南水北调中线干线冰期输水动态调度初探

李景刚，陈晓楠，卢明龙，孙德宇，陈 宁

（中国南水北调集团中线有限公司，100038，北京）

一、背 景

南水北调中线工程是缓解我国华北地区水资源短缺、优化水资源配置、改善生态环境的重大战略性基础设施，全长1432 km，自丹江口水库陶岔渠首闸引水，跨越长江、淮河、黄河、海河四大流域，自流到北京团城湖和天津外环河，沿途分别向河南、河北、天津、北京四省（直辖市）供水，多年平均调水量95 亿m3。南水北调中线工程自2014 年12 月12 日正式通水，已连续完成8 个年度供水任务，截至2022 年11 月25 日累计调水超过529 亿m3，直接受益人口达8500 多万人，已逐渐成为沿线受水地区的重要水源。

南水北调中线工程由南向北跨越北纬33°～40°，水流由亚热带流向暖温带。其中，总干渠自陶岔渠首至北拒马河暗渠进口段主要为输水明渠，冬季受寒冷天气影响，沿线会不同程度产生冰凌，存在岸冰、流冰、冰盖等冰情。根据工程设计条件，中线工程总干渠冰期输水范围为安阳河以北段，具体为汤河节制闸（不含）至北京惠南庄泵站，全长约480 km；冰期输水时间通常为冬季3 个月，即12 月1 日至次年2 月底。为保障冰期输水安全，中线工程按照现行调度规程，在12 月1 日进入冬季后、形成冰盖前，提高渠道水位，通过控制流量和流速，让水面形成稳定冰盖，在浮托冰盖下输水。这种高水位、小流量、低流速的运行模式会一直持续到冰期结束，导致下游供水量较正常输水期大幅度减少，在影响工程效益有效发挥的同时，也使得冬季水量供需矛盾日益凸显。

南水北调中线工程的冬季输水模式由南向北从无冰输水向流冰输水、冰盖下输水逐步过渡。分析冬季冰情观测有关资料可知，中线工程冬季结冰时间主要集中在每年的12 月中下旬至次年2 月中上旬，而且具有明显的暖冬、平冬和冷冬特征区别。主要结冰范围为京石段，且越靠近下游冰情发展越严重。在典型冷冬年，岸冰、流冰主要分布在安阳河倒虹吸出口以北渠段，冰盖封冻渠段则主要集中在岗头隧洞下游至北拒马河暗渠段；在典型平冬年和暖冬年，渠道内冰盖封冻时间和范围通常相对有限，甚至全线无冰盖产生。

在南水北调中线冰期输水过程中，基于历史观测数据和冰情发展规律，实时监测气象、水情、工情，预测研判气温、水温、冰情发展，进而采取相宜的调度模式，实施动态调度，科学增加输水的时间和范围，对于充分发挥工程效益，最大限度地满足沿线用水户冬季用水需求具有重要意义。

二、冰期输水基本控制原则

南水北调中线工程冰期输水的关键是控制冰期输水流量，采取合理的运行方式和控制规则，使得各渠池能快速形成稳定冰盖，渠池内冰凌“自产自消”，避免冰塞和冰坝等灾害发生。为此，南水北调中线冰期输水渠段一般通过降低输水流量、控制渠道水力条件等方式促使冰盖尽快形成，进而采取浮托冰盖下输水方式运行。其间，基本的调度控制原则为：

①冰期输水宜采用高水位运行，以提高冰期输水能力，同时促进冰盖稳定形成，各节制闸闸前目标水位暂按设计水位控制。在调度过程中，可结合现场蓄水平压、蓄水保温、检修维护等具体需求，适当调整目标水位，其原则上应介于设计水位和加大水位之间。

