南運(yùn)河冬季輸水冰情及對(duì)策研究

邊昱丞

（河北省南運(yùn)河河務(wù)中心，河北 滄州 061000）

冰期輸水安全問(wèn)題是北方缺水地區(qū)引調(diào)水工作中一個(gè)非常重要的問(wèn)題，冰期輸水期間出現(xiàn)的一系列冰情現(xiàn)象對(duì)河道及水工建筑物都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。對(duì)冰情變化規(guī)律進(jìn)行了解和掌握，采取各種防冰、除冰措施來(lái)保障冬季輸水期間工程的安全運(yùn)行勢(shì)在必行。近年來(lái)，南運(yùn)河基本實(shí)現(xiàn)常態(tài)化引水，南水北調(diào)東線北延2022—2023 年度調(diào)水工作更是北延工程常態(tài)化供水以來(lái)首次實(shí)施冬季調(diào)水，調(diào)水量及調(diào)水時(shí)長(zhǎng)均創(chuàng)歷史新高。借此機(jī)會(huì)，對(duì)引水期間出現(xiàn)的各種冰情現(xiàn)象以及相應(yīng)的對(duì)策進(jìn)行研究，為今后南運(yùn)河冰期輸水的安全措施提供參考。

1 南運(yùn)河概況

南運(yùn)河為南水北調(diào)東線一期北延應(yīng)急供水工程河北段的總干渠，引江水自東平湖穿黃河后經(jīng)小運(yùn)河、邱屯樞紐、六分干、七一六五河至穿漳衛(wèi)新河倒虹吸進(jìn)入南運(yùn)河，直至天津九宣閘，自穿黃出口至天津九宣閘線路全長(zhǎng)450.6 km，引水線路示意如圖1所示。南運(yùn)河位于北緯37°28′～39°10′，屬溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季干燥寒冷，多年平均氣溫為12.7℃左右，每年最低氣溫多發(fā)生在1、2 月，極值達(dá)-20℃，晝夜溫差大，相差在10℃左右。南運(yùn)河平均每年封凍期有56 d，封凍平均日期為12月26日，開(kāi)河平均日期為2月20日。

圖1 南水北調(diào)東線一期北延應(yīng)急供水線路示意

2 2022—2023年度冬季輸水冰情概況

河流冰情按照形成和消融過(guò)程分為3 個(gè)階段，即流冰期、封凍期、解凍期。2022—2023 年度南水北調(diào)東線一期北延應(yīng)急調(diào)水期間南運(yùn)河沿線氣溫和水溫變化，如圖2所示。

圖2 2022—2023年度調(diào)水期間北陳屯測(cè)站溫度變化

2.1 流冰期

2.1.1 初生岸冰

統(tǒng)計(jì)分析安陵、北陳屯測(cè)站觀測(cè)資料可知，12月15—16 日基本進(jìn)入初生冰時(shí)段，該時(shí)段平均高溫0℃，平均低溫-12.5℃，晝夜溫差平均12.5℃。2022年12月15日極端高溫達(dá)到1℃，2022年12月16日極端低溫達(dá)到-14℃，最大溫差15℃。岸冰的形狀為薄而透明的冰層，隨著水流和風(fēng)的作用固定在岸邊，厚度2～8 mm，質(zhì)地較疏松，從岸邊脫離后在河道水體中逐步消融，不會(huì)對(duì)水工建筑物產(chǎn)生影響。

2.1.2 固定岸冰

固定岸冰為12 月16 日氣溫開(kāi)始逐步下降后由初生岸冰發(fā)展而來(lái)的。12 月15 日11 時(shí)北陳屯測(cè)站氣溫為-3℃，17 日11 時(shí)氣溫已降至-12℃，隨著氣溫的極速下降，南運(yùn)河沿岸出現(xiàn)固定岸冰，其寬度、厚度隨著氣溫的下降而增加，直至形成封河冰蓋。在水流較急的河流或河段，固定岸冰常常保持于整個(gè)封凍期，達(dá)到較大厚度的初生岸冰，若河水冷卻較快，厚度和寬度迅速增長(zhǎng)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，固定岸冰的厚度變化最大值為0.04 m/d，寬度變化最大值為5.5 m/d。

