南水北调中线总干渠冰情预测模型参数敏感性分析及率定

莫振宁管光华++刘大志黄凯

摘要：南水北调中线工程黄河以北总干渠冬季由于受气温的影响，将有不同程度的冰情产生，总干渠将处于无冰、流冰、冰盖下输水等多种复杂运行状态，运行不当则可能发生冰塞、冰坝危害。为了更准确地预测冰情，文章利用详细热量交换法对不同条件下渠道内一维冰盖生消进行数值模拟，根据2012年冬季的冰清观测结果以均方根差最小的原则率定模型参数。随后通过改变反射系数α、云量C、虚拟冰盖厚度Δh、风速Va、折减系数Cc及Ce、初始水温等分析冰盖厚度对于模型参数的敏感性。仿真结果显示，模型参数中反射系数α、虚拟冰盖厚度Δh这两个参数对冰盖厚度影响较大，气温数据中云量C对冰厚结果影响较大，且在高云量区域敏感性为极敏感，这些规律可以为寒区渠道系统冰情预测模型的开发及率定提供参考。

关键词：冰情预测；南水北调中线工程；冰水力学；敏感性；参数率定

中图分类号：TV143文献标志码：A文章编号：

16721683（2016）06006807

Parameter sensitivity analysis and calibration of the ice cover perdition model of the main canal of the middle route of SouthtoNorth Water Transfer Project

MO Zhenning1，2，GUAN Guanghua1，LIU Dazhi1，HUANG Kai1

（1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Guangxi Water & Power Design Institute，Nanjing 530023，China）

Abstract：Because of the low temperature in winter，different degree of ice cover will grow in the main canal of the middle route of SouthtoNorth Water Transfer Project in the north of the Yellow River .The main canal would be operated under different manner such as icefree，drifting ice and ice cover mode，improper operation will lead to disaster like ice jam and ice dam.In order to anticipate the forming procedure of ice cover in main canals，a mathematical model in this paper was used to simulate the growth and decay of ice cover under different condition by calculating the detailed heat exchange.According to the field observing data of ice cover in 2012，aset of parameters were calibrated which simulation result by minimizing the quadratic error with measured ice thickness.Thenthe sensitivity of six parameters in the ice prediction model was evaluated：reflection coefficient α，cloudiness C，virtual ice thickness Δh，wind speed Va，the reduction factor Cc and Ce，initial water temperature.The results showed that the reflection coefficient α，cloudiness Cand virtual ice thickness Δh are more sensitive to the prediction of ice thickness.When the value of cloudiness is high，the sensitivity of it is extremely high.These results can be used to developed and calibrate the ice cover prediction model of canal system in clod region.

Key words：ice cover prediction；the middle route of SouthtoNorth Water Diversion Project；ice hydraulic；sensitivity；parametercalibration

我国北纬30°以北的江河渠道中普遍存在冰情问题，冰盖的出现使水流由明流转变为封闭的暗流，从而改变了水流的热力条件、水力条件及几何边界条件[1]，因此在寒冷地区冰水力学的研究对合理利用配置有限的水资源有着重要的意义。河渠冰情对水利设施的设计、运行和维护等多方面产生影响。封冻期由于冰花不断在断面处堆积，显著减小河道过流断面，甚至阻断河床断面产生冰塞、冰坝而导致上游含冰水流漫溢，冰坝在溃决时瞬间释放上游的槽蓄量而造成冰水洪峰。为了防治冰灾，工程中常常设立堤防、堤坝、防洪墙；也可设立坝和堰、拦冰栅、拦冰建筑物控制冰的移动[2]。渠道内冰的发展过程是水动力学、力学平衡和热力学综合作用的复杂的过程。而在渠冰冰情众多的因素中，冰盖厚度是其中较重要且常用的参数[3]。冰盖厚度的研究亦是冰水动力学中的重要内容。冰盖厚度关系到冰盖的稳定性、冰盖施加到周围环境的荷载、渠池水力响应和闸门操作过程，冰盖厚度仿真是渠系冬季运行控制的重要前提。

