南水北调中线北拒马河节制闸2020年~2021年冬季冰期输水成果分析

梁万平，刘宏东

（南水北调惠南庄管理处,北京 102407）

北拒马河暗渠工程位于河北省涿州市东城坊镇西疃村、北京市房山区大石窝镇南河村及惠南庄村,是南水北调中线干线工程穿越北拒马河中支、北支的大型交叉建筑物。北拒马河暗渠节制闸工程上游与南水北调涞涿段明渠相接,下游为暗渠工程,工程为1 等工程,设计流量50 m3/s,加大流量60 m3/s。总干渠正常运行时,节制闸控制开启孔数或开度,保证渠道以正常水位运行,并满足上游分水口的供水要求,惠南庄泵站突然停机时,开启退水闸的同时,迅速关闭进口节制闸。泵站及暗渠一孔检修时,节制闸可一孔过水,一孔挡水。节制闸包括工作闸门和检修闸门,工作闸门选用露顶式弧形钢闸门，门高4.7 m,用液压启闭机启闭;检修门选用浮箱叠梁,电动葫芦起吊。工作门及检修门均为正向单侧挡水,挡水水头4.4 m.节制闸最高挡水位为61.39 m,最高运行水位为61.35 m。

北拒马河暗渠节制闸起止桩号BH0+038.30 m~0+095.0 m,全长56.7 m。上游进口翼墙为悬臂式椭圆形钢筋混凝土结构,长20.9 m。闸室为整体平底板开敞式,起止桩号BHO+059.20 m~0+079.000 m，长19.8 m；闸室为2 孔,每孔宽5.6 m；底板顶高程为57.00 m,底板厚1.2 m,中墩厚1.5 m,边墩厚1.2 m,闸室总宽15.1 m。闸室前段墩顶高程63.00 m,后段墩顶高程64.00 m。墩顶高程63.00 m 段长8.55 m,布置拦污栅及抓斗式全自动清污机、检修叠梁门,检修门处闸墩上部设一层封闭闸房,检修闸房上游侧设宽1.68 m 工作桥。墩顶高程64.00 m段长11.25 m,主要布置工作弧门,下游端布置工作门液压启闭机泵站,闸后渐变连接段,桩号BH0+079.00-0+095 m,长16 m,为钢筋混凝土箱形结构,2 孔,每孔宽5.6 m,高5 m.底板厚0.8 m,边墙厚0.8 m,顶板0.8 m,中隔墙厚由1.1 m 渐变为0.6 m。翼墙、闸室及闸后连接段均为C30F150W6 钢筋混凝土结构。缝间设二道止水。

南水北调中线北拒马河节制闸冰期输水时间为12 月初至次年2 月底,通过本次冰期输水,总结出了冰期输水现场管理工作的基本特点,梳理了现场管理工作思路。受地理位置、气象条件和工程特征影响,北拒马河暗渠进口段每年冬季出现不同的冰情,根据多年观测数据,冬季冰盖持续时间最长约50 天,冰厚最大为30 cm。北拒马河暗渠位于南水北调中线干线工程明渠段末端,暗渠下游直接连接惠南庄泵站,因此研究该渠段冬季冰情发展,对提高中线冬季向北京供水保障率具有重要意义和价值。

1 水力调度参数与气象条件

（1）水力观测

根据中线2020年~2021年冬季冰期输水方案要求,北拒马河暗渠节制闸于2020年12 月1 日开始逐渐降低至冬季冰期输水流量,输水流量22.5 m3/s~23.5 m3/s,闸前水深3.68 m~3.89 m,平均流速0.36 m/s~0.38 m/s,Froude 数为0.059~0.063,整个冬季北拒马河节制闸输水流量基本稳定,闸前冰情发展对闸前运行调度有一定影响,水位波动0.2 m,整体运行安全。

水温是影响冰情发展重要因素,北拒马河节制闸水尺断面水温过程见图1,水温变化阶段分三个过程,第一个阶段为水温下降阶段,2020年12 月以后水温由8.8℃逐渐下降,2021年1 月4 日水温逐渐降至1℃；第二个阶段,2021年1 月5 日至15 日,水温低于1℃,并且在0℃附近持续一段时间,该阶段冰情最严重；第三个阶段,1 月16 日后,水温逐渐回升,节制闸前冰情逐渐消失,截止2 月7 日闸前水温升至4.70℃。

图1 2020年~ 2021年冬季北拒马河暗渠节制闸水温过程曲线

（2） 气象观测

根据北拒马河节制闸附近自动化气象站观测数据分析,该冬季北拒马河节制闸附近2020年12 月1 日前日平均气温稳定转负,2021年2 月17 日气温稳定转正,负积温约-235℃,实测最低气温-22.9℃,为中线全线通水以来实测最低气温值,见图2。

