南水北调中线工程2014—2022年冬季水温与冰盖观测分析

段文刚，郝泽嘉，杨金波，黄明海，刘 备，邢梦媛

(1.长江科学院 水力学研究所，湖北 武汉 430010；2.中国南水北调集团中线有限公司，北京 100038)

1 引言

南水北调中线工程是国家重大战略性基础设施，是跨流域跨区域配置水资源的骨干工程，也是保障城市饮水安全、复苏河湖生态环境、畅通南北经济循环的生命线。总干渠自2014年12月全线建成通水运行整整8周年，已累计从丹江口水库调水超530亿m3，惠及沿线24座大中城市、200多个县市区，直接受益人口达8500万人。南水北调中线总干渠自南向北从渠首陶岔闸至北拒马河闸全长近1200 km，线路流经北纬32°40′—39°32′，跨越温和区与寒冷区。工程运行初期，由于对渠道冰情生消规律和时空分布认识有限，为避免发生冰塞灾害，对于安阳汤河节制闸以北约500 km渠段，控制闸前水流弗劳德数Fr≤0.06，如此以来冬季输水流量仅为设计流量的30%～50%，严重制约了工程输水效益的发挥。因此，渠道水温和冰情一直是冬季输水亟待阐释清楚的关键问题之一。

杨开林[1-3]结合南水北调中线渠道，指出明渠水温的变化取决于水体与大气和渠床的热交换，进而研究了渡槽水体的热交换、太阳辐射和地温对冰盖下水温的影响。郑铁刚等[4]以新疆红山嘴水电站引水渠道为例，研究表明随着大气温度的降低，渠道水温沿程衰减速度明显加快，-10 ℃为水温衰减过程变化转折点。脱友才等[5]对丰满水库的水温和冰情进行了原型观测，坝前冰厚约0.7 m，且库区冰厚沿程出现不均匀分布的规律。王军等[6-9]长期关注冰塞堆积过程和冰盖条件下桥墩局部冲刷研究。王涛等[10]研究了黄河内蒙古河段冰情时空变化规律，并对水温、冰盖厚度、冰盖前沿发展和流量的模拟值和实测值进行了对比分析。丁法龙等[11]通过分析影响静冰生消的各热力过程，建立了生长期和消融期冰厚计算的热力学模型，采用黑龙江省青花湖冰情观测数据对冰厚计算模型进行了验证。穆祥鹏等[12]和郭新蕾等[13]对南水北调中线冬季输水冰情进行了数值模拟预测，分析了渠道的冰情特性。戴盼伟等[14]和李程喜等[15]对南水北调中线冬季水温分布规律进行了数值模拟和分析。温世亿等[16]基于2014—2015 年冬季实测冰情数据，分析了暖冬气候条件、小流量输水工况下总干渠结冰、封冻和开河过程的基本规律。黄国兵等[17]基于冬季总干渠出现的冰凌灾害，提出了相应的防凌减灾措施。段文刚等[18]结合南水北调中线总干渠2011—2016年5个冬季冰情实测数据，分析了冰情时空分布特征、冰盖厚度、冰情现象、冰情演变条件和特点等。

对于南水北调中线工程而言，已历经8个冬季输水运行检验，其冬季水温和冰盖特性到底如何？驱动机制如何？尚缺乏全面系统阐述的数据和文献。为此，本文基于现场8个冬季宝贵的第一手实测数据，试图作出进一步的答复。在此基础上，给出了冰盖生成驱动因子分析和调度建议。

2 观测方法与结果

2.1 研究区域如图1所示，研究区域为渠首陶岔闸-北拒马河闸近1200 km明渠，北拒马河闸以北渠段和天津干线均采用地下输水不在此列。沿线布设61座节制闸，其中渠首陶岔闸设计流量350 m3/s，被誉为中线工程的“水龙头”；午河闸总干渠桩号899 km，相当于总干渠明渠段的3/4节点处，设计流量220 m3/s，也是全线通水以来冬季冰盖延伸的最南端闸站；岗头闸总干渠桩号1112 km，设计流量125 m3/s，是北京和天津两个直辖市供水的控制闸，冰期输水地位非常特殊和重要；北拒马河闸位于明渠最末端，总干渠桩号1198 km，设计流量50 m3/s，其下游接地下管道向北京供水。

图1 南水北调中线总干渠示意

2.2 观测参数与方法观测参数主要包括输水流量、气温、水温和冰盖特性等4项。冬季输水流量由节制闸断面预先安装的明渠超声波流量计实时监测，必要时采用走航式多普勒流量计现场复核，每天2时、8时、14时和20时读取4次。陶岔闸月输水流量数据来源于《长江流域重要控制断面水资源监测通报》。冬季气温考虑数据的连续性和权威性，采用沿线安阳、邢台、石家庄和保定4座国家基本气象站气温日值数据(包括最低气温、最高气温和平均气温)，对于石家庄和保定站还收集了逐小时气温数据，由中国气象数据网获取，并与工程现场自建的临时气象站进行数据比对分析。冬季水温由安装在节制闸断面的温深仪在线观测记录，每小时记录1个数据。冰盖由照相机、无人机和冰厚测量仪记录。为避免歧义，2020—2021年冬季是指2020年12月1日—2021年2月28日的期间时段，为行文方便亦简称为2021年冬季(以此类推)。