2.1.3 水內(nèi)冰

水內(nèi)冰是冰期的主要冰情現(xiàn)象，結(jié)于河底或河中物體上。發(fā)生岸冰的同時(shí)，在敞露的水面若流速降低并存在低于0℃的過(guò)冷水，便會(huì)產(chǎn)生冰晶體，多為海綿狀多孔而不透明的冰體。在河底附著的稱為底冰或錨冰，懸浮狀態(tài)的冰屑稱為冰花。縱向看，由于河道水面成冰后水溫在水深方向由河面至河底表現(xiàn)為逐步遞增的分布規(guī)律，水內(nèi)冰的數(shù)量由河面向河底遞減；橫向看，水內(nèi)冰表現(xiàn)為河中心處最大、岸邊最小，從深泓線至岸邊為逐漸遞減的變化趨勢(shì)。

分析水內(nèi)冰產(chǎn)生的規(guī)律得知，水內(nèi)冰在南運(yùn)河彎道及水工建筑物等處會(huì)產(chǎn)生很大影響，由于這些地方河道的束窄，使其大量聚集，堵塞過(guò)水?dāng)嗝妫斐缮嫌嗡簧蠞q，形成漫堤甚至決口。

2.2 封凍期

分析安陵、北陳屯測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，2022 年12月31日—2023年1月3日基本進(jìn)入封凍期。在南運(yùn)河沿岸大部分出現(xiàn)岸冰的情況下，11：00 測(cè)站平均氣溫為-6.75℃且平均水溫為0.1℃，流量及水位基本穩(wěn)定，日間氣溫連續(xù)保持在0℃以下，日平均水溫接近0℃，河道水面冰蓋面積達(dá)到總面積的80%[1]。

此次輸水過(guò)程中北陳屯節(jié)制閘至流河節(jié)制閘河段水面較早形成穩(wěn)定的冰蓋，封凍形式為平封。冰蓋的厚度受氣溫和水溫的變化而增減，南運(yùn)河彎道較多，河槽寬而淺，彎道凸岸處冰蓋較順直段厚1～3 cm，冰蓋穩(wěn)定期深泓線處冰厚值在0.08～0.15 m，兩側(cè)冰厚值在0.15～0.25 m。

2.3 解凍期

分析安陵測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，2023 年2 月5—6日基本進(jìn)入解凍期，11：00測(cè)站平均氣溫為1.45℃且平均水溫為4.2℃，并為持續(xù)上升趨勢(shì)。滄州市區(qū)以南段河道已無(wú)冰蓋或只存在少量岸冰，敞露水面面積已超過(guò)河段總面積的80%。

南運(yùn)河解凍期是以熱力作用為主形成的融冰開(kāi)河，當(dāng)日平均氣溫升至0℃以上，日照和輻射熱增強(qiáng)，水溫升高，封凍自上而下開(kāi)始融解，冰質(zhì)減弱。此次輸水上游來(lái)水流量不大、水熱比較平穩(wěn)，全河段逐段解凍開(kāi)河，冰水安全下泄，未出現(xiàn)流冰、冰塞等情況。

2.4 冰期過(guò)流能力分析

將本次冬季輸水水位及流量數(shù)據(jù)同2022 年上半年無(wú)冰蓋輸水的數(shù)據(jù)對(duì)比得知，相同流量條件下，冰蓋下輸水時(shí)水位會(huì)升高1.9%～5.4%；相同水位條件下，冰蓋下輸水時(shí)流量會(huì)降低27%～31%，具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1—2。

表1 相同流量條件下輸水水位對(duì)比

表2 相同水位條件下輸水流量對(duì)比

2.5 冰期特點(diǎn)綜述

分析安陵、北陳屯測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)得知，本次冬季輸水期間的冰情特點(diǎn)如下。

（1）降溫快，成冰過(guò)程短[2]。自2022年12月15—17 日，日間11：00 氣溫自-3℃驟降至-12℃，各水閘及橋梁附近大部分封凍并向上游延伸，河道岸冰生成迅速，河水表面形成不連續(xù)的大面積薄冰。

（2）封凍期，河面冰蓋形成下游早于上游；解凍時(shí)，冰蓋的消融上游早于下游，冰蓋厚度為下游厚、上游薄。2022 年12 月26 日，北陳屯閘下游至流河閘河段已經(jīng)完全形成穩(wěn)定的冰蓋，此時(shí)上游安陵閘至楊圈閘段河道仍為不連續(xù)冰蓋及岸冰。

