南水北調(diào)（中線）冰期輸水冰情分析

□顏炳池(河北省大清河河務(wù)管理處)

1 南水北調(diào)中線總干渠冰期輸水的基本情況

南水北調(diào)中線工程是我國(guó)跨流域調(diào)水，解決華北地區(qū)水資源分配不均衡的關(guān)鍵性工程。總干渠工程從丹江口水庫(kù)陶岔閘渠首到北京頤和園的團(tuán)城湖，全長(zhǎng)為1277km，由北向南跨越北緯32～40°。全程有1715座交叉型建筑物，其中216座建筑物參與了水頭分配。總干渠以明渠輸水為主，穿越各種大小不同河流200多條。輸水線路長(zhǎng)，跨越時(shí)空大。設(shè)計(jì)輸水流量渠首為530 m3/s，至北京 70 m3/s，流速由 1.40 m/s降至 0.80 m/s，水深亦由9.50m降至4m左右，沿程呈現(xiàn)遞減狀態(tài)。冬季丹江口水庫(kù)出水口的水溫平均為4℃，受冬季寒冷空氣的影響，沿程氣溫逐漸降低。根據(jù)北京106年(1841-1980年非連續(xù))的資料統(tǒng)計(jì)，12月份平均氣溫為-2.70℃，1月為-4.70℃，2月為-1.90℃；12月的極端最低溫度為-19.60℃(1947年)，1月為-22.80℃(1951年)，2月為-27.40℃(1966年)。由于總干渠線路長(zhǎng)、建筑物多、流量變幅大、水溫沿程降低，因此，總干渠北部出現(xiàn)冰情問題是不可避免的。

2 冰期輸水原型觀測(cè)

為了研究總干渠冰期輸水可能產(chǎn)生的冰情、冰害及以后的運(yùn)行管理提供參考和借鑒的第一手資料，同時(shí)也為中線總干渠冰期輸水建立的數(shù)學(xué)模型提供確切的參數(shù)，長(zhǎng)江科學(xué)院委托河北省大清河河務(wù)管理處于1994-1995、1995-1996、1996-1997連續(xù)3個(gè)冬季在引黃總干渠、大清河系北支南拒馬河、白溝河、大清河和白溝引河進(jìn)行冰期輸水原型觀測(cè)與研究工作。觀測(cè)河段均與總干渠環(huán)境、氣候條件相當(dāng)，且均由水庫(kù)流出，起始水溫一般為4℃左右，然后沿程逐漸降低，沿程有交叉建筑物，與總干渠條件類似，具有原型觀測(cè)的條件。

觀測(cè)的內(nèi)容分為氣象觀測(cè)、水文觀測(cè)及冰情觀測(cè),其中，氣象觀測(cè)包括氣溫、相對(duì)濕度、地溫、氣壓、風(fēng)速風(fēng)向等。水文觀測(cè)含地形測(cè)量，水位、水深、水溫、流速的觀測(cè);冰情觀測(cè)分固定觀測(cè)和非固定觀測(cè),固定觀測(cè)又分為岸冰觀測(cè)，水內(nèi)冰網(wǎng)與水內(nèi)冰含量觀測(cè)及冰流量觀測(cè),非固定觀測(cè)包括不同時(shí)期（流冰期、結(jié)冰期及融冰期）的冰情觀測(cè)及冰情對(duì)建筑物及輸水的影響。除了實(shí)地的觀測(cè)以外，還收集了當(dāng)?shù)厮臍庀筚Y料，主要包括氣溫、降雪量、風(fēng)力風(fēng)向、云層、太陽(yáng)輻射量(總輻射量及直接輻射量)等。

觀測(cè)河段內(nèi)共布置了6個(gè)觀測(cè)斷面，分為3個(gè)常規(guī)觀測(cè)斷面，3個(gè)間隔觀測(cè)斷面。各斷面根據(jù)不同的水面寬度設(shè)若干垂線，每根垂線設(shè)3～5個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)水位、水溫、流速、含冰量進(jìn)行定時(shí)觀測(cè)。根據(jù)氣象預(yù)報(bào)當(dāng)有大的降溫過(guò)程時(shí)，則對(duì)水溫、水內(nèi)冰、流冰疏密度及流冰堆積與下潛進(jìn)行24h全程跟蹤觀測(cè)。每年觀測(cè)時(shí)段為上年的l1月中旬至次年2月底。為了觀測(cè)水內(nèi)冰含冰量，根據(jù)冰水力學(xué)特性將泥沙觀測(cè)方法移植到冰期輸水觀測(cè)中，并將采到的水樣在現(xiàn)場(chǎng)隨即分析，以減少水內(nèi)冰含冰量的誤差，取得了寶貴的成果。通過(guò)3年的連續(xù)觀測(cè)，獲取了大量資料，為數(shù)模計(jì)算參數(shù)的率定和驗(yàn)算提供了科學(xué)依據(jù)。

