南水北调水内冰对冰期输水的影响及分析

颜炳池

（河北省大清河河务管理处，河北保定 071051）

南水北调水内冰对冰期输水的影响及分析

颜炳池

（河北省大清河河务管理处，河北保定 071051）

水内冰是北方地区河渠冰期输水出现的主要冰情之一，是形成流冰花、动态冰盖、冰塞的物质基础。根据1994～1997年3个冬季的冰期输水原型观测，归纳总结了水内冰的产生、发展、消失的变化规律及水内冰对冰期输水的影响。

南水北调；冰期输水；水内冰

1 水内冰

1.1 产生条件

水内冰是水流处于过冷却时在紊动的水流条件下形成的，除了紊动和过冷却这两个条件外，还需在水中存在一定的冰晶核，如从空气中坠入的尘埃或从岸冰脱落的冰颗粒［1］。形成冰晶核之后，在与周围水体的热交换过程中，冰晶颗粒增大。冰晶数量增多的原因是冰晶的二次成核［2］，当大颗粒的冰晶与其他冰晶或固体边碰撞时，就会有小的冰晶颗粒从其脱落而形成新的冰晶［3］。

1.2 观测方法

依据《河流冰情观测规范》水内冰观测采用冰网观测，观测设备为半球型冰网。冰网观测只能观测到水内冰的产生、发展及分布，是定性的观测。为了定量测量水内冰的含量，创造性地进行了水内冰含量观测，观测点的设置与冰网的设置相同，以便于两者的比较。

1.3 生消变化规律

水内冰的产生与消失随水温的变化而变化，而水温的变化主要受气温的影响。从年生消变化看，水内冰一般在12月份左右产生，至次年的2月份完全消失［4］。这是从水内冰最早产生的时间点统计得出，不能说从此日开始每天就都有水内冰产生。实际上，无论是寒冬、平冬还是暖冬，水内冰的产生及动态冰盖的形成都是随着较强的天气降温过程产生的，整个冬季一般有3～5次较强的降温过程，其他的时段一般不会产生水内冰或只产生较少的水内冰，对输水的影响较小。

从水内冰的日生消变化分析，水温随气温每日做周期性变化。一般情况下水温最高点出现在每日20时左右，最低点出现在次日6～8时。水内冰的产生和消失没有固定时间，一般最低气温低于-6℃时水内冰开始产生，至8时出现峰值，此后由于太阳辐射气温回升，水温升高，水内冰逐渐减少直至消失。若日平均气温低于-6℃时，则全天都有水内冰产生［5］。

1.4 分布

1.4.1 当河渠表面流速小于0.3m/s时，河渠表面水流为层流

在水流表面产生的冰核冰晶，不会潜入到水中，而是迅速发展成较薄的冰片，由岸边相对流速更小的地方产生岸冰，再由岸冰向河渠中心发展形成稳定的静态冰盖。这种情况下没有水内冰，这在引黄济淀冬季输水中较为常见。在近几年南水北调中线总干渠冰期从河北向北京的试验性输水中也可以看到这种冰情形式，也就是人们常说的冰盖下输水。

1.4.2 当河渠水流大于0.3m/s时，河渠水流为紊流状态

在水面产生的冰核冰晶潜入水中，并在过冷状态下发展。当水内冰含量小于饱和挟冰能力时，在水面上看不到流冰花，或只有很少量流冰花，此时水内冰的分布为：流速较大的地方水内冰较多，流速较小的地方水内冰较少；主要表现：在横断面上，中部流速较大的地方水内冰较多，靠近两岸边流速较小的地方水内冰较少。在铅垂方向上，上部较多，下部较少。

1.4.3 当河渠水流流速大于0.3m/s时，水内冰含量大于饱和挟冰能力

遇较强的降温过程时，水内冰在过冷的水中迅速发展，水内冰增多增大，并上浮至水面形成较小的冰花团，这些冰花团经相互碰撞“粘接”成较大冰花团。冰花团中孔隙水经与冷空气热交换，变成一定强度厚度的冰块，这时流冰花团就变成了流冰。随着水面流冰的增多，当流冰疏密度大于0.6时，在一定的边界条件下，如弯道、节制闸前、逐渐缩窄的渐变段、拦冰索等，就会产生流冰堆积形成的动态冰盖或冰桥。

2 水内冰对输水的影响

2.1 当水内冰在水流流速小于0.3m/s时

没有水内冰，水内冰对输水没有影响，但静态冰盖对水流有影响。

2.2 当水内冰含量小于等于水流饱和挟冰能力时

水面有少量的流冰花，不能形成冰盖，此时水内冰对输水的影响主要表现在：①如河渠断面变化不大，一般上午8时的水位较下午14时的水位高1～3cm，原因是冰水混流，使水流流速略有减小，使水位抬高；②如输水河段内有节制闸、涵洞、渡槽等建筑物时，由于水内冰在闸墩、涵洞、渡槽与水的接触面有凝结作用，较厚的水内冰可使有效接触断面减少，壅高上游水位；③如河段内有栏污栅，应引起相重视和警惕，因为栏污栅上极易凝结水内冰，使过水断面面积大大减少，阻水将相当严重。

