南水北调中线干渠冰期输水能力研究

2014-04-29马健谢兵波

信息周刊 2014年2期

关键词：干渠中线南水北调

马健谢兵波

【摘要】本文主要集中分析了南水北调中线干渠冰期输水能力的相关问题，论述了干渠冰期输水能力的薄弱环节，进而提出了一些提升输水能力的对策和建议，希望能够供同行参考。

【关键词】南水北调；中线；干渠；冰期；输水能力

一、前言

在南水北调中线工程中，冰期的病害对于水力的输送带来了很大的困难，因此，为了提高南水北调中线工程的水力输送能力，必须要更加深入的探讨干渠冰期输水能力的相关问题。

二、中线供水工程特点分析

按照南水北调中线总体规划的要求，利用水文情势丰枯互补的有利条件，中线外调水与受水区当地地表水和地下水联合调度，丰枯互补，提高供水保证率，用中线水置换当地地表水和地下水，实现水资源的优化配置与合理利用，因此中线供水工程属于重要补充水源。

中线供水工程是补充水源这一特征，是所有中线供水调度特点中最重要的一个特征。中线供水工程既要按市场运作，但却又是补充水源，这为中线实际运行调度带来一个难题，主要表现在：

1、中线供水是补充水源，也就是说中线供水并不是受水区唯一的水源，那么受水区用户对中线供水的需求存在着一定的不确定性和风险性。由于水文情势的不确定性和随机性，用户对水资源需求也伴随着有一定的不确定性和随机性，当受水区水资源丰富的时候，对外调水需求降低，甚至是零需求；当受水区水资源紧缺的时候，对外调水需求增大。这一不确定性和随机性特点，实际上增加了中线供水调度的风险和成本，也严重影响中线供水的效益。

2、中线供水水价与当地水价口径不统一。前面已经说明中线供水调度的有偿性，通过水价来反映。水资源是一种母体资源，是人们赖以生存的资源，这就决定了水价不可能无限度的提高。从南水北调水价计算来看，调水将按完整的水价原则定价，包括资源水价、工程水价和环境水价。中线长距离调水，水价成本较大，而且到达最终用户还要经过若干环节，成本逐个环节上升。因此由于外调水与当地水水价成本的巨大差距，中线供水水价与当地水价口径不可能统一，那种寄希望于拉平当地水的水价与外调水的水价，显然是不现实的。

三、冰期输水阶段划分

根据气象条件和冰盖形成及融化过程，冰期输水大体分为五个阶段：冰期目标水位生成阶段、流冰阶段、冰盖形成阶段、冰盖下输水阶段、融冰阶段。不同阶段冰凌对输水建筑物的安全威胁程度不同，其中冰盖形成阶段和融冰阶段为输水关键阶段。

1、冰期目标水位生成阶段

冰期目标水位生成阶段，即总干渠明渠段控制闸闸前水位逐步提升至冰期目标水位的阶段。时间为12月上旬至12中旬。

2、流冰阶段

流冰阶段即，由于气温和水温相对较低，水中含有一定浓度的冰花、冰屑或冰片甚至冰块，在此期间若继续输水则为流冰输水。时间为12月中旬至12月下旬。

3、冰盖形成阶段

冰盖形成阶段，即随着气温继续下降，总干渠由流冰逐渐形成稳定冰盖的阶段。大体时间12月下旬至次年1月上旬。

4、冰盖下输水阶段

冰盖下输水阶段，即形成稳定冰盖后继续保持输水。大体时间12月下旬至次年2月上旬。

5、融冰阶段

融冰阶段，即随着天气转暖冰盖逐渐融化，在此期间继续保持供水。

四、渠道冰期输水能力的控制指标

1、渠道结冰期的输水能力控制指标

进入结冰期，渠道内首先产生流冰，如果拦冰索前的水流条件不致引起水流下潜，那么流冰就会在拦冰索前堆积，拦冰索前的渠道断面首先生成冰盖，并逐渐向上游推进。对于冰盖下输水的渠道而言，在冰期到来之前，应该通过节制闸的调控形成适宜冰盖生成的水流条件，保证流冰不在拦冰索或冰盖前缘下潜。

前人的研究发现，冰盖前缘的水流佛汝德数的大小决定了渠道冰盖的推进模式。表1为不同水流佛汝德数条件下，冰盖的推进模式。由表1可知，为了避免冰塞发生的可能，实现渠道冬季的安全输水，在冬季结冰过程中，各渠池水流佛汝德数应小于流冰完全下潜的临界值，即第二临界佛汝德数。沈洪道、孙肇初等经现场观测认为，第二临界佛汝德数在0.09左右，黄河的刘家峡、盐锅峡河段的原型观测结果也表明冰盖停止发展的临界佛汝德数为0109，引黄济青工程经过多年的运行实践，规定渠道冰期输水过程中水流的佛汝德数应小于0.08，京密引水工程將佛汝德数小于0.09作为渠道冰期运行的控制条件之一。可见，要实现渠道的冰盖下输水，在结冰期内渠道水流的佛汝德数应小于0.08～0.09。在本次研究中，出于安全考虑，将冰花完全下潜的第二临界佛汝德数取为0.08。渠道在冬季运行时采用闸前常水位的运行方式，在闸前控制水位一定的情况下，渠道沿线的水流佛汝德数随着输水流量的增大而增加。因此，可将渠道的初始佛汝德数小于0.08作为确定渠道在结冰期输水能力的控制指标之一。

