新疆某供水工程冬季結冰蓋輸水的可行性研究

周旭銳

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆北部某供水工程工程等別為Ⅱ等，工程規模為大（2）型，由南干渠及尾部調節水庫組成，南干渠由頂山隧洞、戈壁明渠（全長141.7 km）、沙漠明渠（全長166.5 km）、平原明渠（全長56.2 km）組成。設計水平年輸水流量68～75 m3/s，年有效輸水期為每年的4月中旬～10月。該供水工程緩解了新疆北部地區的工、農業和生態用水矛盾，是國家重點引水工程。工程位于新疆北部的高緯度地區，冬季時間長、氣溫低，冬季運行不可避免地會遇到冰期輸水問題，渠道冰情的發展會改變輸水條件并影響渠道運行控制方式，需對渠道冬季結冰蓋輸水的可行性進行研究。

2 冰蓋下輸水的數值模擬

2.1 臨界弗勞德數

動態冰蓋發展的模式一般由第一臨界弗勞德數Fr1和第二臨界弗勞德數Fr2理論來進行判斷。當冰花流速較緩慢、冰花厚度及冰花的抗擠壓強度較大時，冰花體運動至冰蓋前緣處即停止運動，附著堆積而使得冰蓋前緣不斷向上游發展。當冰花流速較高，冰花厚度及冰花的抗擠壓強度較小時，冰花體運動至冰蓋前緣處被擠壓破碎，隨之下潛。下潛的冰花是出現冰塞、冰壩的誘發物。

若水流弗勞德數Fr小于Fr1，冰蓋以并置積聚形式向上游推進，其推進速度由質量守恒原理確定。若水流弗勞德數Fr超過Fr2，冰蓋前緣將不再向上游發展，這時上游冰花將流向下游，直到水流速度較小的河段，滿足冰花上浮的要求。若水流弗勞德數Fr大于Fr1，小于Fr2，冰蓋將以水力加厚的方式向上游推進，上游冰花潛入冰蓋下前緣附近運動，冰蓋厚度迅速增加，冰蓋前緣水位壅高，底部水流分離，冰蓋前緣來流量一定時，隨著冰蓋前緣厚度增加，水流弗勞德數Fr逐漸下降，當小于Fr1時，冰蓋前緣繼續向前推進。

Pariset和Hausser根據冰塊的穩定條件提出了Fr1的公式[1]：

一般認為水流的弗勞德數Fr大于Fr1時，冰塊會下潛；大于Fr2時，冰蓋停止向上游發展[2]。目前還沒有合適的方法來確定浮冰塊的尺寸，在有冰情觀測數據的條件下，一般采用現場觀測的方法來確定臨界弗勞德數的大小。孫肇初和沈洪道在黃河現場觀察到Fr2近似為0.09[3]，故本工程取Fr2=0.09。

2.2 冰蓋下輸水的數值模擬

2.2.1 工程冬季氣象條件

因為輸水工程由南往北跨越500多公里，這些氣象數據分屬沿線不同的氣象站，典型位置冬季平均氣溫見表1。

表1 氣溫測站冬季平均氣溫表 ℃

2.2.2 蓋下輸水的冰情計算結果

結冰蓋輸水要求渠道水位抬高，以便結成冰蓋后冰蓋下有足夠的過水空間。渠道的弗勞德數Fr不能超過0.09，否則冰花會在冰蓋前緣下潛，使得冰蓋無法向上游推進，而且下潛的冰花很容易附著在冰蓋下表面形成冰塞，附著在閘門、攔污柵上阻塞渠道。若水流弗勞德數Fr控制在0.06以下，則對于渠道冰蓋下輸水將更為有利。因為在這種水流條件下，冰蓋厚度均一，能夠形成穩定冰蓋；在春季開河階段，整個渠段的冰蓋也易于同時消融[4]。

