南水北調中線干渠冰期輸水冰情分析及冰害防治措施

劉建軍，滕麗娟，劉嘉偉

（1.河北省桃林口水庫管理局，河北 秦皇島066004；2.秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島066004；3.承德水文水資源勘測局，河北 承德067000）

高緯度地區(qū)的河流、渠道在冬季會出現(xiàn)結冰現(xiàn)象，形成水內冰、浮冰和冰蓋［1］。南水北調中線總干渠自丹江口水庫陶岔閘渠首至北京玉淵潭全長1240km，全程有1700多個交叉建筑物，向沿程5省市輸水。冬季丹江口水庫水溫為4 ℃左右，渠道跨越8個地理緯度，沿程氣溫逐漸降低，安陽以北地區(qū)氣溫在0 ℃以下，極端氣溫可達零下十幾甚至二十幾攝氏度，總干渠北部出現(xiàn)冰問題是不可避免的。總干渠沿程含冰量增大，有可能產(chǎn)生冰塞冰壩，影響冬季輸水；總干渠橫斷面發(fā)生變化時，如渠道轉彎、斷面收縮或擴大、渠道與渡槽等交叉建筑物相銜接等處均可能發(fā)生冰害，產(chǎn)生冰塞、冰壩，閘前后結冰使建筑物遭破壞。此外，河北省段所處的地理環(huán)境氣候條件、水文地質條件及設計運用情況，決定了其具有發(fā)生冰凍害的必然性［2］。

1 總干渠沿線冰情

1.1 河北沿線氣候特征

南水北調中線干渠河北省段供水區(qū)位于華北平原中部，受西北冷空氣影響大，據(jù)中線總干渠沿程磁縣、永年、內丘、元氏、唐縣、滿城、易縣、淶水8個氣象站多年統(tǒng)計，南水北調中線干渠河北沿線每年12月上旬至次年2月下旬日平均氣溫均在0 ℃以下，其中最低極端氣溫在零下20 ℃以下，低于寒冷氣候區(qū)最冷月平均氣溫-10 ℃≤ta≦-3 ℃標準，屬寒冷氣候區(qū)。

1.2 河北供水區(qū)出現(xiàn)冰情的必然性

1.2.1 地域跨度大 氣候梯度大

南水北調中線干渠河北省段線路長超過400km，沿線所經(jīng)區(qū)域緯度差別大，氣象指數(shù)梯度大，中線干渠南部為寒冷氣候區(qū)和溫和區(qū)交叉地帶，中北部為寒冷氣候區(qū)，最冷月平均氣溫在零下3 ℃，極易產(chǎn)生冰花、冰凌，并在特定水流條件下形成冰蓋。

1.2.2 工程規(guī)模大 交叉建筑多

南水北調中線總干渠流量大，流速也很大，渠道內較大的輸水流速使水內含冰量增加，為流冰花下潛提供了動力條件，利于形成冰塞冰壩；總干渠沿線交叉建筑物多，用戶多，輸水分水的流量不穩(wěn)定，易于形成流冰或冰阻，且建筑物的局部遮蔭作用使冰情更復雜化。

1.2.3 水流方向由低緯度向高緯度

南水北調中線總干渠輸水方向由南往北，從低緯度區(qū)流向高緯度區(qū)，由溫和區(qū)流向寒冷氣候區(qū)，結冰期冰花向北愈積愈多，易形成冰害；解凍期，南部開河解凍，北部還在堅冰期，形成倒開河，易產(chǎn)生冰塞，隨著水力條件的增強還有可能造成武開江，如果水流中含大量的冰塊，則為冰壩發(fā)生提供了物質條件和動力條件。

1.3 渠道冰期輸水冰情及其產(chǎn)生條件

1.3.1 冰期輸水可能遇到的冰情

當氣溫降至0 ℃以下時，水溫下降且達到凝固點，渠道緩流渠段上會形成大量冰花，并在岸邊形成初生薄岸冰，冰在水流作用下破碎與冰花一起輸移，渠道則開始流凌。當流凌密度達到一定程度時，在渠道與水工建筑物交叉處、斷面顯著變化處，由于流凌速度減小或發(fā)生回流渦流，使流凌冰塊輸移受阻、壅塞，形成冰橋，隨冰橋面積擴大，渠道進入封凍階段。在封凍過程中，冰橋兩側結冰擴大形成冰蓋。當冰蓋前緣的水流動能足夠大時，冰蓋前緣冰花下潛堆積形成冰塞。春季氣溫回升，渠道進入流凌期，總干渠流向由南向北，且跨越地理緯度大，溫差大，會出現(xiàn)上游冰融，下游冰處于堅實的狀態(tài)，上游來冰會在河床束窄處、彎道處、坡度由陡變緩處、及堅實冰塞前受到阻礙卡冰結壩，形成冰壩。

1.3.2 冰蓋形成條件

冰蓋是在特定的條件下冰凌堆積、加密，在水面上形成的一層堅實冰。冰蓋生成往往需要3個條件：①一定的河道形態(tài)，冰蓋起初易形成于河道的彎曲凸岸、水庫的回水末端、及縱斷面由急變緩處；②充分的冰花、冰塊，即足夠大的流凌密度；③封凍前緣處的流速滿足臨界條件。

當流凌密度達到中度流冰的較大值或全面流冰時，在一定的渠道形態(tài)和水力條件下流冰運動不暢，相互擁塞，凍結形成冰橋或冰拱，面積漸增，渠道開始進入卡冰封河狀態(tài)，形成初始冰蓋，冰蓋在特定的條件下分別以平鋪上溯式、水力加厚式和力學加厚式3種形式向上游發(fā)展。