图2 2020年~2021年冬季气温过程曲线

根据观测,2021年1 月6 日～1 月8 日中线京津冀工程段出现大风降温过程,保定市的保定气象站、雄县气象站、顺平气象站创造建站以来的最低气温值,其他气象站接近建站以来最低气温值。2020年12 月1 日至1 月10 日积累负积温-177℃,为保定站1968年以来同期累积负积温序列第二。剧烈的强降温过程促使冰情迅速发展。

图3 全线正式通水以来典型冬季气温变化曲线

图4 保定市各气象站2021年1 月6 日~8 日气温最低值与各站建站以来最低值对比（保定、雄县、顺平站创造建站以来最低气温值）

2 2020年~2021年基本冰情

受地理位置、气候条件及工程布置影响,北拒马河暗渠渠段为中线干线冬季冰期输水重点监测渠段。该冬季冰期从2020年12 月14 日开始,2 月5 日结束,冰期历时54 天,闸前封冻时间为10 天,最大冰厚为15 cm。整个冬季冰期发展分为3 个阶段,结冰期、封冻期及开河期,不同阶段出现不同冰情。

2.1 结冰期

结冰期主要冰情为岸冰、流冰。

2020年12 月14 日北拒马河暗渠进口开始出现岸冰,开始出现岸冰的气温-12℃,水温3.5℃,渠道岸边流速为0.25 m/s,早期岸冰沿渠道边缘呈条带状,伸向水面的一侧呈锯齿状,随着白天气温回升,岸冰与渠道边坡融化脱离,岸冰出现预示该冬季总干渠开始进入冰期。

随着气温、水温降低,渠道开始出现流冰，12 月31 日,北拒马河渠段出现寒潮降温,最低气温-13℃,水温降至1.3℃,暗渠进口渠段开始出现零星稀疏流冰,流冰厚度小于0.5 mm。2021年1 月6 日~8 日,中线工程出现大范围的寒潮强降温过程,最低气温-22.9℃,水温从0.5℃降至0℃附近,北拒马河暗渠进口出现大量流冰,流冰呈表面流冰层状,铺满整个渠道断面,流冰厚度为4 mm~6 mm,1 月6 日晚上,大量流冰在暗渠进口导冰索前堆积,形成初始冰盖,然后继续发展,1 月8 日,暗渠进口冰盖长度约250 m。

2.2 封冻期

封冻期主要冰情为冰盖厚度发展。1 月6 日大量流冰堆积促使暗渠进口冰盖形成。1 月7 日,暗渠进口冰盖长约230 m,冰盖厚度为4.5 cm 左右,封冻期冰盖厚度发展迅速,1 月12 日冰盖最大厚度为15 cm,随后气温回暖,冰厚开始保持不变,1 月14 日随着气温回暖,冰盖厚度快速减小,渠道进入开河期。

图7 北拒马河测站冰厚发展过程

2.3 开河期

开河期主要冰情为开河流冰。1 月16 日,随着气温回暖和上游高温来流的影响,北拒马河暗渠进口渠段开河进入开河期,开河期冰盖融化迅速,该暗渠封冻段冰盖2 天内全部开敞,仅有两岸剩余岸冰,暗渠进口冰盖完全开河。

在开河期,水温是诱发开河的主要因素,1 月14 日水温由0℃逐渐回升至0.2℃,冰厚厚度保持不变,1 月16 日后,上游高温来流进入该渠段,该渠段水温快速升值0.5℃,促使暗渠进口冰盖当日开河。

根据2020年~2021年冬季冰期输水观测,北拒马河暗渠进口冰情具有发展速度快,持续时间短的特点,发展速度快表现为形成冰盖速度快,冰厚发展速度快,开河期冰盖融化速度快。强降温寒潮和水温是影响该冬季冰情发展的主要因素。

3 冰情危害及应对措施

3.1 冰情危害

受2021年1 月6 日~8 日寒潮强降温影响,该冬季北拒马河暗渠进口冰情发展迅猛,对北拒马河节制闸渠段冬季冰期安全运行带来一定威胁,主要包括：

（1）流冰堵塞节制闸前拦污栅,1 月6 日晚,北拒马河暗渠上游渠道形成的大量流冰,部分流冰穿过导冰索,运动至节制闸进口的拦污栅前,存在堵塞拦污栅孔,影响渠道输水流量的可能性,为保障正常供水,按照先前安排,昼夜加强人工捞冰力度,避免大流量流冰在拦污栅前堆积,保证正常供水。

