南水北调中线干渠冰期输水冰情分析及冰害防治措施

2015-11-24刘建军滕丽娟刘嘉伟

水科学与工程技术 2015年3期

刘建军，滕丽娟，刘嘉伟

（1.河北省桃林口水库管理局，河北秦皇岛066004；2.秦皇岛水文水资源勘测局，河北秦皇岛066004；3.承德水文水资源勘测局，河北承德067000）

高纬度地区的河流、渠道在冬季会出现结冰现象，形成水内冰、浮冰和冰盖［1］。南水北调中线总干渠自丹江口水库陶岔闸渠首至北京玉渊潭全长1240km，全程有1700多个交叉建筑物，向沿程5省市输水。冬季丹江口水库水温为4 ℃左右，渠道跨越8个地理纬度，沿程气温逐渐降低，安阳以北地区气温在0 ℃以下，极端气温可达零下十几甚至二十几摄氏度，总干渠北部出现冰问题是不可避免的。总干渠沿程含冰量增大，有可能产生冰塞冰坝，影响冬季输水；总干渠横断面发生变化时，如渠道转弯、断面收缩或扩大、渠道与渡槽等交叉建筑物相衔接等处均可能发生冰害，产生冰塞、冰坝，闸前后结冰使建筑物遭破坏。此外，河北省段所处的地理环境气候条件、水文地质条件及设计运用情况，决定了其具有发生冰冻害的必然性［2］。

1 总干渠沿线冰情

1.1 河北沿线气候特征

南水北调中线干渠河北省段供水区位于华北平原中部，受西北冷空气影响大，据中线总干渠沿程磁县、永年、内丘、元氏、唐县、满城、易县、涞水8个气象站多年统计，南水北调中线干渠河北沿线每年12月上旬至次年2月下旬日平均气温均在0 ℃以下，其中最低极端气温在零下20 ℃以下，低于寒冷气候区最冷月平均气温-10 ℃≤ta≦-3 ℃标准，属寒冷气候区。

1.2 河北供水区出现冰情的必然性

1.2.1 地域跨度大气候梯度大

南水北调中线干渠河北省段线路长超过400km，沿线所经区域纬度差别大，气象指数梯度大，中线干渠南部为寒冷气候区和温和区交叉地带，中北部为寒冷气候区，最冷月平均气温在零下3 ℃，极易产生冰花、冰凌，并在特定水流条件下形成冰盖。

1.2.2 工程规模大交叉建筑多

南水北调中线总干渠流量大，流速也很大，渠道内较大的输水流速使水内含冰量增加，为流冰花下潜提供了动力条件，利于形成冰塞冰坝；总干渠沿线交叉建筑物多，用户多，输水分水的流量不稳定，易于形成流冰或冰阻，且建筑物的局部遮荫作用使冰情更复杂化。

1.2.3 水流方向由低纬度向高纬度

南水北调中线总干渠输水方向由南往北，从低纬度区流向高纬度区，由温和区流向寒冷气候区，结冰期冰花向北愈积愈多，易形成冰害；解冻期，南部开河解冻，北部还在坚冰期，形成倒开河，易产生冰塞，随着水力条件的增强还有可能造成武开江，如果水流中含大量的冰块，则为冰坝发生提供了物质条件和动力条件。

1.3 渠道冰期输水冰情及其产生条件

1.3.1 冰期输水可能遇到的冰情

当气温降至0 ℃以下时，水温下降且达到凝固点，渠道缓流渠段上会形成大量冰花，并在岸边形成初生薄岸冰，冰在水流作用下破碎与冰花一起输移，渠道则开始流凌。当流凌密度达到一定程度时，在渠道与水工建筑物交叉处、断面显著变化处，由于流凌速度减小或发生回流涡流，使流凌冰块输移受阻、壅塞，形成冰桥，随冰桥面积扩大，渠道进入封冻阶段。在封冻过程中，冰桥两侧结冰扩大形成冰盖。当冰盖前缘的水流动能足够大时，冰盖前缘冰花下潜堆积形成冰塞。春季气温回升，渠道进入流凌期，总干渠流向由南向北，且跨越地理纬度大，温差大，会出现上游冰融，下游冰处于坚实的状态，上游来冰会在河床束窄处、弯道处、坡度由陡变缓处、及坚实冰塞前受到阻碍卡冰结坝，形成冰坝。

