长距离调水明渠冬季输水冰情分析与安全调度

段文刚++黄国兵++杨金波++刘孟凯

摘要：结合南水北调中线总干渠2011年-2016年间5个冬季冰情原型观测数据，分析了冰情时空分布特征、冰盖厚度、冰情现象、冰情演变条件和特点等。2015年-2016年冬季输水流量大，渠道水流流速0.25 ～0.67 m/s，加之遭遇罕见寒潮（-18.6℃）的叠加，局部渠段出现冰塞现象。结合总干渠闸前常水位运行调度方式和渠池水流特点，提出了避免形成冰塞灾害的水流控制条件。即渠池上游控制断面平均流速V≤040 m/s，Fr≤0065；下游控制断面平均流速V≤035 m/s，Fr≤0055。建议持续加强全线冰情观测，积累冰期输水观测数据，为优化冬季输水运行调度和冰情预报提供科学依据。

关键词：长距离调水工程；冰情；冰塞；立封；冰厚； 断面流速；弗劳德数

中图分类号：TV135文献标志码：A文章编号：16721683（2016）06009609

1研究背景

南水北调中线工程是缓解我国华北地区水资源严重短缺、优化水资源配置、改善生态环境的重大战略性基础设施，2014年12月全线建成正式通水。该工程输水干线全长1 432 km，其中陶岔渠首-北京团城湖渠长1 276 km，天津干线渠长156 km（设西黑山进口闸），线路跨越北纬33°～40°寒冷区。多年平均调水量95亿m3，渠首设计流量350 m3/s，渠末设计流量50 m3/s。输水方式以明渠为主，局部管涵为辅，沿线布设建筑物包括节制闸、分水口、退水闸、倒虹吸、隧洞、渡槽和暗涵等。截止2015年底，丹江口水库入总干渠水量259亿m3。冬季安阳以北渠道水流由于受寒冷气温影响，出现不同程度的冰情，输水能力下降，总干渠处于无冰输水、流冰输水、冰盖输水等多种复杂运行状态，容易诱发冰塞冰坝及其他冰害。冰情生消演变机理复杂，涉及气象条件、水力条件、渠道边界条件和运行调度等多种因素。总干渠全线自流输水，无其它在线调蓄水库，调蓄能力有限，采用闸前常水位运行方式，冰期输水调度难度大。

本文结合2011年-2016年间5个冬季冰情原型观测数据，旨在分析中线总干渠冰情特征（如时空分布、冰盖厚度和冰情特点等）；揭示冰塞形成诱因，研究冰害防治措施（工程措施和非工程措施）；从运行调度方面提出避免形成冰塞的水流控制条件。从而实现冰期输水安全、高效运行，达到兴利除害的目的[120]。

2冰情分析

2.1渠道边界条件

南水北调中线工程输水线路明渠全长1 198 km，平冬年份安阳以北近500 km渠道存在不同程度冰情，其中以总干渠最北端的京石段冰情最为严重。京石段输水明渠全长228 km，南起石家庄附近的古运河节制闸，北至北京房山的北拒马河节制闸。沿线布设14座节制闸将京石段分隔为13个“渠池”串联运行，单池长9～27 km。渠段设计水力参数指标总体由南至北（古运河闸～北拒马河闸）沿程逐级减小，设计流量Q=170～50 m3/s，设计底宽b=265～75 m，设计水深h=60～38 m，设计水面宽B=51～27 m，设计断面平均流速V=100～075 m/s，设计水流弗劳德数Fr=0161～0117。渠道纵坡较缓i=1/25 000～1/20 000，设计明渠糙率n=0015。

