南水北調中線北拒馬河節制閘2020年~2021年冬季冰期輸水成果分析

梁萬平，劉宏東

（南水北調惠南莊管理處,北京 102407）

北拒馬河暗渠工程位于河北省涿州市東城坊鎮西疃村、北京市房山區大石窩鎮南河村及惠南莊村,是南水北調中線干線工程穿越北拒馬河中支、北支的大型交叉建筑物。北拒馬河暗渠節制閘工程上游與南水北調淶涿段明渠相接,下游為暗渠工程,工程為1 等工程,設計流量50 m3/s,加大流量60 m3/s。總干渠正常運行時,節制閘控制開啟孔數或開度,保證渠道以正常水位運行,并滿足上游分水口的供水要求,惠南莊泵站突然停機時,開啟退水閘的同時,迅速關閉進口節制閘。泵站及暗渠一孔檢修時,節制閘可一孔過水,一孔擋水。節制閘包括工作閘門和檢修閘門,工作閘門選用露頂式弧形鋼閘門，門高4.7 m,用液壓啟閉機啟閉;檢修門選用浮箱疊梁,電動葫蘆起吊。工作門及檢修門均為正向單側擋水,擋水水頭4.4 m.節制閘最高擋水位為61.39 m,最高運行水位為61.35 m。

北拒馬河暗渠節制閘起止樁號BH0+038.30 m~0+095.0 m,全長56.7 m。上游進口翼墻為懸臂式橢圓形鋼筋混凝土結構,長20.9 m。閘室為整體平底板開敞式,起止樁號BHO+059.20 m~0+079.000 m，長19.8 m；閘室為2 孔,每孔寬5.6 m；底板頂高程為57.00 m,底板厚1.2 m,中墩厚1.5 m,邊墩厚1.2 m,閘室總寬15.1 m。閘室前段墩頂高程63.00 m,后段墩頂高程64.00 m。墩頂高程63.00 m 段長8.55 m,布置攔污柵及抓斗式全自動清污機、檢修疊梁門,檢修門處閘墩上部設一層封閉閘房,檢修閘房上游側設寬1.68 m 工作橋。墩頂高程64.00 m段長11.25 m,主要布置工作弧門,下游端布置工作門液壓啟閉機泵站,閘后漸變連接段,樁號BH0+079.00-0+095 m,長16 m,為鋼筋混凝土箱形結構,2 孔,每孔寬5.6 m,高5 m.底板厚0.8 m,邊墻厚0.8 m,頂板0.8 m,中隔墻厚由1.1 m 漸變為0.6 m。翼墻、閘室及閘后連接段均為C30F150W6 鋼筋混凝土結構。縫間設二道止水。

南水北調中線北拒馬河節制閘冰期輸水時間為12 月初至次年2 月底,通過本次冰期輸水,總結出了冰期輸水現場管理工作的基本特點,梳理了現場管理工作思路。受地理位置、氣象條件和工程特征影響,北拒馬河暗渠進口段每年冬季出現不同的冰情,根據多年觀測數據,冬季冰蓋持續時間最長約50 天,冰厚最大為30 cm。北拒馬河暗渠位于南水北調中線干線工程明渠段末端,暗渠下游直接連接惠南莊泵站,因此研究該渠段冬季冰情發展,對提高中線冬季向北京供水保障率具有重要意義和價值。

1 水力調度參數與氣象條件

（1）水力觀測

根據中線2020年~2021年冬季冰期輸水方案要求,北拒馬河暗渠節制閘于2020年12 月1 日開始逐漸降低至冬季冰期輸水流量,輸水流量22.5 m3/s~23.5 m3/s,閘前水深3.68 m~3.89 m,平均流速0.36 m/s~0.38 m/s,Froude 數為0.059~0.063,整個冬季北拒馬河節制閘輸水流量基本穩定,閘前冰情發展對閘前運行調度有一定影響,水位波動0.2 m,整體運行安全。

水溫是影響冰情發展重要因素,北拒馬河節制閘水尺斷面水溫過程見圖1,水溫變化階段分三個過程,第一個階段為水溫下降階段,2020年12 月以后水溫由8.8℃逐漸下降,2021年1 月4 日水溫逐漸降至1℃；第二個階段,2021年1 月5 日至15 日,水溫低于1℃,并且在0℃附近持續一段時間,該階段冰情最嚴重；第三個階段,1 月16 日后,水溫逐漸回升,節制閘前冰情逐漸消失,截止2 月7 日閘前水溫升至4.70℃。

圖1 2020年~ 2021年冬季北拒馬河暗渠節制閘水溫過程曲線

（2） 氣象觀測

根據北拒馬河節制閘附近自動化氣象站觀測數據分析,該冬季北拒馬河節制閘附近2020年12 月1 日前日平均氣溫穩定轉負,2021年2 月17 日氣溫穩定轉正,負積溫約-235℃,實測最低氣溫-22.9℃,為中線全線通水以來實測最低氣溫值,見圖2。

