南水北調(diào)（中線）冰期輸水冰情分析

□顏炳池(河北省大清河河務(wù)管理處)

1 南水北調(diào)中線總干渠冰期輸水的基本情況

南水北調(diào)中線工程是我國跨流域調(diào)水，解決華北地區(qū)水資源分配不均衡的關(guān)鍵性工程。總干渠工程從丹江口水庫陶岔閘渠首到北京頤和園的團城湖，全長為1277km，由北向南跨越北緯32～40°。全程有1715座交叉型建筑物，其中216座建筑物參與了水頭分配。總干渠以明渠輸水為主，穿越各種大小不同河流200多條。輸水線路長，跨越時空大。設(shè)計輸水流量渠首為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，沿程呈現(xiàn)遞減狀態(tài)。冬季丹江口水庫出水口的水溫平均為4℃，受冬季寒冷空氣的影響，沿程氣溫逐漸降低。根據(jù)北京106年(1841-1980年非連續(xù))的資料統(tǒng)計，12月份平均氣溫為-2.70℃，1月為-4.70℃，2月為-1.90℃；12月的極端最低溫度為-19.60℃(1947年)，1月為-22.80℃(1951年)，2月為-27.40℃(1966年)。由于總干渠線路長、建筑物多、流量變幅大、水溫沿程降低，因此，總干渠北部出現(xiàn)冰情問題是不可避免的。

2 冰期輸水原型觀測

為了研究總干渠冰期輸水可能產(chǎn)生的冰情、冰害及以后的運行管理提供參考和借鑒的第一手資料，同時也為中線總干渠冰期輸水建立的數(shù)學模型提供確切的參數(shù)，長江科學院委托河北省大清河河務(wù)管理處于1994-1995、1995-1996、1996-1997連續(xù)3個冬季在引黃總干渠、大清河系北支南拒馬河、白溝河、大清河和白溝引河進行冰期輸水原型觀測與研究工作。觀測河段均與總干渠環(huán)境、氣候條件相當，且均由水庫流出，起始水溫一般為4℃左右，然后沿程逐漸降低，沿程有交叉建筑物，與總干渠條件類似，具有原型觀測的條件。

觀測的內(nèi)容分為氣象觀測、水文觀測及冰情觀測,其中，氣象觀測包括氣溫、相對濕度、地溫、氣壓、風速風向等。水文觀測含地形測量，水位、水深、水溫、流速的觀測;冰情觀測分固定觀測和非固定觀測,固定觀測又分為岸冰觀測，水內(nèi)冰網(wǎng)與水內(nèi)冰含量觀測及冰流量觀測,非固定觀測包括不同時期（流冰期、結(jié)冰期及融冰期）的冰情觀測及冰情對建筑物及輸水的影響。除了實地的觀測以外，還收集了當?shù)厮臍庀筚Y料，主要包括氣溫、降雪量、風力風向、云層、太陽輻射量(總輻射量及直接輻射量)等。

觀測河段內(nèi)共布置了6個觀測斷面，分為3個常規(guī)觀測斷面，3個間隔觀測斷面。各斷面根據(jù)不同的水面寬度設(shè)若干垂線，每根垂線設(shè)3～5個測點，對水位、水溫、流速、含冰量進行定時觀測。根據(jù)氣象預(yù)報當有大的降溫過程時，則對水溫、水內(nèi)冰、流冰疏密度及流冰堆積與下潛進行24h全程跟蹤觀測。每年觀測時段為上年的l1月中旬至次年2月底。為了觀測水內(nèi)冰含冰量，根據(jù)冰水力學特性將泥沙觀測方法移植到冰期輸水觀測中，并將采到的水樣在現(xiàn)場隨即分析，以減少水內(nèi)冰含冰量的誤差，取得了寶貴的成果。通過3年的連續(xù)觀測，獲取了大量資料，為數(shù)模計算參數(shù)的率定和驗算提供了科學依據(jù)。

3 主要觀測成果

根據(jù)3年的原型觀測，影響河段內(nèi)的冰情因素很多。河道水力學和冰情不僅呈現(xiàn)出隨時間變化的非恒定性，而且也表現(xiàn)出沿河道、河寬和水深變化的空間三維特性。這在河段內(nèi)產(chǎn)生冰塞、冰壩時表現(xiàn)得尤為明顯。主要觀測成果：