从地形上来说，南段的古运河闸-蒲阳河闸渠长115 km，输水线路主要布置在华北平原，渠道交叉建筑物以穿越河流的倒虹吸为主，并结合布设节制闸；北段的蒲阳河闸-北拒马河闸渠长113 km，输水线路紧邻太行山，主要穿越在丘陵山地之间，倒虹吸、隧洞、石渠和渡槽等明显增多。一般来说，倒虹吸埋设于地面之下，与大气热交换不畅通，基本不产冰也不输送冰；隧洞不产冰却可输送冰；渡槽、石渠和其他明渠为敞露水面，与大气热交换充分，既产冰又输送冰；节制闸（含倒虹吸、隧洞等）下游1 km内由于闸孔淹没出流影响，水流紊动较为剧烈，水面不易形成封冻冰盖。渠道束窄壅堵断面（如倒虹吸、隧洞、渡槽、节制闸和桥墩等）、弯道和水力坡降由陡变缓处（渡槽和石渠下游），容易诱发冰塞险情，应引起关注。

2.2气象条件

南水北调中线最北端河北省境内，冬季多晴天，气候干燥寒冷，降水少。一般年份11月底气温开始转负，次年2月底转正，冬季负积温值较低。近5年实测最低气温-9.0 ℃～-18.6 ℃，最冷月（1月）平均气温-1.7 ℃～-60 ℃（基本可划分为寒冷区），负积温-109.3 ℃～-299.7 ℃，见表1。

2015年-2016年冬季前半程气温偏暖，2016年1月21日由于受罕见寒潮影响，48小时内气温下降近10℃，实测最低气温骤降至-186℃，为近年来最低气温极值，冰情生消演变呈现出新特征。

2.3水力条件

2011年-2014年前3年为京石段临时通水，引用水源为河北省的黄壁庄水库、王快水库和安格庄水库，用水户只有北京。输水渠线短，不足230 km；引水流量小，北京引水115～170 m3/s，远低于渠道设计流量。2014年-2016年后2年中线全线通水，引用水源为丹江口水库，用水户包括北京、天津和沿线部分分水口，5个冬季冰期输水流量对比见表2。

2015年-2016年冰期输水是全线正式通水运行的第二个冬季，岗头节制闸平均过闸流量453 m3/s，占该渠段设计流量的362%，明渠末端北拒马河节制闸入京流量平均为307 m3/s，占该渠段设计流量的614%，西黑山分水闸入津流量平均为138 m3/s。冬季输水流量较以往同期偏大近1倍，水流流速较高。如表3所示，京石段沿线控制断面结冰期水深h=600～268 m，渠道断面平均流速V=025～067 m/s，水流弗劳德数Fr=0033～0142。渡槽段流速达067～081 m/s。由此可分析渠池水力条件与冰情演变的相关关系。

水流流速是直接影响冰情形态演变的重要指标。流速低、冰花团密度高、流冰层面积大，渠道易形成冰盖；流速大，水流搬运和输送冰块的能力强，渠道不易形成封冻冰盖；而当流速大于某一临界值时，则有利于冰花、碎冰在封冻冰盖前缘下潜或堆积，造成冰塞、冰坝。

2.4冰情时空分布

[JP2]如表4所示，南水北调中线冰情时间分布主要在12月～次年3月，冰期输水历时63～98 d，封冻历时32～62 d，受气温（如寒潮）和输水调度影响，年际变化较大。冰情空间分布见表5，[HJ2.3mm]2011年-2014年前3个冬季仅京石段通水运行，通水渠线总长226 km，几乎呈全线封冻状态。2014年-2015年冬季为首次全线通水运行，气温偏暖，封冻段渠长86 km。

2015年12月16日开始出现岸冰，2016年2月17日冰情完全消失，全线冰期输水历时63 d；2016年1月14日开始形成封冻冰盖，2月15日冰盖消失，封冻历时32 d，均较以往冬季历时短，且封冻日期明显滞后。封冻冰盖前缘向南延伸至邢台七里河倒虹吸节制闸（桩号835 km），封冻段渠长363 km。流冰前缘向南延伸至安阳河倒虹吸节制闸（桩号717 km），流冰段渠长481 km。总得来说，冰情自南向北可分为3段：安阳河节制闸-七里河节制闸约118 km渠段为流冰段、七里河节制闸-蒲阳河节制闸250 km渠段为分段封冻段（基本无冰塞）、蒲阳河节制闸-北拒马河节制闸113 km渠段为稳定封冻段（多处发生冰塞险情）。