（2）冰情发展速度快,影响节制闸前水位波动,1 月8 日,随着上游冰情发展,冰盖长度增加,北拒马河暗渠进口水位下降约20 cm,影响泵站向北京自流供水流量。根据现场冰情观测,分析出影响节制闸前水位下降原因,主要为渠道上游至北拒马河暗渠进口渠段大流量流冰下潜堆积,侵占过流面积,影响了渠道过流条件,导致渠道输水能力瞬间变化。然后经过评估冰情发展对水位的最大影响程度,加强了现场水位观测频次,随着冰情发展的稳定,水位逐渐恢复正常,供水基本得到保证。

（3）流量计和水温仪器显示读数出现异常,暗渠进口出现冰盖封冻后,暗渠节制闸的流量读数升高,水温读数失灵。结合现场冰情观测分析,闸前流量计测量断面流量的物理过程,不能满足冰盖条件下流态现象,同时水温不能显示0.2℃以下的温度。经分析讨论后,采取了多个措施,加强节制闸前水位观测,采用PCCP 管的流量设备指导节制闸调度,增加人工水温观测手段,实时掌握闸前渠段水温,保证冬季冰情观测和工程安全运行。

3.2 应对防护措施

本年度冬季冰期输水准备工作从11 月开始,12 月初完成了冰期输水人防措施、物防措施、技防措施、组织保障措施的准备工作。

（1）人防措施

管理处成立了以处长为组长的冰期输水工作小组,工作小组下设办公室,负责组织协调各科及其他单位开展冰期输水日常工作。管理处人员对北拒马河节制闸开展不定期巡视检查。非工作日有3 人负责昼夜应急值班。

北拒马河节制闸现场,增加了应急队伍驻防人员4 名（2020年12 月1 日至2021年2 月28 日）,每天负责对节制闸前进行巡视。项目部人员5 名,驻西疃村随时待命。

维护队伍共8 人昼夜值班。采取三班两倒方式,每班3 人,常白班1 人。

（2）物防措施

北拒马河暗渠渠首设置有导冰索1 套、曝气装置1 套（2 台空压机）、拦污栅1 套、排冰闸1 台、可加热高温高压水枪2 台、清污机2 台、电动式多瓣液压抓斗1 台、冰钎和冰耙4 个、闸孔保温设施2 套。

（3） 技防措施

冰期输水前,对北拒导冰索进行检查、维护,并安装于北拒节制闸拦污栅前。

对北拒曝气装置进行检查、维护和试运行,确保空压机运行正常,输气管路畅通,根据上级指令和结合实际情况,曝气装置投入运行。

拦污栅出现冰凌、浮冰时,利用清污机和可加热高温水枪对拦污栅前冰块融化和清理,同时利用冰钎、冰耙进行清理。

导冰索上游出现大面积浮冰时,利用电动式多瓣液压抓斗作为应急破冰、捞冰工具,可将渠道内较大的冰块破碎打捞,开启排冰闸,进行排冰处理。

出现低温天气时,投入运行闸控的保温工业门,确保节制闸室内机电设备运行正常。

每日采集辖区冰情信息：过闸流速、闸控水温、最高气温、最低气温、节制闸前后结冰情况、全段结冰情况等并汇总编辑形成冰期输水冰情日报,每日8:00 前上报分调中心。

每日关注南水北调中线干线工程冬季输水冰情观测云平台网站和南水北调冬季冰情微信公众号及时获取有关冰情信息,分析未来几天冰情发展趋势,为管理处开展预防和应急处置工作做好准备。

（4） 组织保障措施

入冬前,对防冰冻设备进行全面检查,确保能够随时投入使用。

编制和印发了《惠南庄管理处冰冻灾害应急处置方案》,明确了相关职责和处置措施。

针对管理处冰期输水风险点、防控重点部位以及冰冻灾害应急处置程序,组织运行维护单位、应急抢险队伍、保安公司等开展了冰期输水应急培训。

2020年11 月23 日,在北拒马河节制闸前组织开展了突发冰塞事故应急演练,提高管理处、应急抢险队伍等冰冻灾害的应急处置能力。

管理处组织梳理冰期输水防控风险点和应急抢险设备工作位置,设置了冰期输水展板。

4 结论与建议

根据2020年~2021年冬季冰期调度运行及冰情观测,积累了北拒马河暗渠进口渠段气象、水力调度、冰情特征数据,掌握了岸冰、流冰、冰盖发展基本规律,针对北拒马河暗渠进口工程特征,总结了一套冬季冰情输水的管理、调度、应急处置措施,有利于指导南水北调中线干线典型节制闸冬季冰期安全运行管理。针对冬季运行存在问题,建议加强统筹调度、工程、应急、管理、科研多方合作,建立高效的冰期输水应急管理体系。增加冰情观测专用设备,提高水温、冰厚等观测自动化水平,加强冬季冰期输水数据整理分析,完善中线水温、冰情预报预警系统。