表1 不同水流佛汝德数条件下冰盖的推进模式

注：Fr1、Fr2分别为第一和第二临界佛汝德数，为反映冰盖推进模式的临界参数。

水流流速也是影响渠道冰盖发展模式的因素之一。1989年-1990年冬季以及1990年-1991年冬季，北京市水利科学研究所对京密引水渠开展了冰期输水观测，发现当流速小于0.6m/s时，上游产生的薄冰片漂浮于水面，到达冰盖前缘或拦冰索处，不潜入水中，而停滞在冰盖前缘呈叠瓦状堆积，冰面堆积到一定的厚度后，逐渐向上游发展，并形成冰盖。北京市水利科学研究所综合分析了原型观测结果，认为在结冰期渠道内的断面平均流速应控制在0.6m/s以下，以避免冰盖前缘冰花下潜并向下游输移。因此，渠道在结冰期也应保证水流流速不超过0.6m/s。综上所述，确定渠道在结冰期的输水能力的控制指标：渠道的初始佛汝德数不超过0108；渠道内的水流速度不超过0.6m/s。在该控制指标的指导下，通过计算敞流渠道的恒定流，就可以确定不同闸前控制水位下，渠道在结冰期所能达到的输水能力。

2、渠道完全封冻后的输水能力控制指标

渠道在完全封冻以后，受到冰盖阻力的影响，在相同的输水流量和支枢点控制水位下，渠道的水位会较敞流期有较大的壅高，水位壅高是制约渠道在完全封冻后的输水能力的关键因素。渠道的水位壅高与渠道的运行控制方式和冰盖糙率密切相关。下面分别对冰盖下输水渠道的运行控制方式和冰盖糙率进行分析。

（一）冰盖下输水渠道的运行控制方式

输水渠道常在节制闸或倒虹吸的上游设置拦冰索，顺流而下的流冰在拦冰索前堆积，形成初始冰盖，并逐渐向上游推进。由于冰盖在生成过程中，渠道的综合糙率增加，当输水流量一定时，渠池内的水面线将壅高。为了保证冰盖在推进过程中的稳定，比较理想的运行方法是：控制拦冰索附近的水位不变，使渠池内的水面线以此为支点向上转动。即，渠道在冬季运行时，理想的运行方式是闸前常水位。采用此运行方式，在输水流量不变的情况下，渠道糙率增加必然引起渠道内的蓄量增加，水面线将以闸前断面为支点向上转动，越向渠池上游，水位壅高的幅度就越大，每个渠池的首断面将是结冰期水位壅高最大的断面。

（二）冰盖糙率分析

冰盖糙率越大，输水能力就越小，确定渠道冰盖糙率范围对确定渠道冰期输水能力十分重要。影响冰盖糙率的因素包括冰盖下的输水时间长度和冰盖的推进模式。整个冬季，渠道冰盖糙率并不是一成不变的，实际观测表明，冰盖糙率是时间的函数，冰盖形成初期糙率最大，一般称为初始冰盖糙率。随着水流的冲刷，冰盖底部的棱角逐渐变得圆滑，糙率值逐渐减小，并最终趋近于某一稳定值。冰盖的初始糙率与冰盖的推进模式密切相关。当渠道内的冰盖按照平封方式生成时，冰盖的下表面光滑，冰盖糙率小。当渠道内的冰盖按照立封方式生成时，冰盖的下表面因流冰的堆积而参差不齐，冰盖的初始糙率就较大。

五、冰期输水技术

1、工程措施

①在出口处水流是紊流，不容易结冰。并且闸门在闸室的封闭状态中，与室外形成两个不同的温度环境。为防止流冰进入倒虹吸，在建筑物进口还设置了胸墙用以挡冰和杂物，输水实践证明，这种措施是有效的。

②应急供水工程所有的节制闸、检修闸、退水闸的防冰冻设施（如闸门槽加热设备）在冰期前完成调试，具备正常运行条件，确保冰期输水时，各闸门开启灵活，避免冰冻影响闸门操作的灵敏度。

在闸门槽内埋设有加热系统。一旦气温降到结冰点，造成门槽冰冻时，可以启动该系统，进行局部加热融冰，防止闸门槽附近结冰。它是在闸门槽里面埋设一套循环油管，在外部加热油，热油在管内循环流动，从而提高闸门槽处的温度，达到融冰的目的。

2、管理措施

科学调度，管理措施跟上。干渠的建设和运行管理部门对这次输水运行非常重视，通水前做大量的准备工作；通水运行时科学计算、严格管理、合理调度。还聘请了山东胶东调水局的十多名富有多年调水经验的专家帮助调度运行。

为了防止闸门前结冰，冬季输水采取临时应急措施。对冰期运行的各项安全措施作了规定，并明确了不同阶段的调度要求，主要内容如下。

①建立冰期输水运行管理责任体系，加强各级运行管理和现地调度值班力量，强化各自责任意识。

②编制冰期输水应急预案，明确在不同的建筑物出现冰塞、冰盖破裂等情况时的应对措施。

③制定冰期输水运行监视制度，预警制度，建立冰期輸水运行的监视通道，明确不同气温条件下重点监视部位、频率和要求，特别注意流冰输水及冰盖形成期间的冰情、水情变化。

④对于渠道断面急剧变化部位，如建筑物进口，配置专人和设备捞冰以及预警报告，应保持排冰运输通道畅通。