河北省冰期调水水文特性分析

梁艳芹

（河北省石家庄水文水资源勘测局，石家庄050051）

北方地区冬季河道因受气温影响，使得输水河道内结冰，对输水水位流量造成影响，出现水位抬高，流量变小，水位流量关系复杂多变，无论是施测流量，还是整编流量，都带来一定难度。同时，个别河段由于气温下降幅度较大，出现冰塞、冰坝，直接威胁到河道堤防安全，增加了输水管理难度。根据河北省冬季引黄调水资料及黄壁庄水库向北京供水水文监测资料，分析冰情的形成、发展及影响，对结冰期的水文监测及调度管理等有重要意义。

1 冰情的形成

结冰前气温连续下降，使输水河道内水温同步降低，当水温降至零度以下时，从气温低的夜间开始产生岸冰薄冰带。从河北省油故、周官屯站历年资料看，当日平均气温稳定下降到-5℃以下时，岸冰发展成固定岸冰，固定岸冰的横向发展，形成冰盖［1］。

1.1 气温与水温的相关变化

大气与水体间热交换作用的结果就是气温下降带动输水河道内水温下降，当气温持续下降低于水温时，水体热量经水面不断向空中散失，使水温不断降低并接近气温。水的热容量高，而传热性弱，致使水温的变化滞后于气温。用河北省北陈屯站2002年8～12月、2004年1～6月的水温、岸上气温数据绘制的水温、岸上气温关系如图1。

图1 岸上气温与水温关系图

从图中看出，关系点成一带状，气温在-6℃以上，呈线性关系，当气温低于-6℃时，水温趋近于零度。

通过引黄输水监测站油故站、连村站的观测资料，在天然输水河道上，从观测断面垂向上看，平均水温水面最低，水底最高。水面水温最低是由于裸露水面与空气接触，失热较快的缘故。另外，观测断面处敞露水面的长短对观测结果也有影响，敞露水面长，水流出冰盖后热量散失较多，水温稍低。综合看出，无论是垂向还是纵向，水温相对稳定，即垂向水温值均相差不大，站与站之间水温的差值也相差不大。

从水温时程分布上看，前期未封冻时（一般是每年12月中下旬），水温变幅较大，次年1月中上旬稳定冰盖渐趋形成后，由于冰盖隔绝了水体与空气，所以水温变幅较小。结冰期间水温基本保持在零度左右。

1.2 封冻的产生

从图1中明显看出，夜间气温低于-6℃，水温将降到零度，在河岸岸边流速小于0.30m/s的水流平稳处，就地形成岸冰薄冰带，气温稳定下降，日平均气温在-5℃以下时，岸冰不再融化，发展成固定岸冰，河中泓部位出现溜冰花和溜冰。随气温的进一步下降，岸冰的宽度和厚度逐渐增加，尤其流速小的河段岸冰生长较快，敞露水面逐渐变窄，两岸岸冰相连形成冰桥，冰面再进一步扩展而形成河段封冻［2］。

1.3 特殊冰害的形成

在河北省实施冬季跨流域调水中，在大流量运行、多口门引水、闸门开启度变化较大时，也曾发生程度不大的冰塞和冰坝现象，对水工设施和安全输水造成威胁。

1.3.1 冰塞的发生

在河道坡度及水面比降由陡变缓时，如果上游有大量冰花下潜，且冰盖前缘的流速大于冰花下潜速度时，则冰花下潜并聚集在下游比较平缓河段的冰盖下面，阻塞部分过水水道断面造成上游水位壅高，下游水位降低，逐渐发展成冰塞［3］。在河北省引黄调水河道上，部分节制闸前曾发生冰塞现象。

1.3.2 冰坝的发生

在部分引黄河道的卡口或弯道处，由于流冰堆积，束窄过水断面，并显著壅高水位，冰块经大量堆积形成冰坝。冰坝的形成是水力、热力、冰情和河流边界条件综合作用的结果。2005年1月初，引黄干渠牛庄村附近的渡槽附近，形成厚度达1.3m冰坝，造成下游公路桥下游冰块阻塞，当地主管部门采取措施及时排除。

