新疆某供水工程冬季结冰盖输水的可行性研究

周旭锐

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

新疆北部某供水工程工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型，由南干渠及尾部调节水库组成，南干渠由顶山隧洞、戈壁明渠（全长141.7 km）、沙漠明渠（全长166.5 km）、平原明渠（全长56.2 km）组成。设计水平年输水流量68～75 m3/s，年有效输水期为每年的4月中旬～10月。该供水工程缓解了新疆北部地区的工、农业和生态用水矛盾，是国家重点引水工程。工程位于新疆北部的高纬度地区，冬季时间长、气温低，冬季运行不可避免地会遇到冰期输水问题，渠道冰情的发展会改变输水条件并影响渠道运行控制方式，需对渠道冬季结冰盖输水的可行性进行研究。

2 冰盖下输水的数值模拟

2.1 临界弗劳德数

动态冰盖发展的模式一般由第一临界弗劳德数Fr1和第二临界弗劳德数Fr2理论来进行判断。当冰花流速较缓慢、冰花厚度及冰花的抗挤压强度较大时，冰花体运动至冰盖前缘处即停止运动，附着堆积而使得冰盖前缘不断向上游发展。当冰花流速较高，冰花厚度及冰花的抗挤压强度较小时，冰花体运动至冰盖前缘处被挤压破碎，随之下潜。下潜的冰花是出现冰塞、冰坝的诱发物。

若水流弗劳德数Fr小于Fr1，冰盖以并置积聚形式向上游推进，其推进速度由质量守恒原理确定。若水流弗劳德数Fr超过Fr2，冰盖前缘将不再向上游发展，这时上游冰花将流向下游，直到水流速度较小的河段，满足冰花上浮的要求。若水流弗劳德数Fr大于Fr1，小于Fr2，冰盖将以水力加厚的方式向上游推进，上游冰花潜入冰盖下前缘附近运动，冰盖厚度迅速增加，冰盖前缘水位壅高，底部水流分离，冰盖前缘来流量一定时，随着冰盖前缘厚度增加，水流弗劳德数Fr逐渐下降，当小于Fr1时，冰盖前缘继续向前推进。

Pariset和Hausser根据冰块的稳定条件提出了Fr1的公式[1]：

一般认为水流的弗劳德数Fr大于Fr1时，冰块会下潜；大于Fr2时，冰盖停止向上游发展[2]。目前还没有合适的方法来确定浮冰块的尺寸，在有冰情观测数据的条件下，一般采用现场观测的方法来确定临界弗劳德数的大小。孙肇初和沈洪道在黄河现场观察到Fr2近似为0.09[3]，故本工程取Fr2=0.09。

2.2 冰盖下输水的数值模拟

2.2.1 工程冬季气象条件

因为输水工程由南往北跨越500多公里，这些气象数据分属沿线不同的气象站，典型位置冬季平均气温见表1。

表1 气温测站冬季平均气温表 ℃

2.2.2 盖下输水的冰情计算结果

结冰盖输水要求渠道水位抬高，以便结成冰盖后冰盖下有足够的过水空间。渠道的弗劳德数Fr不能超过0.09，否则冰花会在冰盖前缘下潜，使得冰盖无法向上游推进，而且下潜的冰花很容易附着在冰盖下表面形成冰塞，附着在闸门、拦污栅上阻塞渠道。若水流弗劳德数Fr控制在0.06以下，则对于渠道冰盖下输水将更为有利。因为在这种水流条件下，冰盖厚度均一，能够形成稳定冰盖；在春季开河阶段，整个渠段的冰盖也易于同时消融[4]。

对于新疆北部供水工程而言，如果输水沿线仍采用正常输水的运行方式，即渠道中各节制闸门完全开启，不对渠道水位加以控制，那么渠道中水流的弗劳德数Fr将会超过0.09。而且冰盖的生成、推进和消融将会使得渠道的输水条件发生改变，引起渠道的水位、流量发生较大的变化，容易造成冰盖的破裂，继而引发冰害。因此，为了能够实现渠道冬季结冰盖输水，工程沿线的节制闸必须参与渠道的水位、流量的调控。在结冰期到来之前，抬高闸前水位，减小渠道的输水流量，降低水流的弗劳德数Fr，在冰期运行过程中，通过闸前常水位的运行控制方式，保证冰盖的稳定和渠道的安全。在工况设计时，我们根据节制闸前可能抬高的水位，将各节制闸前的控制水位确定在低于当前渠道衬砌顶高程0.5 m的位置。

根据冰花在冰盖前下潜的弗劳德数Fr=0.09，由Fr=V/gh以及明渠均匀流公式，经过计算，采用冰盖下输水模式的最大输水流量为10 m3/s，而且在计算的过程中假定输水沿线各分水口不分水。

3 冰盖下输水的可行性分析

3.1 冰盖下输水的能力

由于本工程渠道为宽浅型，渠道内水位闸前允许抬高的水位有限，为了降低Fr，冬季冰期输水能力将大大降低，输水流量为10 m3/s。

在不采取任何保温措施的情况下，平原明渠44+955断面流量和冰厚随时间变化曲线分别见图1、图2。从图1、图2中可见，随着渠道冰盖的生成，输水阻力增加，输水流量减小。当冰盖稳定以后，冰盖糙率逐渐减小，输水阻力随之减小，输水流量缓慢增加。

图1 平原明渠44+955断面流量变化

图2 平原明渠44+955断面冰厚变化

3.2 冰盖下输水的可行性分析

根据前面的数值模拟研究发现，本工程采用冰盖下输水存在如下几个问题：

（1）由于渠道底坡相对较大，且渠池很长（最长渠池约29 km），各渠池上游水流弗劳德数一般大于0.09。因此不断产生的冰花向下游输运，极易导致悬冰坝的产生，严重时阻塞水流，使得渠段上游水位抬高，下游输水中断。

（2）本输水渠道水流弗劳德数相对较大，冰盖只能以水力加厚的形式向上游发展，因此冰盖形成的很慢，不能满足冰期尽快形成冰盖的要求。当春季来临气温回升，上游的冰盖将会很快融化，而下游冰盖仍有较大的冰厚。上游冰盖融化使得渠道上游输水阻力减小，使得渠段向下的输水流量快速增加，严重时水鼓冰裂，破碎的冰块向下输运的过程中破坏渠道和下游冰盖，最终导致冰坝灾害。

（3）输水工程沿线的最大冰盖厚度达1.4 m。冰水力学理论是以浮动冰盖的假设为理论基础的，即冰盖是浮于水面的，在冰盖从渠道下游向上游推进的过程中，冰盖与水位一起抬升。由于本工程冰期输水流量小，渠段上游的水深也较小，如果冰盖与堤岸完全冻结，使得冰盖不能随水位浮动，那么整个渠道断面将冻结而丧失输水能力。

（4）渠道的冻胀破坏是渠道冬季输水破坏的主要原因之一。例如：南水北调中线工程是按照冰盖下输水而设计的，渠道在设计阶段已经考虑了冻胀的影响，但是中线干渠京石段在2008-2012年冬季临时供水时，仍然在局部渠段出现了渠道衬砌的冻胀破坏。

4 结语

由于本工程处于高寒地区，若冬季按照冰盖下输水的方式运行，输水流量小，运行控制难度大，且渠池内冰盖不能同时消融，容易导致冰塞和冰坝等危害的发生。因此不建议进行冬季结冰盖输水。