對于新疆北部供水工程而言，如果輸水沿線仍采用正常輸水的運行方式，即渠道中各節制閘門完全開啟，不對渠道水位加以控制，那么渠道中水流的弗勞德數Fr將會超過0.09。而且冰蓋的生成、推進和消融將會使得渠道的輸水條件發生改變，引起渠道的水位、流量發生較大的變化，容易造成冰蓋的破裂，繼而引發冰害。因此，為了能夠實現渠道冬季結冰蓋輸水，工程沿線的節制閘必須參與渠道的水位、流量的調控。在結冰期到來之前，抬高閘前水位，減小渠道的輸水流量，降低水流的弗勞德數Fr，在冰期運行過程中，通過閘前常水位的運行控制方式，保證冰蓋的穩定和渠道的安全。在工況設計時，我們根據節制閘前可能抬高的水位，將各節制閘前的控制水位確定在低于當前渠道襯砌頂高程0.5 m的位置。

根據冰花在冰蓋前下潛的弗勞德數Fr=0.09，由Fr=V/gh以及明渠均勻流公式，經過計算，采用冰蓋下輸水模式的最大輸水流量為10 m3/s，而且在計算的過程中假定輸水沿線各分水口不分水。

3 冰蓋下輸水的可行性分析

3.1 冰蓋下輸水的能力

由于本工程渠道為寬淺型，渠道內水位閘前允許抬高的水位有限，為了降低Fr，冬季冰期輸水能力將大大降低，輸水流量為10 m3/s。

在不采取任何保溫措施的情況下，平原明渠44+955斷面流量和冰厚隨時間變化曲線分別見圖1、圖2。從圖1、圖2中可見，隨著渠道冰蓋的生成，輸水阻力增加，輸水流量減小。當冰蓋穩定以后，冰蓋糙率逐漸減小，輸水阻力隨之減小，輸水流量緩慢增加。

圖1 平原明渠44+955斷面流量變化

圖2 平原明渠44+955斷面冰厚變化

3.2 冰蓋下輸水的可行性分析

根據前面的數值模擬研究發現，本工程采用冰蓋下輸水存在如下幾個問題：

（1）由于渠道底坡相對較大，且渠池很長（最長渠池約29 km），各渠池上游水流弗勞德數一般大于0.09。因此不斷產生的冰花向下游輸運，極易導致懸冰壩的產生，嚴重時阻塞水流，使得渠段上游水位抬高，下游輸水中斷。

（2）本輸水渠道水流弗勞德數相對較大，冰蓋只能以水力加厚的形式向上游發展，因此冰蓋形成的很慢，不能滿足冰期盡快形成冰蓋的要求。當春季來臨氣溫回升，上游的冰蓋將會很快融化，而下游冰蓋仍有較大的冰厚。上游冰蓋融化使得渠道上游輸水阻力減小，使得渠段向下的輸水流量快速增加，嚴重時水鼓冰裂，破碎的冰塊向下輸運的過程中破壞渠道和下游冰蓋，最終導致冰壩災害。

（3）輸水工程沿線的最大冰蓋厚度達1.4 m。冰水力學理論是以浮動冰蓋的假設為理論基礎的，即冰蓋是浮于水面的，在冰蓋從渠道下游向上游推進的過程中，冰蓋與水位一起抬升。由于本工程冰期輸水流量小，渠段上游的水深也較小，如果冰蓋與堤岸完全凍結，使得冰蓋不能隨水位浮動，那么整個渠道斷面將凍結而喪失輸水能力。

（4）渠道的凍脹破壞是渠道冬季輸水破壞的主要原因之一。例如：南水北調中線工程是按照冰蓋下輸水而設計的，渠道在設計階段已經考慮了凍脹的影響，但是中線干渠京石段在2008-2012年冬季臨時供水時，仍然在局部渠段出現了渠道襯砌的凍脹破壞。

4 結語

由于本工程處于高寒地區，若冬季按照冰蓋下輸水的方式運行，輸水流量小，運行控制難度大，且渠池內冰蓋不能同時消融，容易導致冰塞和冰壩等危害的發生。因此不建議進行冬季結冰蓋輸水。