2.5冰盖厚度

如表6所示，在稳定封冻期，采用冰钻钻孔、量冰尺测量的手段，实测南水北调中线近5年渠心最大冰厚14～32 cm，与纬度相近的京密引水和引黄入冀总干渠较为吻合，具有类比性；远较东北黑龙江、嫩江冰薄（见表7）。2015年-2016年冬季实测冰厚28 cm，纵向分布自南向北冰盖逐步加厚，石家庄渠段冰盖厚度约10 cm（渠心），明渠末端涞涿渠段渠心最大冰盖厚度增加至28 cm。断面横向分布为渠心薄，岸边厚，岸边最大冰厚近46 cm，主要是断面水流流速分布所致。

2.6主要冰情现象

冰情生消演变与气象因素（寒潮）、水力因素密切相关，可分为结冰期、封冻期和解冻期等3个阶段。如表8所示，渠道前4年冰期输水运行良好，为无冰塞冰坝现象。 2015年-2016年冬季输水流量加大，且受罕见寒潮叠加影响，出现严重冰情。渠道[JP2]主要冰情现象包括流冰花、冰花团、表面流冰层、岸冰、冰花下潜、冰塞、冰坝、冰堆、封冻冰盖和岸冰脱落（尺寸较大，长可达20～30 m，宽约2 m，厚约10～20 cm）等（见图1至图4），多处渠段形成冰塞险情，局部水位壅高0.4 m。封冻形式为平封、立封，开河形式以文开河为主。

渠道平封冰盖形成过程见图5：傍晚气温降低首先形成冰晶和冰花、之后气温持续降低形成流冰层，通常在拦冰索（或桥墩）处先形成冰桥，流冰层或冰块沿冰桥平铺上溯，渠段平封冻结；如气温较高，则流冰层就地消融。

2.7冰情形成条件

结合南水北调中线总干渠2011年-2016年间5个冬季冰情原型观测数据，初步提出冰情形成的临界条件。

（1）初生岸冰。最低气温<-6 ℃，负积温<-22 ℃，岸边流速01 m/s。

（2）流冰花。最低气温<-50 ℃，平均流速01～04 m/s。

（3）封冻冰盖。最低气温<-10 ℃，负积温<-113 ℃，平均流速01～0.4 m/s。

（4）冰盖消融。最高气温> 1.0 ℃，水温0.5 ℃，流速0.1～0.4 m/s。

2.8冰情特点

由于中线工程所处的地理位置、气象条件和工程布置方式，运行调度采用节制闸前常水位控制，其冰情呈现以下特点：

（1）由于节制闸、倒虹吸等建筑物阻隔，总干渠冰盖亦不连续。节制闸、倒虹吸、隧洞等建筑物出口下游通常均有200 m以上的敞露水面，不易形成封冻冰盖。

（2）封冻冰盖以表面流冰层形成为主，天然河道岸冰较宽向河心聚拢亦可形成冰盖。

（3）冬季输水方式为浮冰盖输水，采用无冰盖输水、冰盖下明流输水不现实。

（4）冬季输水能力较其他季节显著下降。

（5）封冻形式多为平封，开河形式多为文开河。

3冰塞冰坝及其他冰害

（1）冰塞。

2015年-2016年冬季冰情受罕见寒潮和水流流速高的叠加影响，蒲阳河闸-北拒马河闸渠段多处形成冰塞险情。冰塞是指封冻冰盖下面大量冰花、流冰堆积，堵塞了部分渠道断面，造成上游水位壅高、输水能力明显下降的现象。一般发生在结冰期，碎冰在冰盖前缘挤压、重叠倾斜冻结，冰盖表面不平整，形成起伏冰堆。

