南水北调中线工程典型冷冬年冰情分析及防控措施

韦耀国，温世亿，杨金波

（1.南水北调中线干线工程建设管理局，100038，北京；2.长江科学院，430010，武汉）

南水北调中线工程（简称中线工程）自丹江口水库陶岔渠首闸引水，途径长江流域、淮河流域、黄河流域、海河流域，到达北京、天津。中线工程河北省内渠段冬季输水面临不同程度的结冰问题，冬季总干渠处于无冰输水、流冰输水和冰盖输水等复杂工况下运行，在倒虹吸、渡槽、节制闸附近可能发生冰塞、冰坝，因此研究中线工程冬季安全输水具有重要意义。

目前国内外对冰的形成演变有了较深的理论研究。中线工程冬季运行为长距离冰期输水问题，国内对中线工程长距离冰期输水问题开展了大量工作，董耀华等开展了大清河两个冬季冰情原型观测，为中线工程设计提供了基础数据；杨开林等利用冰塞计算模型对冰塞冰坝问题进行了计算预测；刘孟凯等分析了热量交换和冰盖厚度的计算方法，建立了渠道冰期输水模型。南水北调中线干线工程建设管理局（以下简称中线建管局）针对中线工程冰期输水问题开展了一系列工作，联合天津大学、中国水电水利科学研究院等单位在“‘十一五’国家科技支撑计划项目”中研究中线工程冰期输水方式、水流控制条件、渠道输水能力、拦冰索布置结构等；委托长江勘测规划设计研究有限责任公司等单位编制 《南水北调中线一期工程总干渠运行调度规程》，专门分析了控制总干渠平封冰盖水流条件和冬季冰期输水调度模式切换过程，以及结冰期、封冻期、开河期调度方式。2011—2018年中线建管局组织开展了中线冬季输水冰情原型观测。根据科学研究和冬季输水运行实践，由于冰期输水问题涉及热力学、水力学、固体力学等多个学科，且中线倒虹吸、渡槽、节制闸建筑物布置多样，中线工程长距离冬季输水问题非常复杂。

2014年中线工程正式全线通水以来，中线工程冰情具有明显的暖冬、平冬和冷冬特征：如2015—2016年冬季具有明显冷冬气候特征，总干渠形成冰盖封冻长约350 km，石家庄下游各渠池几乎全部封冻；2016—2017年冬季具有明显暖冬特征，未出现大范围渠池封冻，交叉建筑物进口局部位置出现冰盖，持续时间短。本文基于2015—2016年中线工程冬季冰情原型观测成果，总结典型冷冬气候条件下长距离输水工程冬季运行的水力、气象和特征冰情参数，分析渠道冰情生消演变规律及中线工程结冰、封冻等冰情，提出防控措施。

一、冰情发展分析

1.气象与水力条件

（1）气象条件

2015—2016年冬季具有典型的冷冬年特征。以北拒马观测断面气象站为例，冬季负积温为269℃，1月份平均气温为-6℃，尤其2016年1月19日遭受罕见降温过程，48 h内气温下降近10℃，实测最低气温为-18.6℃，为近年冬季实测最低气温极值。

（2）水力条件

在2015—2016年冬季中线工程输水流量数据中，岗头节制闸平均过闸流量45.3 m3/s，占该渠段设计流量的36.2%；北拒马河节制闸流量平均为30.0 m3/s，占该渠段设计流量约60%；结冰渠段控制断面水深6.00～2.68 m；渠道断面平均流速0.25～0.67 m/s；水流弗劳德数 0.033～0.142；渡槽段流速达0.67～0.81 m/s。中线工程渠道流速相对略大，为流冰下潜提供了动力条件。

2.冰情时空分布

时间方面，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天；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天，具有封冻日期滞后、冰期历时短的特点。

空间方面，该冬季全线处于无冰输水、流冰输水和冰盖输水运行工况，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，蒲阳河节制闸—北拒马河节制闸113 km渠段为稳定封冻段，其余渠段为无冰段。

3.特征冰情

该冬季渠道封冻以文封河为主，局部立封，开河为文开河。整个冰期分为3个阶段：结冰期、封冻期和开河期，见图1。结冰期冰情为岸冰、流冰花、表面流冰、流冰下潜、冰塞等；封冻期冰情为冰盖、冰盖封冻、冰厚增长、冰盖裂缝等；开河期冰期为冰盖融化、开河流冰、剩余岸冰、冰坝。其中表面流冰和冰盖厚度增长为主要冰情。

（1）流冰分析

根据流冰形成条件分析，在流速v＜0.5m/s， 气温 T＜-6℃， 水温 T＜1.5℃时，流冰形成，一般伴随冬季12月后的第2次或第3次降温过程。开始流冰以冰晶、流冰花、冰花团为主，分布密度稀疏，尺寸为 1～3 cm，厚度小于 1 mm；随着气温降低，流冰以表面流冰层为主，分布密度占渠道宽度80%以上，铺满整渠道，长达几千米，厚度0.5～2cm。