圖2 2020年~2021年冬季氣溫過程曲線

根據觀測,2021年1 月6 日～1 月8 日中線京津冀工程段出現大風降溫過程,保定市的保定氣象站、雄縣氣象站、順平氣象站創造建站以來的最低氣溫值,其他氣象站接近建站以來最低氣溫值。2020年12 月1 日至1 月10 日積累負積溫-177℃,為保定站1968年以來同期累積負積溫序列第二。劇烈的強降溫過程促使冰情迅速發展。

圖3 全線正式通水以來典型冬季氣溫變化曲線

圖4 保定市各氣象站2021年1 月6 日~8 日氣溫最低值與各站建站以來最低值對比（保定、雄縣、順平站創造建站以來最低氣溫值）

2 2020年~2021年基本冰情

受地理位置、氣候條件及工程布置影響,北拒馬河暗渠渠段為中線干線冬季冰期輸水重點監測渠段。該冬季冰期從2020年12 月14 日開始,2 月5 日結束,冰期歷時54 天,閘前封凍時間為10 天,最大冰厚為15 cm。整個冬季冰期發展分為3 個階段,結冰期、封凍期及開河期,不同階段出現不同冰情。

2.1 結冰期

結冰期主要冰情為岸冰、流冰。

2020年12 月14 日北拒馬河暗渠進口開始出現岸冰,開始出現岸冰的氣溫-12℃,水溫3.5℃,渠道岸邊流速為0.25 m/s,早期岸冰沿渠道邊緣呈條帶狀,伸向水面的一側呈鋸齒狀,隨著白天氣溫回升,岸冰與渠道邊坡融化脫離,岸冰出現預示該冬季總干渠開始進入冰期。

隨著氣溫、水溫降低,渠道開始出現流冰，12 月31 日,北拒馬河渠段出現寒潮降溫,最低氣溫-13℃,水溫降至1.3℃,暗渠進口渠段開始出現零星稀疏流冰,流冰厚度小于0.5 mm。2021年1 月6 日~8 日,中線工程出現大范圍的寒潮強降溫過程,最低氣溫-22.9℃,水溫從0.5℃降至0℃附近,北拒馬河暗渠進口出現大量流冰,流冰呈表面流冰層狀,鋪滿整個渠道斷面,流冰厚度為4 mm~6 mm,1 月6 日晚上,大量流冰在暗渠進口導冰索前堆積,形成初始冰蓋,然后繼續發展,1 月8 日,暗渠進口冰蓋長度約250 m。

2.2 封凍期

封凍期主要冰情為冰蓋厚度發展。1 月6 日大量流冰堆積促使暗渠進口冰蓋形成。1 月7 日,暗渠進口冰蓋長約230 m,冰蓋厚度為4.5 cm 左右,封凍期冰蓋厚度發展迅速,1 月12 日冰蓋最大厚度為15 cm,隨后氣溫回暖,冰厚開始保持不變,1 月14 日隨著氣溫回暖,冰蓋厚度快速減小,渠道進入開河期。

圖7 北拒馬河測站冰厚發展過程

2.3 開河期

開河期主要冰情為開河流冰。1 月16 日,隨著氣溫回暖和上游高溫來流的影響,北拒馬河暗渠進口渠段開河進入開河期,開河期冰蓋融化迅速,該暗渠封凍段冰蓋2 天內全部開敞,僅有兩岸剩余岸冰,暗渠進口冰蓋完全開河。

在開河期,水溫是誘發開河的主要因素,1 月14 日水溫由0℃逐漸回升至0.2℃,冰厚厚度保持不變,1 月16 日后,上游高溫來流進入該渠段,該渠段水溫快速升值0.5℃,促使暗渠進口冰蓋當日開河。

根據2020年~2021年冬季冰期輸水觀測,北拒馬河暗渠進口冰情具有發展速度快,持續時間短的特點,發展速度快表現為形成冰蓋速度快,冰厚發展速度快,開河期冰蓋融化速度快。強降溫寒潮和水溫是影響該冬季冰情發展的主要因素。

3 冰情危害及應對措施

3.1 冰情危害

受2021年1 月6 日~8 日寒潮強降溫影響,該冬季北拒馬河暗渠進口冰情發展迅猛,對北拒馬河節制閘渠段冬季冰期安全運行帶來一定威脅,主要包括：

（1）流冰堵塞節制閘前攔污柵,1 月6 日晚,北拒馬河暗渠上游渠道形成的大量流冰,部分流冰穿過導冰索,運動至節制閘進口的攔污柵前,存在堵塞攔污柵孔,影響渠道輸水流量的可能性,為保障正常供水,按照先前安排,晝夜加強人工撈冰力度,避免大流量流冰在攔污柵前堆積,保證正常供水。

