南水北调（中线）冰期输水冰情分析

□颜炳池(河北省大清河河务管理处)

1 南水北调中线总干渠冰期输水的基本情况

南水北调中线工程是我国跨流域调水，解决华北地区水资源分配不均衡的关键性工程。总干渠工程从丹江口水库陶岔闸渠首到北京颐和园的团城湖，全长为1277km，由北向南跨越北纬32～40°。全程有1715座交叉型建筑物，其中216座建筑物参与了水头分配。总干渠以明渠输水为主，穿越各种大小不同河流200多条。输水线路长，跨越时空大。设计输水流量渠首为530 m3/s，至北京 70 m3/s，流速由 1.40 m/s降至 0.80 m/s，水深亦由9.50m降至4m左右，沿程呈现递减状态。冬季丹江口水库出水口的水温平均为4℃，受冬季寒冷空气的影响，沿程气温逐渐降低。根据北京106年(1841-1980年非连续)的资料统计，12月份平均气温为-2.70℃，1月为-4.70℃，2月为-1.90℃；12月的极端最低温度为-19.60℃(1947年)，1月为-22.80℃(1951年)，2月为-27.40℃(1966年)。由于总干渠线路长、建筑物多、流量变幅大、水温沿程降低，因此，总干渠北部出现冰情问题是不可避免的。

2 冰期输水原型观测

为了研究总干渠冰期输水可能产生的冰情、冰害及以后的运行管理提供参考和借鉴的第一手资料，同时也为中线总干渠冰期输水建立的数学模型提供确切的参数，长江科学院委托河北省大清河河务管理处于1994-1995、1995-1996、1996-1997连续3个冬季在引黄总干渠、大清河系北支南拒马河、白沟河、大清河和白沟引河进行冰期输水原型观测与研究工作。观测河段均与总干渠环境、气候条件相当，且均由水库流出，起始水温一般为4℃左右，然后沿程逐渐降低，沿程有交叉建筑物，与总干渠条件类似，具有原型观测的条件。

观测的内容分为气象观测、水文观测及冰情观测,其中，气象观测包括气温、相对湿度、地温、气压、风速风向等。水文观测含地形测量，水位、水深、水温、流速的观测;冰情观测分固定观测和非固定观测,固定观测又分为岸冰观测，水内冰网与水内冰含量观测及冰流量观测,非固定观测包括不同时期（流冰期、结冰期及融冰期）的冰情观测及冰情对建筑物及输水的影响。除了实地的观测以外，还收集了当地水文气象资料，主要包括气温、降雪量、风力风向、云层、太阳辐射量(总辐射量及直接辐射量)等。

观测河段内共布置了6个观测断面，分为3个常规观测断面，3个间隔观测断面。各断面根据不同的水面宽度设若干垂线，每根垂线设3～5个测点，对水位、水温、流速、含冰量进行定时观测。根据气象预报当有大的降温过程时，则对水温、水内冰、流冰疏密度及流冰堆积与下潜进行24h全程跟踪观测。每年观测时段为上年的l1月中旬至次年2月底。为了观测水内冰含冰量，根据冰水力学特性将泥沙观测方法移植到冰期输水观测中，并将采到的水样在现场随即分析，以减少水内冰含冰量的误差，取得了宝贵的成果。通过3年的连续观测，获取了大量资料，为数模计算参数的率定和验算提供了科学依据。

3 主要观测成果

根据3年的原型观测，影响河段内的冰情因素很多。河道水力学和冰情不仅呈现出随时间变化的非恒定性，而且也表现出沿河道、河宽和水深变化的空间三维特性。这在河段内产生冰塞、冰坝时表现得尤为明显。主要观测成果：

①冰花产生条件：最低气温低于-6℃，断面平均水温在0.30℃以下。

②水内冰产生条件及分布：当河段内水温在-0.05℃以下时可产生水内冰。

③水内冰沿水深的分布基本与流速的大小分布相同。动态冰盖形成的条件：日平均气温在-6℃以下，断面平均水温在0℃以下，在流速＜0.60m/s时，可形成动态冰盖。

④冰水混流对水位的影响：冰水二相混流对水位的影响较小，一般为0～3cm。

⑤冰塞、冰坝的形成条件：当弗汝德数Fr＞0.09时，可产生流冰、流冰花在冰盖前缘下潜现象，这是形成冰塞、冰坝的直接原因。

⑥冰盖对过流能力的影响：在相同水位情况下，冰盖下过流能力比明流减少40%～61%,在相同流量情况下，有冰盖与无冰盖相比水位抬高16%～25%。

4 中线总干渠冰期输水冰情分析

根据原型观测成果，日最低度气温低于-6℃达30 d以上，水内冰和水面流冰是总干渠的主要输冰形式。尽管总干渠水深较大、蓄热量大，但由于流速较大，水流的掺混作用进一步加强，使得水—气界面热交换更加充分，更容易使整个过水断面处于过冷状态，使水内冰产生并发展。当总干渠水内冰浓度大于水流挟冰能力，水内冰将大量上浮形成水面流冰。

由于水内冰极易在其他物体上凝结的特点，很容易在拦污栅、节制闸、涵洞、渡槽等建筑物上凝结，从而使有效的过水断面减少，壅高上游水位，水内冰含量越大，阻水越严重。这一点常被忽略，应引起重视和警惕。

当日平均气温在-6℃以下，流速＜0.30m/s时，可形成静态冰盖。这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可以看到这种冰情形式，也就是人们常说的冰盖下输水。当0.30m/s＜流速＜0.60m/s时，可形成动态冰盖。动态冰盖形成会出现冰塞和冰坝现象。因此，冰塞和冰坝是总干渠的主要冰害形式，且冰塞较冰坝阻水更为严重，持续时间更长。

冰水混流对水位的影响较小。冰盖的形成加大了过水断面的糙率，影响了过流能力，对总干渠的冰期输水安全造成了一定程度的影响。

5 结论

南水北调中线总干渠是当今世界上最宏伟的跨流域调水工程。冰期输水中的冰情冰害问题是一个不容忽视的问题，它不同于东北寒冷地区的冰盖下输水，也不同于南方的明渠输水，而是液—固两相流形态。从国内目前对南水北调冰期输水的研究，多停留在数学模型的建立上，而缺乏原型观测数据的率定。南水北调中线总干渠于今年十月份即将全线通水，因此，对冰期输水的冰情问题应当引起更大的关注，进行更为深入的研究。

[1]殷瑞兰，张卉.南水北调中线工程冰期输水研究[J].长江科学院院报，2002（9）.

[2]颜丙池.南水北调冰期输水原型观测与研究[J].河北水利水电技术，2002（2）.

[3]董耀华，杨国录，大清河系观测河段及南水北调中线方案冰情计算分析[J].长江科学院院报 ，1999（6）.