（3）整個(gè)冰期輸水過(guò)程大部分為冰蓋下輸水，河道水面形成穩(wěn)定冰蓋后，冰情基本無(wú)變化。冰蓋形成后，封凍河段大約占輸水總河道的80%左右，其余未封河段多為清溝，少數(shù)為敞露的河面。有的河段自始至終未封凍，清溝內(nèi)流冰花很少或沒(méi)有，氣溫持續(xù)下降時(shí)稍有增加，整個(gè)輸水過(guò)程中冰蓋保持完整，有塌陷裂縫，但破碎隨水流漂移的現(xiàn)象較少。

（4）此次冰期輸水流冰期主要冰情現(xiàn)象為流冰花、流冰團(tuán)，流冰塊較少[2]，未發(fā)生冰塞、冰壩等現(xiàn)象，這與流冰期較短有關(guān)。流冰密度多為稀疏流冰，少數(shù)中度流冰，無(wú)密集流冰。

（5）冰蓋對(duì)河道的過(guò)流能力會(huì)產(chǎn)生較大影響，相同流量條件下，冰蓋下輸水時(shí)水位相對(duì)暢流期會(huì)升高1.9%～5.4%；相同水位條件下，冰蓋下輸水時(shí)流量相對(duì)無(wú)冰蓋時(shí)會(huì)降低27%～31%。

3 冰期輸水相關(guān)措施

2022—2023 年度南水北調(diào)東線一期北延應(yīng)急調(diào)水河北段冰期采用冰蓋下過(guò)水的方式，冰蓋的生成方式為平封，冰期輸水劃分為目標(biāo)水位生成階段、流冰階段、冰蓋形成階段、冰蓋下輸水階段、融冰階段。

3.1 調(diào)度措施

冰期運(yùn)行控制宜采取閘前常水位控制方式，適當(dāng)提高閘前水位，防止流冰對(duì)閘門造成卡阻。閘門調(diào)整頻率基本與正常運(yùn)行閘門調(diào)整頻率一致，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)加密，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冰期目標(biāo)水位的控制。在冰蓋形成期間，宜采用低流速且穩(wěn)定的流量，盡量不改變過(guò)水流量，有必要改變時(shí)，水位日變幅應(yīng)不超過(guò)冰蓋穩(wěn)定的允許范圍：1 d之內(nèi)水位上浮應(yīng)控制在10 cm之內(nèi)，水位下降應(yīng)控制在5 cm之內(nèi)。

3.2 巡查管護(hù)

工程技術(shù)人員冰期運(yùn)行前要對(duì)工程各部位進(jìn)行全面檢查，冰期運(yùn)行期間要增加對(duì)工程的檢查頻率，應(yīng)著重檢查防凍措施和冰凌壓力對(duì)建筑物的影響；冰期巡查應(yīng)每日對(duì)水溫、氣溫、冰情進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，同時(shí)加大堤防和引水口門巡查力度，密切關(guān)注各轄段的水位及壅冰情況，一旦有險(xiǎn)情，及時(shí)預(yù)警；定期進(jìn)行人工破冰作業(yè)，打開(kāi)通道疏冰，重點(diǎn)放在易卡冰阻水的橋、閘、涵等建筑物及彎道處；節(jié)制閘、檢修閘以及防冰除冰設(shè)施應(yīng)處于正常待命狀態(tài)，如有必要?jiǎng)t進(jìn)行破冰作業(yè)，以保證工程的運(yùn)行安全。

3.3 防、破冰措施

3.3.1 水閘防冰措施

嚴(yán)寒冰凍期間應(yīng)采取有效的防凍措施，防止建筑物及閘門受冰壓力作用而損壞。其中，節(jié)制閘、檢修閘、退水閘等控制性建筑物為重點(diǎn)防冰對(duì)象，防冰措施包括以下方面。