1.3.3 冰塞形成條件

渠道封凍過程中，水流中隨主流向下游移動的大量冰花遇到障礙物或者流凌量大于渠道最大過冰能力時，冰花聚集形成連續(xù)冰橋。當水流流速較小時，上游所來冰花停止在冰橋上游，冰蓋開始形成且不斷向下游發(fā)展，當水流流速較大時，上游所來冰花下潛到自己形成的冰蓋下面，冰在冰蓋下移動、聚集、使冰蓋加厚，形成初始冰塞。

冰塞的形成條件：①有足夠的冰花；②有阻止冰花通過的邊界，一般出現(xiàn)在河道的坡度由陡變緩，由寬變窄，河槽彎曲段，水庫的回水末端，河道與水工建筑物的交叉處等；③水流速度達到冰花下潛的臨界流速。

1.3.4 冰壩形成條件

冰壩是在冰凌水流演進中，因過水斷面收縮、河槽比降減緩或原型封凍冰蓋等使過流能力減小，由塊大質堅的冰塊上爬下插堆積而成。

冰壩的形成條件：①上游河段有足夠數(shù)量和強度的冰塊；②具有輸送大量冰塊的水流條件；③具有阻止大量流冰的邊界條件，如河道比降由陡變緩處、水庫回水末端、河流入湖或入海地區(qū)、河流急彎段、河道狹窄處及有冰塞的河段處。

1.4 河北供水區(qū)沿線冰情［3］

武漢水電大學和長江科學院 《冰期輸水計算分析》中以1979～1980年和1976～1977年為典型年，代表一般平冬年和寒冷年進行數(shù)模分析。1979～1980年為平冬年，最冷月平均氣溫:邢臺-1.9 ℃，石家莊-2.3 ℃，滿城-3.5 ℃，出現(xiàn)有影響的寒潮9次，比平均值多45%。1976～1977年寒冬年最冷月平均氣溫：邢臺-5.2 ℃，石家莊-6 ℃，滿城-7.1 ℃，出現(xiàn)有影響的寒潮11次，比平均值多77%，為22年中的首位。據(jù)此進行數(shù)模分析，在平均輸水情況下的冰期天數(shù)和輸冰量如表1。

表1 平冬和冷冬年冰期歷時

從表1中看出，平冬年石家莊以北的流冰期達40d，滿城縣60d，北拒馬78d。水利部水科院《南水北調中線工程冬季輸水冰情初步研究》提出：上游來冰凌流量大于河道的允許過水能力時，渠道中就會出現(xiàn)冰凌堆積而形成冰塞。由總干渠斷面要素分析得出：鄭州到北京沿線各段的河段最大過冰能力在0.28～0.1m3/s之間，表中計算的最大流冰量，平冬年1.38～1.55m3/s，冷冬年1.4～8.56m3/s，均大大超過允許值，說明極易產(chǎn)生冰塞，發(fā)生冰害。

2 運行過程中的冰害防治措施

2.1 利用排冰閘孔和蓄冰容積

南水北調中線干渠在相應渠段兩側設置了排冰閘和人工蓄冰、滯冰池，當上游所來流冰量大，渠道過水能力不足時，及時采取排冰減險和冰凌儲存措施，避免冰花在渠道內大量堆積、堵塞或排向下游。

2.2 設置攔冰設施 防止結冰封凍

在節(jié)制閘、倒虹吸、橋梁等交叉建筑物上游附近設置攔冰設施，及時排冰；為保證渠系上有排冰任務的閘門、攔污柵和起閉機等正常運行，可借鑒已有工程經(jīng)驗［4］，采取保溫法、加熱法、吹泡法、射流法、電脈沖法和微波振動等措施。

2.3 冰蓋下輸水和無冰蓋輸水

冰蓋下輸水和流冰輸水運用“遠距離輸水渠道控制容量”的管理調度方法［5］，在輸水流量急劇變化的情況下，通過節(jié)制閘對閘門上游進行常水位控制，以達到穩(wěn)定輸水的目的；有條件的渠道，采用無冰蓋輸水運行方式，要求渠道流速不得小于臨界流速1.1m/s。

2.4 加強巡查預警

加強人工巡回及時排查險情，條件許可的情況下還可以在渡槽及建筑物上游設置水位越限無線傳輸報警裝置，以便及時發(fā)現(xiàn)險情。

3 結語

（1）南水北調中線干渠工程規(guī)模大、地理跨度和氣候梯度也很大，河北省段南水北調中線供水區(qū)屬寒冷氣候區(qū)，鄭州到北京沿線各段河段的最大流冰量均大大超過允許值，極易產(chǎn)生冰塞，發(fā)生冰害。

（2）巨大的冰塞、冰壩可造成渠水漫溢。為防止南水北調中線干渠冰期輸水發(fā)生冰害，可采取蓄冰、排冰、輸冰、冰蓋下輸水等措施。

［1］王軍.河冰形成和演變分析［M］.合肥:合肥工業(yè)大學出版社，2004.

［2］李書民.南水北調工程與淺層季節(jié)凍土區(qū)防冰凍研究［J］.河北水利水電技術，2002（2）：37-38.

［3］王流泉.南水北調中線總干渠冰期輸水的設計和管理［J］.南水北調與水利科技，2002（4）.

［4］徐志昌，楊永安，邢紅.水電站引水明渠抗凍措施的研究［J］.黑龍江水專學報，2001，28（2）.

［5］陸英，祁永吉，楊民才，等.青海引水式小水電站冬季的冰蓋運行［J］.中國農(nóng)村水利水電，1997（7）.