浅议南水北调中线京石段工程冰期输水技术

赵嘉诚　韩黎明　王术国

摘要:南水北调中线引丹江口水库水量至北京、天津市。沿线渠道经过北方寒冷地区,渠道水体会发生结冰现象。目前,冰期输水运行是长距离渠道输水运行调度的难点,仍处于研究探索阶段。特别针对南水北调中线总干渠的冰期输水调度,至今尚未形成成熟的技术成果。2008年为缓解北京水资源紧缺状况,利用南水北调中线京石段工程临时从河北省向北京供水。本次供水经历了冰期输水阶段,并成功地实现了冰期安全输水的目标,积累了宝贵的冰期输水的调度经验,对冰期输水的调度研究有很好的借鉴作用。

关键词:南水北调中线;冰期输水;调度运行

中图分类号:TV68;TV875文献标识码:A 文章编号:1672-1683(2009)05-0037-03

Technologies of Operation on Beijing-Shijiazhuang Section of Middle Route Project

of South-to-North Water Diversion in Ice Period

ZHAO Jia-cheng1,HAN Li-ming2,WANG Shu-guo3

(1.Jiaodong Water Transfer Bureau,Shandong Province,Weifang 261061,China;

2.Construction and Administration Bureau of Middle Route Project of the South-to-North Water Diversion,Beijing 100038,China;

3.Shandong Haobo Water Conservancy Construction Co.,Ltd,Weifang 261031,China)

Abstract: The Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project will divert water from Danjiangkou Reservoir on the Han River (a branch of the Yangtze River) to Beijing and Tianjin.As for the operation of the Project during ice period,there is no satisfactory result yet.In 2008,there was water shortage in Beijing.Since part of the Project (from Shijiazhuang to Beijing) was completed,the canal was operated to transfer water of 3 billion m3 from Hebei province to Beijing.During ice period,after careful preparation,several measures were adopted for the successful water transfer.Finally the Project was operated safely and smoothly.This paper introduces the experiences of the operation of the water diversion during ice period at this time,which can be a reference for the further research on ice period water diversion.

Key words: Middle Route Project of South-to-North Water Diversion;ice period;operation

1 引言

2008年9月18日,南水北调中线京石段应急供水工程开始通水。本次向北京应急供水是从河北省岗南水库、黄壁庄水库、王快水库三座水库累计引水3亿m3,以缓解北京市的缺水状况。这是南水北调中线京石段建成后的首次通水运行。

南水北调中线京石段应急供水工程,从河北的石家庄到北京的团城湖,渠道全长307 km,其中河北段为明渠,长227 km;北京段为暗渠,长80 km,北拒马河暗渠渠首闸是明暗渠交界点。该段工程是南水北调中线工程的末段,2008年4月份建成并具备通水条件。

由于是第一次调水运行,运行管理人员面临许多技术难题。其中一个最大的难题就是进入冬季输水后,如何防止冰塞、冰坝的发生,做到安全输水。冰期输水期间防止重点部位结冰,是保证工程安全和顺利输水的关键。作为长距离输水重点和难点,冰期输水时如果调度不慎,极易发生冰塞、冰坝现象,轻则影响过水流量,重则导致输水中断。目前虽然许多科研人员对冰期输水技术进行研究,但至今尚未形成成熟的技术[1-4]。然而,京石段临时通水冰期输水的成功运行为今后的研究提供了宝贵的实践经验。本文从组织和技术方面介绍南水北调中线工程运行调度人员是如何解决冰期输水难题的。

2 京石段冰期水流状态要求及输水阶段划分

2.1 冰期水流状态要求

冰期输水运行期间,为使流冰形成、冰盖形成和冰盖下输水等各阶段的流态在理想状态下运行,防止冰塞、冰坝及其他破坏性冰害发生,需要对水流状态、水位进行严格控制。

2.1.1 水位

在进入冰期运行前必须把沿程水位由较低的目标水位抬升至冰期目标水位,以增加过水断面面积。在冰期输水运行中,使此目标水位基本保持不变。

2.1.2 流量

冰期输水尽可能在小流量条件下运行,本次冰期入京流量约为9 m3/s,目标流量需要在进入冰期前调整到位,并保持不变。

2.1.3 其他要素

渠道水流流速控制在0.30 m/s以下;渠道内水流的弗汝德数控制在0.06以下,建筑物进口收缩断面控制在0.08以下;渠道水深控制在2.0 m以上。

2.2 冰期输水阶段划分

根据同地区以往冰情分析,一般情况下,京石段11月中下旬至次年2月中下旬进入冰期,12月中下旬至次年2月上旬为封冻期。根据气象条件和冰盖形成及融化过程,冰期输水大体上可分为冰期目标水位生成阶段、流冰阶段、冰盖形成阶段、冰盖下输水阶段、融冰阶段。不同阶段冰凌对输水建筑物的安全威胁程度不同。