2 冰期输水水文特性变化

由于输水河道的结冰，使得水流的水文规律也发生变化。本文仅以冰厚、水位、流量为例来说明。

2.1 固定点冰厚的变化规律

冰盖的形成与发展直接受气温的影响，随着气温的下降、水温降低，冰厚不断增加。在气温达到一个负的极值之后有一个缓慢回升的过程，随着气温的回升冰厚逐渐变薄。根据周官屯站基本水尺断面观测的固定点冰厚资料，说明固定点冰厚的变化规律。该站气温降至最低点并维持较低气温的时间通常是当年12月25日～次年1月5日，此后气温缓慢回升，而冰盖的增厚持续到次年1月8日，之后冰厚不再增加，进入一个相对稳定期。以后随着气温的回升冰厚逐渐变薄。

在冰厚增长的过程中，连续出现负气温是冰厚发展的条件，累计负气温与冰厚的关系可用如下公式表示［4］:

式中 hI为冰厚（m）；A为系数；∑（-T）为自秋季日平均气温转负之日起算的累积日平均负气温（℃）。

系数A系根据实测资料用下式推求：

根据周官屯站2002年入冬以后的累积日平均负气温的绝对值与冰厚，用式（2）计算系数A的值，建立累积日平均气温的绝对值与系数的关系，如图2。该站建立的累积日平均气温的绝对值与冰厚的关系，如图3，说明累积日平均气温的累计值对冰厚影响较大。

图2 累计日平均负气温与冰厚系数关系

图3 累积负气温与冰厚关系

2.2 冰情对水文要素的影响

随着冰期冰情的发展，尤其是河道形成冰盖进入封冻期后，输水河道水流的水文要素发生变化。

在流量不变的前提下，水位会有所抬升。统计河北省引黄入冀监测站连村、代庄站相同流量条件下封冻期、畅流期水位对比结果如表1。

表1 相同流量条件下输水水位对比

流量相同情况下，水位分别相差0.34m（水深3.41m）、0.24m（水深2.20m）。说明封冻期输水由于冰盖的存在，在保持流量的需求下，会造成河道输水的水位上涨，甚至影响堤岸安全。

近几年实施的南水北调中线总干渠向北京市应急供水的实践表明，当由节制闸控制时，适当提高闸前水位，提高节制闸的过流能力，从而可以提高完全冰封的渠道的过水能力［5］。

2.2.2 冰情对流速的影响

河道形成冰盖后，水流的上下及两侧有固体边界，河中水流形同管流，湿周增加，水力半径变小，受冰盖底面的阻水作用，使流速沿垂向分布发生变化，断面平均流速减小。冰盖形成前，水面流速最大，冰盖形成后，一般0.5倍相对水深处流速最大且稳定，因此测流选点宜选择一般0.5倍相对水深处。从同流量不同时期的流速比较来看，畅流期流速大于流冰期流速，流冰期流速大于封冻期流速［6］。

北京市水利科学研究所对京密引水渠的冰期观测结果是：断面平均流速控制在0.6m/s以下时，可避免冰盖前缘冰花下潜并向下游输移，实现稳定输水。通过对河北省引黄监测站的资料分析显示：渠道平均流速在0.4m/s以下时，在封冻冰缘前有近半数溜冰、溜冰花发生冰面堆积，近半数下潜。

应用能力培养也离不开知识迁移能力的培养，教师在教学过程当中应选择一些重要的概念形成、发展、完善的过程来讲。由此通过数学家思维的发展过程体现知识由特殊至一般、再由一般到特殊的过程。由特殊到一般是知识体系形成的过程，体现了数学家的思维过程，而一般到特殊的过程是知识应用的过程，即如何将一般的知识用于特殊的问题解决中。通过这一过程的讲解帮助学生从广度、深度上思考问题，拓展学生的思维空间。