2.3 当水内冰含量大于饱和挟冰能力时

对于大于饱和挟冰能力的水内冰部分，水内冰会浮至水面形成流冰花，在漂移碰撞过程中，逐渐变大硬化形成盘状流冰，这些流冰堆积形成动态冰盖或冰桥。如冰盖前缘还有来量较多强度较大的流冰，这些流冰就会堆积在冰盖前，慢慢形成新的冰盖，使冰盖向前发展。对于来量较少强度较小的流冰或冰花团，在冰盖的前缘只有少数的冰花滞留在那里形成冰盖，大部分的冰花则下潜至冰盖的底部形成冰塞。这一点像泥沙运动的推移质。冰盖下冰花堆积的厚度很大，观测到的数据达到0.5～1m，同时还伴有严重的河床冲刷现象，阻水相当严重。

3 关键节点及采取措施

3.1 关键节点

3.1.1 栏污栅

栏污栅是影响冰期输水最为关键的节点。由于在栏污栅上有凝结水内冰的特点，在流冰期很容易在栅格上凝结水内冰使过水断面减少，影响过流。在结冰初期，即冰盖形成初期，流冰及流冰花团在此堆积并下潜，形成冰塞。冰塞与栅格凝结水内冰，这两种不利因素组合在一起，可能把整个过水断面全部堵塞。

3.1.2 渡槽

渡槽的结构与输水渠道不同。渡槽的四周都暴露在空气中，当气温低于0℃时，空气与渡槽混土结构进行热传导交换，使混凝土温度也低于0℃，这样当有水内冰时，水内冰就会凝结在渡槽内壁，使过水断面减少，同时加大渡槽的糙率影响输水。温度越低水内冰越多，水内冰凝结厚度越大则影响越严重。但渡槽还有一个特点，就是气温较低时渡槽内壁对凝结水内冰起加速的作用，当气温转正时渡槽内壁会加速水内冰融化。

3.1.3 节制闸

水体中有水内冰时，在闸墩闸门上，都会凝结水内冰，在冰盖形成初期，未露出水面的闸门，又成了主要的栏冰设施，是冰盖形成的主要边界条件，并加速冰盖的形成。在闸门开度以上至冰面都会被冰花堵满，影响过闸流量。

3.1.4 冰盖前缘

对由于流冰堆积形成的动态冰盖，在其前缘无论是向前发展，还是冰花下潜形成冰塞，都会壅高上游水位。

3.2 采取措施

（1）对于拦污栅，可采取栏污栅加热的方法，使其融化或不凝结水内冰，也可采取冰期输水期间去掉拦污栅。

（2）对于渡槽，要尽量使内壁少结水内冰，最好在其四周采取保温措施，其次在渡槽上游，尽早形成冰盖，减少渡槽上游水内冰的来量。

（3）对于节制闸，为了保证其调节灵活，使其不凝结或少凝结水内冰，可采取加热的方法，使其融化或不凝结水内冰。

（4）对于冰盖冰塞的影响措施，在冰期输水时可适当降低调水流量，抬高水位，降低流速，降低水—气界面热交换速度，减少水内冰量，减小对输水的影响。

4 结语

通过从1994～1997年3个冬季的冰期输水原型观测及近些年的研究，充分认识到水内冰是水流流速大于0.3m/s时一切冰情冰害的根源。因此在南水北调冰期输水的运用管理中，应当引起足够的重视。

［1］Osterkemp T.Frazil Ice Formation:A Review［J］.Hydraulics Division，A SCE.1978，104，1239-1255.

［2］Betchelor G K.Mass transfer from small particles suspended in turbulent fluid.［J］.Journal of Fluid Mechanics，1998（3）: 609-623.

［3］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）.

［4］吴新玲，颜丙池，宁夕英.水内冰对建筑物的影响分析［J］.河北水利水电技术，2002（2）.

［5］河北省大清河河务管理处．1996～1997年冬季南拒马河、大清河、白沟引河冰期输水观测成果分析报告［R］．1997．

［6］河北省大清河河务管理处．1995～1996年冬季南拒马河、大清河、白沟引河冰期输水观测成果分析报告［R］．1996．

Impact of Frazil on the Water Diversion in Ice Period and Analysis

YAN Bing-chi
（Daqinghe River Management Office of Hebei Province，Baoding 071051，China）

The frazil appears in northern channels of China.It is one of the main ice conditions in ice period.Frazil is also the basic material to form ice flow，dynamic ice cover and the ice plug.The paper is based on the prototype observation for the ice period in three whole winters of 1994 to 1997.It summarizes the production，development and disappearance of the frazil change rule and the impact of the frazil on the water diversion in ice period.

South-to-North Project;water diversion in ice period;frazil

TV12

B

1672-9900（2014）03-0023-03

2014-04-14

颜炳池（1963-），男（汉族），河北大城人，高级工程师，主要从事水利工程管理工作，（Tel）13013259679。