②冰期输水一般不宜改变输水流量，确需改变时，应采用小幅度逐步微调的方式调整，水位日变幅不超过冰盖稳定的允许范围。

③渠道水位及流量应在进入冰期前逐步调整至冰期运行目标值，在冰期结束后逐步调整至正常运行目标值。

④稳封期冰盖厚度和糙率变化会导致水位波动，应通过闸门调节维持闸前目标水位。冰期调度闸门调整频率基本与正常输水期一致，可适当加密。

⑤节制闸、检修闸、退水闸等控制性建筑物的机电金结设备，以及拦冰、扰冰、融冰、排冰等设施，应在冰期输水前进行全面排查，保证其处于正常待命状态。

三、冰期输水安全控制流量

当前，为保障冰期输水安全，南水北调中线总干渠基于以下条件来确定各渠段冰期最大输水能力，即安全控制流量：冰盖形成为平封模式，在采用闸前设计水位运行时，节制闸闸前水流弗汝德数（Fr）不超过0.06，对应流速0.4 m/s左右。

在此条件下，安阳河以北段冰期输水安全控制流量基本为设计流量的31.56%～47.64%，其中岗头节制闸断面过流能力原则上不超过47.64 m3/s，北拒马河节制闸断面入北京流量原则上不超过22.97 m3/s。在实际运行过程中，沿线的拦冰、扰冰、融冰、排冰等设施经过完善和改进，或者适当抬升渠道运行水位时，总干渠各渠段冰期输水安全控制流量也可适当提升。

四、冰期输水动态调度策略

南水北调中线冰期输水调度过程中，年际间的气象条件存在差异，冰情发展也不尽相同。因此，在时间和空间上均存在实施动态调度的优化空间。对安阳河以北段各闸站所属地区气象站点冬季气温数据、中线正式通水以来的冬季冰情观测数据等进行统计分析显示，自中线正式通水以来，近几年其所经区域最强冷空气过程主要出现在12 月下旬至1 月下旬，低水温时段主要分布在1 月至2 月上旬。12 月中下旬开始，当某一渠段的水温低于4 ℃、气温低于-10 ℃，水温低于2 ℃、气温低于-5 ℃，水温低于1 ℃、气温低于-3 ℃等情况下，会开始有岸冰等冰情出现。而当水温低于1 ℃、最低气温低于-15 ℃、连续3 日负积温积累量低于-30 ℃时，形成冰盖的概率大。

基于上述分析结果及历次冰期输水运行经验，初步提出中线冰期输水动态调度策略：

①12 月1 日开始，中线工程进入冰期输水调度准备状态，输水过程中密切关注气温、水温变化，如遇极端寒潮情况及时调整流量，确保安全。

②初定12 月20 日起，中线工程岗头节制闸以下渠段开始调减流量，各断面逐步调节流量至不超过冰期输水安全控制流量；岗头节制闸以上渠段根据实际气象、水情、工情及沿线用水需求，适当延长正常供水时间，过程中密切关注气温、水温变化。

③具体调度过程中，若某渠段水温低于3℃，或者有显著下降趋势，预测未来3 天可能接近1℃时，开始逐步调减该渠段及以下流量至不超过冰期输水安全控制流量。

④冰期输水结束时间一般为次年2 月底。实际输水调度中，若渠道中冰盖已全部消融，则渠道转入非冰期输水。若第一次寒潮后气温短暂回暖、冰盖消融，但未出隆冬季节（2 月以前），渠道的输水流量及水位仍应保持冰期输水状态。

五、冰期输水动态调度实践

2021 年12 月1 日进入冰期运行后，中线工程全面加强对安阳河以北段各断面水温、气温、冰情等指标的监测，结合中长期天气预报，动态调整冰期调度模式，科学优化各断面流量调减时间，并根据实际冰情和用水需求，按照“岗头节制闸以下流量不超过冰期输水安全控制流量，上游在保障调度安全的基础上尽量满足地方需求”的调度策略，实施动态调度。

1.渠道冰情状况

现场冰情原型观测测站实测数据显示，2021—2022 年度中线冰期输水段具有显著的暖冬特征。以由南向北分布的滹沱河倒虹吸、漕河渡槽、北易水倒虹吸、北拒马河暗渠4 处观测站数据进行分析。

4 站的日平均气温于 2021 年 12 月 13 日—24 日转负，于 2022 年 2 月 19 日—23 日转正，日平均气温-3.46～-0.02 ℃，实测最低气温为-13.70～-9.20 ℃（图1）。其中北易水倒虹吸观测站气温最低，而12 月和1 月气温相对历史同期偏高。