2.2.3 冰情对河道过水能力的影响

2.2.3.1 结冰期流量的空间几何变化

形成冰盖后的水流形同有压管流，与同样面积畅流期相比，增加了对水流的阻力，使同水位下流量减小。冰层所增加的阻力与冰底糙率有关。对比连村、代庄、周官屯站相同水位条件下封冻期、畅流期流量，如表2。

表2 相同水位条件下输水量对比

由表2可知，在相同水位下，连村、代庄、周官屯站冰盖下输水比无冰时流量分别减小11.7，13.8，17.1m3/s，减少率分别为 27%，26%，34%。

由于冰盖的产生，断面水流受到河床和冰盖的双重作用，增加了断面湿周，减小了水力半径，使过水断面水流阻力增大，河渠输水能力减小。而且，各断面流量受气温因素影响较大，流量变化复杂，上下游相应性差，对照上下游流量过程线成锯齿形。

2.2.3.2 流量的时程变化规律

在多年的冰期测验中发现，冰期流量随气温的变化而有相应的变化，当气温每日跨越0℃上下变动且日变化温差很大时尤为显著。特别是小河渠，变化更为明显。如南皮县肖圈干渠肖圈站，1994～1998年冰期流量明显呈现锯齿形变化，每日6～8时所测流量小，15～16时所测流量较大。

由于引黄输水时未进行日周期流量测验，根据张家口地区钱家沙洼、柴沟堡水文站、石家庄局小觉水文站日周期测验成果得出:流量变化规律与气温基本一致，呈日周期变化［6］。 在 6:00～8:30 之间，气温最低，流量也最小，14:30～17:30之间，气温最高，流量常为最大。同一日中最大最小流量相差2倍以上。输水监测站流量相差没有这么悬殊，流量日变幅为20%。

3 冰期输水的保障措施

根据河北省20多年的引黄调水实践，要保证冬季结冰期引黄安全输水，需要各方各级管理部门和水情监测机构，周密安排，科学调配，加大冰期输水保护力度，千方百计保证输水安全。

（1）要进一步加强领导，落实责任，严格值班制度，特别是要做好节假日值班工作，遇有情况及时上传下达，确保调水工作正常进行。

（2）调度部门在冰情严重时，应当控制河道输水流量，减少节制闸门的频繁变化，减少水流的暴涨暴落；适当提高节制闸前水位，控制断面流速小于0.4m/s以下，确保下游稳定输水。

（3）制定并完善冰期输水抢险预案，认真落实应急抢险措施，备足备好物料和机械，做到物资到位、人员到位，确保在最短时间内排除冰塞、冰坝等冰灾威胁。冰期认真做好水情与水闸工程巡查工作，进一步加大对渠道巡查的力度，密切注视水情、冰情和工情变化，确保调水渠道安全、水流通畅。

（4）制订冰期输水测量预案，提前落实各项应对措施。确保冰期输水数据测量工作正常进行。根据冰期流量日周期变化规律，选择合适的测流时机提高日平均流量的精度。

4 结语

本文从输水河道冬季冰期观测中，阐述了水流从气温下降到水温相应下降，从岸冰生成到全部封冻，从全面封冻到冰灾形成过程。在预防冰害威胁中，应把握科学时机，强化冰期输水管理工作。分析了冰情对河流水文要素的影响，尤其是减少了河道流量，降低了河道过水能力，给河道上的取水口闸门及节制闸们的运行管理带来不便，难以合理控制开启度。提出了冰期调水中调度运行管理部门应采取的措施。

［1］礼涛，刘娟，赵亮.引黄济津潘庄线路应急输水工程河北段冬季输水冰情分析［J］.河北水利，2012（5）：43.

［2］李根生.引黄济津冬季输水冰情观测与分析［J］.南水北调与水利科技，2006，6（4）:25-27.

［3］朱晓原，张留柱，姚永熙.水文测验实用手册［K］.北京：中国水利出版社，2013.

［4］SL—93，河流冰情观测规范［S］.

［5］穆祥鹏，陈文学，崔巍，等.南水北调中线干渠冰期输水能力研究［J］.2009，12（6）:118-121.

［6］河北省水文水资源勘测局.河北省重大水问题战略研究［M］.北京：中国水利出版社，2010.