（2）冰盖厚度

该冬季结冰段冰盖平均厚度为8～28 cm，自南向北逐步加厚，石家庄段冰厚约10 cm，涞涿段冰厚28 cm。典型测点冰盖变化过程见图2，整个冬季冰盖厚度变化分为3个阶段，即增厚、稳定、消融。

二、典型冰情及影响

1.冰塞

该冬季结冰期及封冻初期蒲阳河倒虹吸下游局部位置出现流冰下潜，发生一定量的冰塞体，经测量单渠池冰塞长度为1～3 km，其中漕河渡槽出口至岗头隧洞节制闸、下车亭隧洞至南拒马河倒虹吸渠段冰塞最为严重。

冰塞体典型剖面结构可分为3层：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；下层为冰屑堆积体，厚70～150 cm，局部位置达250 cm，冰屑堆积体絮状松散，侵占过水断面。

渠道出现冰塞，一方面冰塞体侵占部分过水断面，减小过水面积；另一方面冰塞下表面为无规则冰屑堆积，增加渠道糙率，抬高了渠道上游水位线。通过分析，蒲阳河倒虹吸以北渠池发生冰塞后，导致渠池上游水位壅高0.3～0.7 m，其中蒲阳河倒虹吸闸后水位壅高0.6 m，坟庄河倒虹吸节制闸闸后水位壅高0.7 m。冰塞消融过程较快，一般持续时间为4～6天。

2.流冰堆积体

图1 冬季冰情发展过程

图2 典型断面冰盖厚度变化过程

在开河期，马头沟倒虹吸进口和南拒马河倒虹吸进口出现小型流冰堆积体。经观测，流冰堆积体范围为10～55 m，流冰堆积厚度 1.5～2.0 m，上游水位没有出现明显的壅高。经测量分析，开河期流冰堆积体主要由下游渠段开河流冰在下游建筑物进口上堆下插堆积形成，流冰堆积体规模小，消融时间快，两处冰坝在24 h内消失，流冰堆积体就地融化，不影响中线工程正常输水。

3.金结闸门冻结

经冬季寒冷气候考验，中线工程结冰段闸站金结和闸门防冻措施运行可靠，各节制闸、分水闸运行整体正常。2016年1月23日，西黑山分水闸闸门结冰，经及时处理融冰，分水闸操作正常。

4.仪器设备

该冬季ADCP流量计、水位计等仪器设备运行整体可靠，但在结冰期出现少数流量计读数失真问题。ADCP流量计读数失真发生在冰塞形成时期，且均为流量计布置在建筑物进口的情况，经分析该断面多被冰塞体侵占，过水断面减小而导致流量计偏高。

三、防控措施

基于长距离串行输水系统冰期运行出现的冰情和成因分析，提出中线工程冰期输水以防为主，拦、扰、捞、排一体的冰凌防控措施。

1.冰期调度

输水调度以防为主。根据冬季气温条件和具体冰情，从调度出发，控制渠道水力条件，防止大量流冰下潜形成冰塞。中线工程冬季应严格控制渠道水位和流量，结冰期促使冰盖尽快形成，防止流冰大量下潜形成冰塞。封冻期维持水位稳定，保持冰盖完整安全；融冰期尽量促使冰块就地融化，避免形成武开河。

2.拦冰设施

研发拦冰索等拦冰设施，分段拦截渠道上游流冰量，分割长距离明渠段的流冰量，为降低出现大型冰塞体风险，应结合建筑物布置设置拦冰索，达到“化整为零”目的，控制冰塞体形成位置和冰塞体体积。同时可通过优化拦冰索型式提高拦冰索拦冰效果，如斜跨式布置增加拦冰索的导冰功能，见图3和图4。

图3 拦冰索双排布置

图4 拦冰索导冰功能示意图

3.扰冰设施

在冬季低温条件下，建筑物进口和闸站金属结构容易结冰或受冰盖冻胀影响，需要布置水动力、加热设施、高压气泡或者热水融冰等扰冰融冰设施。

4.捞冰设施

根据现场观测，渠道流冰多堆积在交叉建筑物进口、节制闸、分水口和曲率大的渠道弯道附近，尤其容易堵塞拦污栅。因此应在重点建筑物进口、节制闸前布置捞冰设备，如捞冰机、捞冰铲车和运输车辆，及时打捞堆积流冰。

5.应急排冰

针对极端寒冬天气条件下的冰期运行风险，可根据中线工程现状情况，研究增加排冰闸和优化排冰闸型式，提高中线工程应急排冰能力。推荐对重点渠段退水闸进行改造，增加排冰功能，实现冬季应急排冰，减轻渠道流冰压力。