（2）冰情發展速度快,影響節制閘前水位波動,1 月8 日,隨著上游冰情發展,冰蓋長度增加,北拒馬河暗渠進口水位下降約20 cm,影響泵站向北京自流供水流量。根據現場冰情觀測,分析出影響節制閘前水位下降原因,主要為渠道上游至北拒馬河暗渠進口渠段大流量流冰下潛堆積,侵占過流面積,影響了渠道過流條件,導致渠道輸水能力瞬間變化。然后經過評估冰情發展對水位的最大影響程度,加強了現場水位觀測頻次,隨著冰情發展的穩定,水位逐漸恢復正常,供水基本得到保證。

（3）流量計和水溫儀器顯示讀數出現異常,暗渠進口出現冰蓋封凍后,暗渠節制閘的流量讀數升高,水溫讀數失靈。結合現場冰情觀測分析,閘前流量計測量斷面流量的物理過程,不能滿足冰蓋條件下流態現象,同時水溫不能顯示0.2℃以下的溫度。經分析討論后,采取了多個措施,加強節制閘前水位觀測,采用PCCP 管的流量設備指導節制閘調度,增加人工水溫觀測手段,實時掌握閘前渠段水溫,保證冬季冰情觀測和工程安全運行。

3.2 應對防護措施

本年度冬季冰期輸水準備工作從11 月開始,12 月初完成了冰期輸水人防措施、物防措施、技防措施、組織保障措施的準備工作。

（1）人防措施

管理處成立了以處長為組長的冰期輸水工作小組,工作小組下設辦公室,負責組織協調各科及其他單位開展冰期輸水日常工作。管理處人員對北拒馬河節制閘開展不定期巡視檢查。非工作日有3 人負責晝夜應急值班。

北拒馬河節制閘現場,增加了應急隊伍駐防人員4 名（2020年12 月1 日至2021年2 月28 日）,每天負責對節制閘前進行巡視。項目部人員5 名,駐西疃村隨時待命。

維護隊伍共8 人晝夜值班。采取三班兩倒方式,每班3 人,常白班1 人。

（2）物防措施

北拒馬河暗渠渠首設置有導冰索1 套、曝氣裝置1 套（2 臺空壓機）、攔污柵1 套、排冰閘1 臺、可加熱高溫高壓水槍2 臺、清污機2 臺、電動式多瓣液壓抓斗1 臺、冰釬和冰耙4 個、閘孔保溫設施2 套。

（3） 技防措施

冰期輸水前,對北拒導冰索進行檢查、維護,并安裝于北拒節制閘攔污柵前。

對北拒曝氣裝置進行檢查、維護和試運行,確保空壓機運行正常,輸氣管路暢通,根據上級指令和結合實際情況,曝氣裝置投入運行。

攔污柵出現冰凌、浮冰時,利用清污機和可加熱高溫水槍對攔污柵前冰塊融化和清理,同時利用冰釬、冰耙進行清理。

導冰索上游出現大面積浮冰時,利用電動式多瓣液壓抓斗作為應急破冰、撈冰工具,可將渠道內較大的冰塊破碎打撈,開啟排冰閘,進行排冰處理。

出現低溫天氣時,投入運行閘控的保溫工業門,確保節制閘室內機電設備運行正常。

每日采集轄區冰情信息：過閘流速、閘控水溫、最高氣溫、最低氣溫、節制閘前后結冰情況、全段結冰情況等并匯總編輯形成冰期輸水冰情日報,每日8:00 前上報分調中心。

每日關注南水北調中線干線工程冬季輸水冰情觀測云平臺網站和南水北調冬季冰情微信公眾號及時獲取有關冰情信息,分析未來幾天冰情發展趨勢,為管理處開展預防和應急處置工作做好準備。

（4） 組織保障措施

入冬前,對防冰凍設備進行全面檢查,確保能夠隨時投入使用。

編制和印發了《惠南莊管理處冰凍災害應急處置方案》,明確了相關職責和處置措施。

針對管理處冰期輸水風險點、防控重點部位以及冰凍災害應急處置程序,組織運行維護單位、應急搶險隊伍、保安公司等開展了冰期輸水應急培訓。

2020年11 月23 日,在北拒馬河節制閘前組織開展了突發冰塞事故應急演練,提高管理處、應急搶險隊伍等冰凍災害的應急處置能力。

管理處組織梳理冰期輸水防控風險點和應急搶險設備工作位置,設置了冰期輸水展板。

4 結論與建議

根據2020年~2021年冬季冰期調度運行及冰情觀測,積累了北拒馬河暗渠進口渠段氣象、水力調度、冰情特征數據,掌握了岸冰、流冰、冰蓋發展基本規律,針對北拒馬河暗渠進口工程特征,總結了一套冬季冰情輸水的管理、調度、應急處置措施,有利于指導南水北調中線干線典型節制閘冬季冰期安全運行管理。針對冬季運行存在問題,建議加強統籌調度、工程、應急、管理、科研多方合作,建立高效的冰期輸水應急管理體系。增加冰情觀測專用設備,提高水溫、冰厚等觀測自動化水平,加強冬季冰期輸水數據整理分析,完善中線水溫、冰情預報預警系統。