[JP2]冰盖的演变过程一般可分为形成、稳定和消融3个阶段[4]。冰盖厚度的动态变化与冰盖上下表面的热量交换密切相关，在冬季气温较低时，冰盖与空气，冰盖与水体之间的热量交换导致冰盖厚度的增加；春季时气温回暖，热交换使冰盖开始融化，这一过程产生了量与质的变化及形态变化的复杂的冰情现象[5]。近一个世纪来，国内外学者在考虑了冰盖与大气和水的热交换的情况下，在冰盖生消模型建立方面取得了大量研究成果。Stefan（1889）[6]提出了经典的度日模型，该模型以负积温即从计算时刻开始的负气温累积值作为主要参数，模型参数少、简单实用，在工程上有着较广泛的使用。Shen和Yapa（1985）[7]讨论了经典度日模型的缺点，认为其精度低且无法描述融冰过程，在此基础上提出了改进的统一度日模型，该模型在引入部分参数的前提下能够克服传统度日法的缺点，可以模拟冰盖生成和消融的完整过程。国内学者也对度日法展开了大量工作。练继建提出了冰厚生长消融全过程的辐射冰冻度日法，此方法将地面净辐射引入度日法，全面考虑了气温及辐射对冰盖发展的影响[8]。顾李华设定一个负积温增幅标准k，如果负积温增幅大于k，冰厚增加；如果负积温增幅小于k，则冰厚减小[9]。Shen和Chiang（1984）[10]在考虑了水温和冰盖表面热交换的情况下建立了一种新的冰盖生消模型。该模型采用了详细的热量交换计算公式计算了冰盖表面与大气的热量交换，这种详细的计算方法使得冰盖表面与大气之间的热交换量计算更为精确。对于冰盖表面的热量交换的计算，Ashton（1986）[11]提出了一种概化算法来计算，该方法通过冰盖表面温度与气温之差的线性函数来计算冰盖表面与大气的热交换量，该方法只使用一个公式，较详细计算方法简单。

本文建立了基于详细热交换模拟（Shen和Chiang（1984））的渠道冰水力学发展模型，并结合南水北调中线工程放水河渡槽段2012年12月1日至2013年2月28日的实测冰厚数据对该模型的反射系数α、云量C、虚拟冰盖厚度Δh、风速Va、折减系数Cc及Ce等参数进行率定，最终确定模型参数取值和初始水温对模拟结果的敏感性。

1工程背景

南水北调中线工程是缓解我国北方地区水资源短缺、优化水资源配置、改善生态环境的重大战略性基础设施，是关系我国经济、社会和生态协调发展的重大工程。目前该工程已于2014年冬季建成通水，成为北京、天津两市的城镇生活用水主要来源。南水北调中线总干渠由南向北跨越北纬33°-40°，沿线气候从暖温带向中温带过渡，总体处于寒冷地区。黄河以北700 km渠道水流冬季由于受寒冷气温的影响，将有不同程度的冰情产生，总干渠将处于无冰输水、流冰输水、冰盖下输水等多种复杂运行状态，运行不当则可能发生冰塞、冰坝危害，尤其是安阳以北的倒虹吸、闸门、渡槽下游、曲率半径较小的弯道等局部水工建筑物附近。如何解决总干渠冰期输水的运行安全问题，满足各种复杂运行工况下水位流量的控制要求，对保障南水北调中线工程的安全高效运行具有重要工程意义。

本文中使用的实测资料来自长江科学院2012年冬季冰情原型的观测资料[11]。观测2012年12月1日起至2013年2月28日结束，历时90 d，观测范围从石家庄连接段入渠口开始，到北拒马河暗渠入口结束，及黄壁庄和安格庄水库。该冬季供水水库为黄壁庄和安格庄水库，总供水量Q=11～13 m3/s，其中黄壁庄Q=64～70 m3/s，安格庄水库Q=53～56 m3/s，冬季冰期采取闸前常水位、冰盖下输水方式，沿线7个节制闸控制，控制闸前高水运行，整个冬季为小流量、小流速、低弗氏数输水。本文使用的气象、冰厚数据均来自其中放水河渡槽段的实际观测数据[12]。

本文使用武汉大学开发的输水渠道系统运行仿真与控制软件V10中的冰情预测程序包[13]。

4结论

本文结合南水北调工程，运用系统仿真方法根[CM（22*4]据实测气象数据模拟了2012年冬季南水北调中线[CM）]

总干渠冰盖的生消过程，讨论了模型中参数对结果的影响，并提出参数率定方案，得出以下主要结论。

（1）反射系数α、虚拟冰盖厚度是对冰盖厚度Δh仿真结果影响较大的因素，因此在进行参数率定时应优先考虑率定这两个参数。

（2）云量C对冰厚结果影响较大，且在高云量区域敏感性为极敏感，为了提高仿真精度，获取详细精确的气象资料很有必要。

[JP2]由于冰凌现象的复杂性，本文考虑的因素及其变幅尚带有一定的局限性，以下因素亦会影响模型预测结果：

（1）模型未考虑降雪的影响，冰盖上的积雪会阻隔冰体对热量的吸收，冰盖厚度比无降雪时冰盖厚度小。

（2）模型预测采用的数据为气象站监测结果，但其与渠道现场的环境条件并不完全相同。上文结论中可见譬如云量等实际参数对结果影响较大，因此两种条件下的气象数据差异性及其规律值得研究。

参考文献（References）：

[1][ZK（#]王军.平衡冰塞输冰的试验研究[J].水利发电学报，2002（1）：6166.（WANG Jun.A study on ice jam in balance transporting discharge[J].Journal of Hydroelectric Engineering.2002（1）：6166.（in Chinese））

[2]美国陆军工程兵团.河冰管控工程设计手册[M].北京：中国水利水电出版社，[HJ1.93mm]2013.4782.（U.S Army Corps of Engineers.Engineering and Design Ice Engineering[M].Beijing：China WaterPower Press，2013.4782.（in Chinese））