3 主要觀測(cè)成果

根據(jù)3年的原型觀測(cè)，影響河段內(nèi)的冰情因素很多。河道水力學(xué)和冰情不僅呈現(xiàn)出隨時(shí)間變化的非恒定性，而且也表現(xiàn)出沿河道、河寬和水深變化的空間三維特性。這在河段內(nèi)產(chǎn)生冰塞、冰壩時(shí)表現(xiàn)得尤為明顯。主要觀測(cè)成果：

①冰花產(chǎn)生條件：最低氣溫低于-6℃，斷面平均水溫在0.30℃以下。

②水內(nèi)冰產(chǎn)生條件及分布：當(dāng)河段內(nèi)水溫在-0.05℃以下時(shí)可產(chǎn)生水內(nèi)冰。

③水內(nèi)冰沿水深的分布基本與流速的大小分布相同。動(dòng)態(tài)冰蓋形成的條件：日平均氣溫在-6℃以下，斷面平均水溫在0℃以下，在流速＜0.60m/s時(shí)，可形成動(dòng)態(tài)冰蓋。

④冰水混流對(duì)水位的影響：冰水二相混流對(duì)水位的影響較小，一般為0～3cm。

⑤冰塞、冰壩的形成條件：當(dāng)弗汝德數(shù)Fr＞0.09時(shí)，可產(chǎn)生流冰、流冰花在冰蓋前緣下潛現(xiàn)象，這是形成冰塞、冰壩的直接原因。

⑥冰蓋對(duì)過(guò)流能力的影響：在相同水位情況下，冰蓋下過(guò)流能力比明流減少40%～61%,在相同流量情況下，有冰蓋與無(wú)冰蓋相比水位抬高16%～25%。

4 中線總干渠冰期輸水冰情分析

根據(jù)原型觀測(cè)成果，日最低度氣溫低于-6℃達(dá)30 d以上，水內(nèi)冰和水面流冰是總干渠的主要輸冰形式。盡管總干渠水深較大、蓄熱量大，但由于流速較大，水流的摻混作用進(jìn)一步加強(qiáng)，使得水—?dú)饨缑鏌峤粨Q更加充分，更容易使整個(gè)過(guò)水?dāng)嗝嫣幱谶^(guò)冷狀態(tài)，使水內(nèi)冰產(chǎn)生并發(fā)展。當(dāng)總干渠水內(nèi)冰濃度大于水流挾冰能力，水內(nèi)冰將大量上浮形成水面流冰。

由于水內(nèi)冰極易在其他物體上凝結(jié)的特點(diǎn)，很容易在攔污柵、節(jié)制閘、涵洞、渡槽等建筑物上凝結(jié)，從而使有效的過(guò)水?dāng)嗝鏈p少，壅高上游水位，水內(nèi)冰含量越大，阻水越嚴(yán)重。這一點(diǎn)常被忽略，應(yīng)引起重視和警惕。

當(dāng)日平均氣溫在-6℃以下，流速＜0.30m/s時(shí)，可形成靜態(tài)冰蓋。這在近幾年南水北調(diào)中線總干渠冰期從河北向北京的試驗(yàn)性輸水中可以看到這種冰情形式，也就是人們常說(shuō)的冰蓋下輸水。當(dāng)0.30m/s＜流速＜0.60m/s時(shí)，可形成動(dòng)態(tài)冰蓋。動(dòng)態(tài)冰蓋形成會(huì)出現(xiàn)冰塞和冰壩現(xiàn)象。因此，冰塞和冰壩是總干渠的主要冰害形式，且冰塞較冰壩阻水更為嚴(yán)重，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

冰水混流對(duì)水位的影響較小。冰蓋的形成加大了過(guò)水?dāng)嗝娴牟诼剩绊懥诉^(guò)流能力，對(duì)總干渠的冰期輸水安全造成了一定程度的影響。

5 結(jié)論

南水北調(diào)中線總干渠是當(dāng)今世界上最宏偉的跨流域調(diào)水工程。冰期輸水中的冰情冰害問題是一個(gè)不容忽視的問題，它不同于東北寒冷地區(qū)的冰蓋下輸水，也不同于南方的明渠輸水，而是液—固兩相流形態(tài)。從國(guó)內(nèi)目前對(duì)南水北調(diào)冰期輸水的研究，多停留在數(shù)學(xué)模型的建立上，而缺乏原型觀測(cè)數(shù)據(jù)的率定。南水北調(diào)中線總干渠于今年十月份即將全線通水，因此，對(duì)冰期輸水的冰情問題應(yīng)當(dāng)引起更大的關(guān)注，進(jìn)行更為深入的研究。

[1]殷瑞蘭，張卉.南水北調(diào)中線工程冰期輸水研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2002（9）.

[2]顏丙池.南水北調(diào)冰期輸水原型觀測(cè)與研究[J].河北水利水電技術(shù)，2002（2）.

[3]董耀華，楊國(guó)錄，大清河系觀測(cè)河段及南水北調(diào)中線方案冰情計(jì)算分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào) ，1999（6）.