（1）在閘門預(yù)埋件處加裝超導(dǎo)液加熱融冰裝置，可在閘門啟閉前后解冰作業(yè)，從而保證閘門冬季正常工作。

（2）在閘前安裝水泵射流裝置、壓縮空氣吹泡裝置等擾冰設(shè)備，可以有效阻止閘門面板前水體結(jié)冰。

（3）在重要建筑物及閘涵處采用前方防護(hù)和局部加固辦法如設(shè)置攔冰索、防凌排或破碎大塊流冰等措施減輕撞擊破壞。

冰凍期間啟閉閘門前應(yīng)采取措施，消除閘門周邊和運(yùn)轉(zhuǎn)部位的凍結(jié)，可以采用高壓水槍對(duì)閘門冰封處的冰塊進(jìn)行高壓水沖洗或者利用吊車、吊籃、噴燈、消防斧、鋼釬、十字鎬等打冰工具進(jìn)行人工打冰作業(yè)。

3.3.2 河道破冰措施

冰塞主要發(fā)生在封凍階段，冰期輸水應(yīng)加強(qiáng)河道巡查，及時(shí)掌握冰情，當(dāng)河道中冰凌堆積、可能堵塞河道時(shí)，立即組織力量破除，并布置防守，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)搶護(hù)，避免冰災(zāi)發(fā)展。既可以采用破冰工具進(jìn)行破冰作業(yè)或撒土融冰，又可以利用沙土、草木灰等較深色的物質(zhì)撒在冰面上吸收日照熱能促使其融解。

冰壩主要發(fā)生在融冰階段，可在利用退水閘降低壩前水位后采用破冰船或炸藥爆破破冰。

3.3.3 渡槽防凍脹措施

南水北調(diào)東線一期北延應(yīng)急調(diào)水南運(yùn)河段線路上的渡槽工程有子牙新河穿運(yùn)渡槽、北排河穿運(yùn)渡槽。冰期渡槽U 形槽內(nèi)結(jié)冰后，冰面產(chǎn)生的凍脹張力會(huì)對(duì)工程產(chǎn)生一定影響，需要進(jìn)行破冰作業(yè)。

待U 形槽內(nèi)形成穩(wěn)定冰蓋后，利用鋼釬、十字鎬、破冰鋸等工具在其中部冰面開(kāi)鑿出1～1.5 m 寬的溝槽，消除冰面張力，并人工每日打撈出溝槽內(nèi)新形成的冰凌，防止其重新結(jié)冰。

4 確保冰期輸水安全的建議

（1）對(duì)沿線旁開(kāi)閘后的引渠進(jìn)行清淤整治，尤其是作為安全應(yīng)急口門的旁開(kāi)閘。雖然近2 a 南運(yùn)河全段河道已進(jìn)行了清淤整治，但沿線的分水口門后的引水渠道仍存在淤積嚴(yán)重的情況，致使冰期引水不暢，容易在旁開(kāi)閘附近形成卡阻。

（2）做好冰情預(yù)報(bào)工作。在冰期各階段，調(diào)度單位應(yīng)加強(qiáng)同水文、氣象部門的聯(lián)動(dòng)，及時(shí)掌握輸水沿線實(shí)時(shí)信息，根據(jù)預(yù)判調(diào)配水量，保證冰期輸水在一個(gè)穩(wěn)定的水位下進(jìn)行。

（3）采用加高堤防或在壅冰險(xiǎn)工段設(shè)置溢冰道等工程措施[3]，提高冰期輸水能力。溢冰道類似于水庫(kù)的溢洪道，其渠底應(yīng)高于河底，并設(shè)置閘門，平時(shí)將閘門關(guān)閉，壅冰時(shí)提開(kāi)閘門，將流冰引入溢冰道，減少險(xiǎn)工段的壅冰。

（4）持續(xù)進(jìn)行冰情的觀測(cè)工作，研究冰情對(duì)河道輸水的影響以及冰蓋凍脹力對(duì)水工建筑物的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

鑒于南運(yùn)河冰期輸水較少、對(duì)冬季河道輸水冰情特點(diǎn)了解有限的實(shí)際，本文對(duì)2022—2023 年度南水北調(diào)東線一期北延應(yīng)急調(diào)水首次冬季供水期間的冰情特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對(duì)冰期輸水安全措施進(jìn)行了探究。綜上，只要做好冰期輸水的冰情預(yù)報(bào)，在掌握南運(yùn)河冬季實(shí)際輸水能力的前提下對(duì)水資源進(jìn)行合理調(diào)配，加上完善的防冰措施，未來(lái)南水北調(diào)東線一期北延應(yīng)急調(diào)水南運(yùn)河段的冰期輸水工作將會(huì)更加順利的開(kāi)展。