1.3.2 冰盖形成条件

冰盖是在特定的条件下冰凌堆积、加密，在水面上形成的一层坚实冰。冰盖生成往往需要3个条件：①一定的河道形态，冰盖起初易形成于河道的弯曲凸岸、水库的回水末端、及纵断面由急变缓处；②充分的冰花、冰块，即足够大的流凌密度；③封冻前缘处的流速满足临界条件。

当流凌密度达到中度流冰的较大值或全面流冰时，在一定的渠道形态和水力条件下流冰运动不畅，相互拥塞，冻结形成冰桥或冰拱，面积渐增，渠道开始进入卡冰封河状态，形成初始冰盖，冰盖在特定的条件下分别以平铺上溯式、水力加厚式和力学加厚式3种形式向上游发展。

1.3.3 冰塞形成条件

渠道封冻过程中，水流中随主流向下游移动的大量冰花遇到障碍物或者流凌量大于渠道最大过冰能力时，冰花聚集形成连续冰桥。当水流流速较小时，上游所来冰花停止在冰桥上游，冰盖开始形成且不断向下游发展，当水流流速较大时，上游所来冰花下潜到自己形成的冰盖下面，冰在冰盖下移动、聚集、使冰盖加厚，形成初始冰塞。

冰塞的形成条件：①有足够的冰花；②有阻止冰花通过的边界，一般出现在河道的坡度由陡变缓，由宽变窄，河槽弯曲段，水库的回水末端，河道与水工建筑物的交叉处等；③水流速度达到冰花下潜的临界流速。

1.3.4 冰坝形成条件

冰坝是在冰凌水流演进中，因过水断面收缩、河槽比降减缓或原型封冻冰盖等使过流能力减小，由块大质坚的冰块上爬下插堆积而成。

冰坝的形成条件：①上游河段有足够数量和强度的冰块；②具有输送大量冰块的水流条件；③具有阻止大量流冰的边界条件，如河道比降由陡变缓处、水库回水末端、河流入湖或入海地区、河流急弯段、河道狭窄处及有冰塞的河段处。

1.4 河北供水区沿线冰情［3］

武汉水电大学和长江科学院《冰期输水计算分析》中以1979～1980年和1976～1977年为典型年，代表一般平冬年和寒冷年进行数模分析。1979～1980年为平冬年，最冷月平均气温:邢台-1.9 ℃，石家庄-2.3 ℃，满城-3.5 ℃，出现有影响的寒潮9次，比平均值多45%。1976～1977年寒冬年最冷月平均气温：邢台-5.2 ℃，石家庄-6 ℃，满城-7.1 ℃，出现有影响的寒潮11次，比平均值多77%，为22年中的首位。据此进行数模分析，在平均输水情况下的冰期天数和输冰量如表1。

表1 平冬和冷冬年冰期历时

从表1中看出，平冬年石家庄以北的流冰期达40d，满城县60d，北拒马78d。水利部水科院《南水北调中线工程冬季输水冰情初步研究》提出：上游来冰凌流量大于河道的允许过水能力时，渠道中就会出现冰凌堆积而形成冰塞。由总干渠断面要素分析得出：郑州到北京沿线各段的河段最大过冰能力在0.28～0.1m3/s之间，表中计算的最大流冰量，平冬年1.38～1.55m3/s，冷冬年1.4～8.56m3/s，均大大超过允许值，说明极易产生冰塞，发生冰害。