①冰期目标水位生成阶段。总干渠明渠段11座控制闸闸前水位逐步抬升至冰期目标水位的阶段。大体时间为12月上旬至12月中旬。

②流冰阶段。由于气温和水温相对较低,水中含有一定浓度的冰花、冰屑或冰片,甚至冰块,在此期间继续保持向北京输水则为流冰输水。大体时间为12月中旬至12月下旬。

③冰盖形成阶段。随着气温继续下降,总干渠有流冰逐渐形成稳定冰盖的阶段。大体时间12月下旬至次年1月上旬。

④冰盖下输水阶段。形成稳定冰盖后继续保持输水的阶段。大体时间12月下旬至次年2月上旬。

⑤融冰阶段。随着天气转暖,冰盖逐渐融化,在此期间继续保持输水的阶段。大体时间2月中下旬至3月上旬。

3 京石段工程冰期输水技术

3.1 工程措施

①为了使闸门在冰期送水期间不被冻死、启闭灵活,该工程的控制闸除了放水河渡槽进口、岗头隧洞进口和北拒马河暗渠渠首外,其余都是设在建筑物的出口,因为在建筑物进口水流较平稳,若闸门在进口处直接挡冰就容易被冻死。而在出口处水流是紊流,不容易结冰。并且闸门在闸室的封闭状态中,与室外形成两个不同的温度环境。为防止流冰进入倒虹吸,在建筑物进口还设置了胸墙用以挡冰和杂物,输水实践证明,这种措施是有效的。

②京石段应急供水工程所有的节制闸、检修闸、退水闸的防冰冻设施(如闸门槽加热设备)在冰期前完成调试,具备正常运行条件,确保冰期输水时,各闸门开启灵活,避免冰冻影响闸门操作的灵敏度。

在闸门槽内埋设有加热系统。一旦气温降到结冰点,造成门槽冰冻时,可以启动该系统,进行局部加热融冰,防止闸门槽附近结冰。它是在闸门槽里面埋设一套循环油管,在外部加热油,热油在管内循环流动,从而提高闸门槽处的温度,达到融冰的目的。

③设计上还有一个防止闸门被冻住的保证措施,就是在明暗渠交界处,即北拒马河暗渠渠首闸,闸前设有一道拦污栅,这是整个明渠段唯一的一道拦污栅,上游明渠所有的杂物都将被冲到这里拦住,然后由清污机清除。它对保证入京水质、保护下游惠南庄泵站机组的安全运行,起着至关重要的作用。但是在冬季输水时它又是一个安全隐患,因为该拦污栅是设在闸室外的,处在自然环境中,当气温降到结冰的温度时,冲到拦污栅上的杂物就会与拦污栅冻结在一起,护住拦污栅,形成冰塞。所以必须保证拦污栅附近在任何时候都不能结冰,以便清污机的抓斗能随时把拦污栅上的杂物清除掉。该工程采取了两项预防措施。

一是在拦污栅上游约40 m处用铁浮箱做成一道拦冰索,每节铁浮箱的尺寸为长4.2 m、宽1.1 m、高0.85 m,一共6节串联在一起,它的作用是在渠道刚开始结冰时,把上游的浮冰、流冰拦住。

二是在拦污栅前约10 m处,加设了一台养鱼池用的增氧机,它的作用是不停地搅动水面,产生水花和波纹,阻止拦污栅附近结冰,从而保证了清污机能随时下水打捞杂物,在拦污栅前不造成冰塞。在退水闸的前面也安装了一台增氧机,以防退水闸门被冻住,保证在遇到突发事件时能随时提升闸门泄水。