影响冰塞形成和发展的因素归纳起来主要有热力因素、水力因素与河道边界条件。热力因素主要表现在气温的高低（特别是24 h或48 h内降温幅度），在渠道不封冻情况下气温越低产冰量越多；水力因素主要表现在流速上，当冰盖前缘处的流速大于冰花下潜流速时，冰花、碎冰下潜并堆积于冰盖下面形成冰塞；渠道边界条件主要指比降变化（水流搬运输送冰块能力减弱）、弯道等阻碍冰花、碎冰顺利下泄的因素。概括地说，冰塞形成有3个条件：①上游产冰量足够多；②水流流速达到冰花下潜的临界流速；③断面束窄壅堵处（如倒虹吸、隧洞、渡槽、节制闸和桥墩等）、弯道和水力坡度由陡变缓处易诱发冰塞。破除冰塞即可从以上3方面入手。

（2）冰塞形态。

2015年-2016冬季输水流量大，流速高，加之遭遇罕见寒潮（18.6℃）的叠加影响，总干渠最北段蒲阳河节制闸～北拒马河节制闸113 km渠道多处发生冰塞险情，局部渠段出现立封冰堆。冰塞体顺流向长度约400～700 m，典型剖面结构可分为3层（见图6）：上层为冰堆，厚20～40 cm，碎冰块堆积；中层为冰盖，厚25 cm，坚硬密实 ；下层为冰屑，厚70～230 cm，絮状松散，具有一定阻水作用，渠道上游水位壅高04 m。

（3）冰坝。

冰坝是指冰块在渠道内受阻，冰块上爬下插或挤压堆积形成阻水冰堆积体，犹如在渠道中筑起一座拦水浮坝，严重阻塞过水断面，使渠道上游水位显著壅高的现象，一般出现在解冻期。

前4个冬季融冰期未见冰坝。2015年-2016冬季融冰期南拒马河倒虹吸上游明渠出现小型冰坝，冰块上爬下插，挤压堆积，局部阻水冰堆积体厚近1 m，所幸渠道上游壅水不明显，危害不大。

（4）其他冰害。

除冰塞外，总干渠冰期输水还发生以下冰害：a.分水闸封冻堵塞，分水流量大幅减小；b.拦冰索遭受撞击断裂，主要是水流推动冰塞体所致；c.冰塞断面流量计读数失真等。d.冰块堵塞拦污栅影响过流能力；e.闸门（含退水闸）结冰封冻；f.流冰撞断测试仪器安装管道（如ADCP测流管道）；g.流冰块撞击金结闸门；h.渠坡冻胀破坏；i.冬季输水渡槽渗漏。

4冰害防治与安全调度

（1）冰害防治。

a.对于总干渠最北端的蒲阳河闸-北拒马河闸冰塞易发渠段，应加密布设拦冰索（尤其是倒虹吸、隧洞、渡槽等建筑物进口和石渠上游），对沿线流冰实施分段拦截，达到“化整为零”的效果，以消减下游冰塞体的体积规模（针对冰塞形成条件第1条）。

b.必要时设置排冰闸和滞冰池，或采取机械排冰措施。亦可结合现有排冰闸或退水闸，辅助布设刚性直线型水力导冰浮排，可将流冰导向指定的位置（或闸孔）。

c.金结闸门前应设置防冰冻设施，可采用压缩空气吹泡法（避免采用喷洒水方式），加强水流扰动，避免闸门结冰封冻，必要时采用温热水破冰。

d.加强冰情固定断面观测和全线巡视检查，加强冰塞冰坝专项应急监测，及时预防预警。

（2）安全调度措施。

为避免形成冰塞危害，首先从定性方面提出安全调度措施。冬季冰期输水运行调度宜尽快促使形成平封冰盖，保持浮冰盖输水方式，总干渠完全采用无冰盖输水或冰盖下明流输水方式是不现实的。结冰期和融冰期主要是控制水流流速，尽可能保持低流速运行，以免诱发冰塞冰坝危害或巨大岸冰脱落块撞击建筑物；封冻期主要控制水位波动，避免水位大幅波动导致冰盖塌陷或胀破，水位变幅不超过15 cm/h或30 cm/d。对于蒲阳河闸-北拒马河闸冰塞易发渠段可适当抬高水位运行。京石段渠顶高程是按加大水位+1.5m超高确定的，有关渡槽、倒虹吸等建筑物是按加大流量和加大水位设计的，冰期输水期间适当抬高水位运行是可行的。