图1 2021—2022 年度冬季各测站日平均气温

其间，渠道水温由南往北总体呈现逐步递减的趋势，4 个观测站的水温整体呈下降、维持低值态势（图2）。其中，滹沱河倒虹吸测站水温为4.65～11.06 ℃，至北拒马河测站则降至2.42～9.10 ℃。工程沿线冬季水温大于2 ℃，最低水温于2022 年2 月3 日在北拒马河暗渠进口测得，为2.42 ℃。

图2 2021—2022 年度冬季各测站日平均水温

受气象、水力条件等综合影响，2021—2022 年度冰期渠道气温、水温相对较高，主要冰情为岸冰，没有形成流冰和冰盖。其中，岸冰范围主要集中在岗头隧洞出口至北拒马河暗渠段，岸冰存在日期为2021 年12 月 25 日 —2022 年 2 月 23 日 ，历时 62 天。 2022 年 1月7 日，全线渠道岸冰总长度最长，达13.61 km，最大宽度10 cm，厚度小于0.5 cm。每日岸冰均为新生岸冰，当日形成、当天融化。

2.输水调度过程

按照冰期输水渠道水位控制要求，在2021 年12月1 日前，安阳河以北段各节制闸闸前水位逐步调整至设计水位以上，并保持运行稳定，为冰期调度做好准备。之后，结合气温、水温、冰情发展和气象预报，实施动态调度。主要流量调度过程见表1、图3。

表1 2021—2022 年度冰期输水渠段主要流量调度过程

图3 2021—2022 年度冰期输水渠段各重点断面流量

①根据中央气象台发布的寒潮预警，2021 年12月23 日—26 日，我国中东部地区自北向南将出现一次明显的降温过程，气温会下降6～10℃，局地下降达到14℃以上。因此，12 月 21 日—28 日，逐步调减岗头节制闸以下渠段向北京、天津和河北的分水流量，合计调减流量30 m3/s，使得岗头节制闸及以下断面输水流量控制在冰期安全控制流量以内。

②受寒潮降温影响，渠道水温下降明显，2021 年12 月23 日后漕河渡槽断面水温已逐步降至5℃以下。因此，12 月 23 日—1 月 4 日，结合地方用水需求，逐步调减岗头节制闸以上渠段向河北的分水流量，合计调减流量52 m3/s。此时，沙河北退水闸断面以上至安阳河倒虹吸出口段，渠道过流超出冰期输水安全控制流量20～30 m3/s。

③之后，安阳河以北冰期输水段整体维持输水流量相对稳定，直至2022 年2 月底。

3.动态调度实效

2021—2022 年度冬季3 个月间，安阳河以北段采用动态调度方式，适当延长非冰期输水时间和范围，相关断面的最大输水流量和平均输水流量均有所提升。其中，安阳河节制闸断面平均输水流量149.67 m3/s，最大输水流量208.14 m3/s；岗头节制闸断面平均输水流量58.18 m3/s，最大输水流量90.00 m3/s；王庆坨连接井平均输水流量25.75 m3/s，最大输水流量41.73 m3/s；惠南庄泵站断面平均输水流量22.61 m3/s，最大输水流量30.96 m3/s。全线运行安全、稳定，未发生冰塞、冰坝以及其他冰冻灾害。

经水量数据统计显示，在冬季3 个月间，安阳河节制闸累计过流量11.61 亿m3，较冰期输水安全控制流量下水量增加了3.70 亿m3，向河北、天津、北京3 省（直辖市）累计供水11.03 亿m3，较水利部年度供水计划内同期计划供水量增加3.38 亿m3，冰期输水动态调度实效显著。

六、结 论

针对当前南水北调中线冬季冰期输水模式造成供水量减少所带来的水量供需矛盾，在现行的中线冰期输水基本控制原则、安全控制流量的基础上，基于历史观测数据和冰情发展规律，提出了冰期输水动态调度策略，并通过2021—2022 年度冬季3 个月的冰期调度实践，验证了中线冰期实施动态调度的可行性。

中线将结合工程智慧化调度和数字孪生建设，今后不断提升冰情演化“预报、预警、预演、预案”功效，切实保障冰期输水安全，进而实施更加精准的时空动态调度，从而更好地发挥工程效益，最大限度地满足沿线用水户用水需求。