④为防止浮冰阻塞水流通道,在沿线倒虹吸、涵洞、渡槽等建筑物进口适当位置设置拦冰索。沿线的5座临时涵管前也有可靠的拦冰措施。

⑤冰期通水时,用电量大幅度增加,临时供电系统在冰期来临前完成调试,满足冰期通水的用电要求。

⑥冰期现地的运行管理设施、供电通讯设施、管理人员的生活设施均满足越冬要求。

⑦为及时发现和处理冰塞险情,在可能发生冰塞险情的渠段增加值班人员和监测手段,并保障全线退水闸、节制闸的通讯联络畅通。

⑧对下滑严重的控制闸闸门应进行抢修,对下滑较轻的控制闸门及时归位,确保冰期运行期间控制闸门的相对稳定。

3.2 管理措施

科学调度,管理措施跟上。京石段总干渠的建设和运行管理部门对这次输水运行非常重视,通水前做了大量的准备工作;通水运行时科学计算、严格管理、合理调度。还聘请了山东胶东调水局的十多名富有多年调水经验的专家帮助调度运行。严格按照《2008年临时通水运行实施方案》和《调度运行实施细则》进行科学调度,特别是进入冬季后,与当地气象部门建立了气象信息通道,密切关注天气变化和寒潮动态。根据气象变化信息,对渠道冰情及时作出预报,然后根据实际情况,合理制定目标控制水位和流量变化范围,渠道流速控制在0.5 m3/s以下;各倒虹吸进口和临时埋管进口都淹没于水面以下0.2 m。总的原则是“高水位低流量”运行。在冰期目标水位控制的基础上,一天内水位上浮不超过10 cm,下浮不超过5 cm。运行管理人员加强冰盖输水期间闸前闸后水位变化情况监视,密切关注每日10:00时与17:00时的水位变化,通过闸门适当调节,保持上游水位和过闸流量基本稳定。

例如北拒马河暗渠渠首闸,它是在明渠的末尾、暗渠的渠首,在设计上存在一定的缺陷:弧形工作门前没有胸墙,闸室与明渠联通,闸门直接挡冰,而且闸门槽内又无融冰设施。为了防止闸门前结冰,本次冬季输水采取了临时应急措施。

调度指挥单位制订了《南水北调京石段工程冰期输水运行技术要求》,对冰期运行的各项安全措施作了规定,并明确了不同阶段的调度要求,主要内容如下。

①建立冰期输水运行管理责任体系,加强各级运行管理和现地调度值班力量,强化各自责任意识。

②编制冰期输水应急预案,明确在不同的建筑物出现冰塞、冰盖破裂等情况时的应对措施。

③制定冰期输水运行监视制度,预警制度,建立冰期输水运行的监视通道,明确不同气温条件下重点监视部位、频率和要求,特别注意流冰输水及冰盖形成期间的冰情、水情变化。

④对于渠道断面急剧变化部位,如建筑物进口,配置专人和设备捞冰以及预警报告,应保持排冰运输通道畅通。

⑤配备抢险队伍、人工捞冰设施和破冰机械设备,严防冰塞发生。

⑥为保障冰期输水安全,加强渠道及建筑物的管理和维护,增强渠系巡视,保证监测设备、控制设备、通讯设备的正常运行。

⑦沿线各退水闸、排冰闸保证随时投运。

3.3 应急措施

制订了科学的管理制度和突发事件应急预案,随时准备排除险情。此外,调度指挥部门还在通水开始后制定了严格科学的管理制度,其中包括:冰期输水期间要求参加调度的人员加密观测水位和冰情的次数;发现异常情况及时上报;调度负责人24 h不离工作岗位等。

与此同时,还制订了突发冰塞、冰坝时的应急处理预案。这个预案包括冰情观察、报告制度、决策制度、人员准备、机械准备、冰塞清除措施、停水程序等。要求参加调水的工作人员都要熟知应急处理预案,一旦发生险情,能够及时有效的采取必要的应对措施,不致临时措手不及。

4 结论和建议

由于近几年北京市出现持续干旱年,水资源严重短缺,为确保2008年北京市供水安全,2008年9月经由京石段应急供水工程从河北省岗南、黄壁庄以及王快三座水库,向北京实施调水3亿m3的临时通水任务。临时通水经历冰期输水阶段,为保证输水的顺利进行,调度运行中采取了多种技术措施,经过一个冬季的冰期输水检验,以上各项措施都是行之有效的,值得相似工程借鉴。

①京石段渠道设置拦冰索对于本次冰期通水作用较大,无论在小流量或较大流量时,拦冰索均能起到较好的拦冰作用,防止冰块进入倒虹吸、渡槽等建筑物,同时减少了闸门冰冻的可能。京石段某些闸前,原设计未设置拦冰索,建议增设。

②本次临时通水流量小,在流冰期和融冰期基本没有出现流冰;如果今后在冰期加大流量输水,将与本次冰期运行状态不大相同,还应进一步研究冰期输水方案和措施。

③北拒马节制闸闸前利用多点气泵增氧机、加挂门帘等措施防止拦污栅前冰冻和闸室冰冻。此项措施在本次冰期通水过程中,证明是切实可行的。在今后的冰期运行过程中,值得借鉴和推广。

参考文献:

[1] 吴剑疆,茅泽育,王爱民,等.河道中水内冰演变的数值计算[J].清华大学学报(自然科学版),2003,(5).

[2] 茅泽育,董曾南,陈长植.河冰数学模拟研究综述[J].水力发电,1996,(12).

[3] 王 军,孙连进,周智慧.冰塞下冰块起动分析[J].水利水运科学研究,1999,(2).

[4] 靳国厚,高霈生,吕斌秀.明渠冰情预报的数学模型[J].水利学报,1997,(10).