大的變化，是可以有效消除風險的。

四、試驗觀測

1.引水過程中水位的變化特征

從本次帶冰引水實測資料分析看出，帶冰引水期間，冰凌冰蓋會減小過水斷面，改變水流形態，影響過水流量，水位比平時要高。但在不同階段、不同時段以及不同渠段，變化也不盡相同。

①在第一階段中后期，浮冰凌堆積是由下游向上游延伸推進的，水位壅高也是自下游向上游發展的。

②從總干渠看，干渠水位存在上游漲下游跌或上游跌下游漲的規律；同時，受氣溫晝高夜低的影響，水位上午10：00左右開始回落，至下午17：00最低；而夜間水位漲，凌晨水位最高。

③在第三階段后期臨近開河前，冰蓋厚度明顯減小，水位下降明顯。

2.水下冰塊融化試驗

在本次引水過程中，我們有針對性地做了水下冰塊融化試驗。選取了比較規則的冰塊，由測流橋上破冰放入總干渠水下不同部位，同時測量水流溫度。

從試驗結果可知：①在第二階段，即深冬寒冷時，水下溫度基本是0℃，水下的冰塊基本不融化；相反，由于水下冰凌掛附，冰塊體積還會增大。②水溫的回升比氣溫有滯后性。表現在冰蓋融化方面就是平均氣溫在0℃以上幾天后冰蓋才明顯融化。結冰時正好相反。③當氣溫回升到一定程度，水中溫度達到0℃以上時，水下冰塊融化很快。

3.冰壩易發地段分析

冬季帶冰引水，在冰蓋沒有完全形成以前，容易形成冰壩，給引水帶來極大的風險。易形成冰壩的地點主要集中在兩個地方：一是渠道彎曲、斷面變大、縱坡比由大變小等使水流變緩處，二是橋梁、水閘等阻冰處。這些地方都容易形成冰壩，都是防守重點。

冰壩對引水的危害主要是其水下形成的阻水體。根據浮力原理，對于活動的冰塊形成的冰壩，水下冰體的體積是水面上冰體體積的9倍，形成阻水斷面，是冰壩對冬季引水造成危害的主要原因。而橋梁、涵閘處，由于有混凝土支撐物（橋柱、閘墩等），在氣溫很低的情況下，這些支撐物溫度也很低，它在阻冰的過程中會很快與冰塊凍結為一體，支撐上浮冰塊不會下沉，形成的冰壩體水面下阻水面積相應比較小，對引水的危害相應會小一些。

五、帶冰引水的應對措施

冬季帶冰引水，水位高，水情變化快，風險大，但只要掌握了帶冰引水的規律，有針對性地采取相應措施，風險也是可控的。

①帶冰引水水位比較高，要根據各引水渠道的具體情況確定一個最大流量。根據李家岸灌區2010年引水情況，以不超過40 m3/s為宜。同時，在第一階段的前期就要達到最大流量。在第二階段渠道全部冰封后，不宜再增加流量，更不宜在第一階段后期和第三階段前期明顯加大流量。

②從整個冬季引水過程來看，第一階段和第三階段是防守的重點。最危險時期是第一階段后期，即冰凌封河前期，最低氣溫-6℃、平均氣溫0℃以下維持4天以上，就進入這一時期。

③防守重點由下游向上游轉移，防守部位在橋、閘等阻冰處，水流轉彎、河渠斷面變寬、河道坡降變小等處。其中轉彎處、變寬處、變緩處發生阻水冰壩造成的險情最嚴重，防守機械也不易靠近，要引起高度重視，提前做好應急準備。

④防守除冰機械以挖掘機特別是長臂挖掘機比較適宜。在第一、第三階段，在重點部位要設置一些機械來清除冰凌、冰壩。■

責任編輯 韋鳳年

TV67

B

1000-1123（2011）09-0029-02

2011-03-10

曹九崗，局長，高級工程師。