①冰花產(chǎn)生條件：最低氣溫低于-6℃，斷面平均水溫在0.30℃以下。

②水內(nèi)冰產(chǎn)生條件及分布：當河段內(nèi)水溫在-0.05℃以下時可產(chǎn)生水內(nèi)冰。

③水內(nèi)冰沿水深的分布基本與流速的大小分布相同。動態(tài)冰蓋形成的條件：日平均氣溫在-6℃以下，斷面平均水溫在0℃以下，在流速＜0.60m/s時，可形成動態(tài)冰蓋。

④冰水混流對水位的影響：冰水二相混流對水位的影響較小，一般為0～3cm。

⑤冰塞、冰壩的形成條件：當弗汝德數(shù)Fr＞0.09時，可產(chǎn)生流冰、流冰花在冰蓋前緣下潛現(xiàn)象，這是形成冰塞、冰壩的直接原因。

⑥冰蓋對過流能力的影響：在相同水位情況下，冰蓋下過流能力比明流減少40%～61%,在相同流量情況下，有冰蓋與無冰蓋相比水位抬高16%～25%。

4 中線總干渠冰期輸水冰情分析

根據(jù)原型觀測成果，日最低度氣溫低于-6℃達30 d以上，水內(nèi)冰和水面流冰是總干渠的主要輸冰形式。盡管總干渠水深較大、蓄熱量大，但由于流速較大，水流的摻混作用進一步加強，使得水—氣界面熱交換更加充分，更容易使整個過水斷面處于過冷狀態(tài)，使水內(nèi)冰產(chǎn)生并發(fā)展。當總干渠水內(nèi)冰濃度大于水流挾冰能力，水內(nèi)冰將大量上浮形成水面流冰。

由于水內(nèi)冰極易在其他物體上凝結(jié)的特點，很容易在攔污柵、節(jié)制閘、涵洞、渡槽等建筑物上凝結(jié)，從而使有效的過水斷面減少，壅高上游水位，水內(nèi)冰含量越大，阻水越嚴重。這一點常被忽略，應(yīng)引起重視和警惕。

當日平均氣溫在-6℃以下，流速＜0.30m/s時，可形成靜態(tài)冰蓋。這在近幾年南水北調(diào)中線總干渠冰期從河北向北京的試驗性輸水中可以看到這種冰情形式，也就是人們常說的冰蓋下輸水。當0.30m/s＜流速＜0.60m/s時，可形成動態(tài)冰蓋。動態(tài)冰蓋形成會出現(xiàn)冰塞和冰壩現(xiàn)象。因此，冰塞和冰壩是總干渠的主要冰害形式，且冰塞較冰壩阻水更為嚴重，持續(xù)時間更長。

冰水混流對水位的影響較小。冰蓋的形成加大了過水斷面的糙率，影響了過流能力，對總干渠的冰期輸水安全造成了一定程度的影響。

5 結(jié)論

南水北調(diào)中線總干渠是當今世界上最宏偉的跨流域調(diào)水工程。冰期輸水中的冰情冰害問題是一個不容忽視的問題，它不同于東北寒冷地區(qū)的冰蓋下輸水，也不同于南方的明渠輸水，而是液—固兩相流形態(tài)。從國內(nèi)目前對南水北調(diào)冰期輸水的研究，多停留在數(shù)學模型的建立上，而缺乏原型觀測數(shù)據(jù)的率定。南水北調(diào)中線總干渠于今年十月份即將全線通水，因此，對冰期輸水的冰情問題應(yīng)當引起更大的關(guān)注，進行更為深入的研究。

[1]殷瑞蘭，張卉.南水北調(diào)中線工程冰期輸水研究[J].長江科學院院報，2002（9）.

[2]顏丙池.南水北調(diào)冰期輸水原型觀測與研究[J].河北水利水電技術(shù)，2002（2）.

[3]董耀華，楊國錄，大清河系觀測河段及南水北調(diào)中線方案冰情計算分析[J].長江科學院院報 ，1999（6）.