（3）渠池水流特点。

[JP2]中线总干渠运行调度采用闸前常水位方式，由上、下游节制闸组成的渠池，其水面线呈a1型壅水曲线，沿程水深均大于明渠均匀流正常水深。见图7，蒲阳河闸-岗头闸渠池长27 km，上游控制断面（蒲阳河闸后）水深h1=268 m，V1=067 m/s，Fr1=0131；下游控制断面（岗头闸前）水深h2=443 m，V2=039 m/s，Fr2=0059。即渠池上游控制断面水深浅，流速大，弗劳德数高；下游控制断面则相反，水深厚，流速小，弗劳德数小。二者水流条件差别较大，特别是长距离和布置隧洞、渡槽较多的渠池。

[HJ1mm]图7典型渠段水面线示意图

Fig.7Sketch map of canal pool water surface line

（4）安全调度水流控制指标。

由表3得知，随着渠池水流流速和弗劳德数加大，开始出现冰塞险情。结合近5年特别是2015年-2016冬季冰情原型观测数据，以及中线渠道运行调度方式和渠池水流特点，考虑渠道地理位置和气候条件，提出避免形成冰塞灾害的水流控制条件：即渠池上游控制断面平均流速V≤040 m/s，Fr≤0065；下游控制断面平均流速V≤035 m/s，Fr≤0055，见表9。按此指标进行输水控制，京石段冰期输水流量约占其设计流量的25%～45%。如此分别提出控制断面水力指标，是与总干渠实际运行水流特点相适应的。对于渡槽和部分石渠断面而言，按此控制水流难度较大（要求的输水流量太小），可在其上游加密布设拦冰索以消减冰塞体的规模。事实上，冰塞形成较为复杂，不仅与低温极值有关，还与24 h或48 h温度降幅有关，结冰期极端寒潮袭击往往会加重冰塞灾害。这里实际隐含了保证率的概念，可以认为，按此指标进行输水控制出现严重冰塞灾害的风险较小。随着今后对总干渠冰情演变认识的深入，拦冰设施加密布设，可逐步完善（或提高）该控制指标，以确保冬季输水安全、高效运行。

应该指出的是，冰塞和冰花下潜意义不同，冰塞是冰花下潜引起的不利结果，但冰花下潜未必一定形成冰塞灾害。冰花下潜主要取决于水流流速，同时与冰块尺寸、冰块密度和堵塞程度等相关。南水北调中线现场观测发现，即便很小的流速（V≤03 m/s）亦有冰花下潜现象，由于上游来冰量有限，零星下潜的碎冰在冰盖下输送，在下游敞露水面又漂浮水面，未引发不利冰害。可以看出，水流流速和上游来冰量是诱发冰塞危害的两大重要因素，二者缺一不可。故提出上述水流流速和弗劳德数控制指标，目的是避免出现较大规模的冰塞体，以致于明显壅高渠道上游水位，甚至出现水流漫溢或渠道溃口的灾害。同时，为保持冬季高效输水，局部零星的冰花下潜（甚至极少量堆积）是可接受的，只要未对运行调度带来不利影响即可。

5结论与建议

[JP2]冬季冰期输水运行调度宜尽快促使形成平封冰盖，保持浮冰盖输水方式。结合总干渠闸前常水位运行方式和渠池水流特点，提出运行初期避免冰塞灾害的水流控制条件：即渠池上游控制断面平均流速V≤0.40 m/s，Fr≤0.065；下游控制断面平均流速V≤035 m/s，Fr≤0.055。目前总干渠全线通水仅2个冬季，对冰情认识尚属有限，极端冰情冰害尚未全部显现，应持续加强全线冰情观测，积累冰期输水观测数据，为优化冬季输水运行调度和冰情预报提供科学依据。冬季冰情问题相当复杂，如何保持安全、高效通水，下步可论证在冰塞易发渠段提高闸前运行水位从而提高渠道过流能力的可行性和输水效益研究。

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