2.3 输水流量表1和图2给出了8个冬季全线典型节制闸冬季输水平均流量(表2给出了闸前断面平均流速；图2中2014表示2014—2015年冬季，后类推)，可以看出，冬季输水流量总体呈逐年稳步增大的趋势，放水河闸以北渠段流量保持相对稳定(除个别年份外)。首个冬季2014—2015年输水流量极小，渠首陶岔闸平均输水流量占其设计流量的17%。2021—2022年冬季输水流量总体最大，渠首陶岔闸平均输水流量210 m3/s，占其设计流量的60%；午河闸输水流量118 m3/s，占其设计流量的54%；岗头闸输水流量50 m3/s，占其设计流量的40%；明渠末端北拒马河闸输水流量21 m3/s，占其设计流量的42%。

表1 全线通水以来8个冬季典型节制闸输水平均流量

表2 全线通水以来8个冬季典型节制闸闸前断面平均流速

图2 全线通水以来8个冬季输水流量

2.4 气温文献[19]提出了气温链概念并基于此对南水北调中线冬季气温等级评价，本节气温等级评价参照此方法。考虑到北方站点的气温对渠道冰盖生成驱动尤为显著[19]，本文主要以北方4站即安阳-邢台-石家庄-保定站的冬季平均气温和1月平均气温来表征，并进行了等级评价和暖冷排序，辅以保定站冬季气温和短期寒潮极值等，见表3、表4。可以看出，以北方4站来讲，冬季气温总体以暖冬居多，2014—2015年冬季为强暖冬，2017—2018年冬季为正常平冬，2015—2016年冬季为弱冷冬(以一月气温评价)。以1月平均气温计，2015年1月最暖(0.3 ℃)，2016年1月最冷(-2.7 ℃)。若单以保定站论，其冬季气温和3 d滑动气温围绕均线上下波动(见图3)，暖冬特征并不显著。保定站最低气温-22.0 ℃，与1970年创造的历时极值记录保持齐平；保定站最低日平均气温-12.4 ℃，最低3 d滑动气温-10.7 ℃，短期强寒潮可能是今后冰盖生成的关键驱动因子。

表3 全线通水以来8个冬季典型站点气温

表4 全线通水以来8个冬季气温极值

图3 全线通水以来8个冬季气温

2.5 水温表5和图4给出了沿线典型节制闸全线通水以来8个冬季的断面平均最低水温。总干渠水流自南向北冬季水温逐级降低，若水温降低至0 ℃附近时则预示着该断面将生成冰盖。渠首陶岔闸水温可以表征为总干渠冬季输水的初始水温，主要受丹江口水库水温影响，其最低水温极小值为6.7 ℃，出现在2016年1月27日；其最低水温极大值为10.4 ℃，出现在2020年2月17日。午河闸是全线通水8个冬季以来冰盖发展的最南端边界，其最低水温极小值为0 ℃，出现在2016年1月25日。0 ℃水温渠段最长达300 km；其最低水温极大值为5.2 ℃，出现在2022年1月25日。岗头闸为北京和天津干线输水的控制闸，其最低水温极小值为0 ℃，出现在2016年1月23日；其最低水温极大值为3.6 ℃，出现在2022年2月1日。明渠末端北拒马河闸最低水温极小值为0 ℃(5个冬季均有出现)；其最低水温极大值为2.6 ℃，出现在2022年2月2日。

表5 典型节制闸历年冬季最低水温 单位：℃

表6给出了北拒马河闸冰盖生成前渠段水温降幅。可以看出，2018—2019年冬季北拒马河闸断面水温降速最快，10 d之内其断面平均水温由3.5 ℃降至0.0 ℃，期间岗头闸—北拒马河闸渠段水温降幅亦达到极大值1.69 ℃/100 km。2020—2021年冬季北拒马河闸断面水温降速次之，10 d之内其断面平均水温由2.9 ℃降至0.0 ℃，期间磁河闸—北拒马河闸渠段水温降幅亦达到其极大值1.37 ℃/100 km。

表6 北拒马河闸冰盖生成前10 d渠段水温降幅

2.6 冰盖特性表征冰情严重程度的参数主要包括冰盖长度、厚度和封冻历时等。表7 和图5给出了历年冬季的冰盖特性，图6绘制了总干渠最北段蒲阳河闸—北拒马河闸渠段冰盖分布示意图。2015—2016年冬季冰情最为严重，冰盖累计最长达280 km，冰厚28 cm，封冻历时32 d，冰盖形态为连续冰盖。次之为2014—2015年冬季的73 km的连续冰盖，封冻历时41 d；2020—2021年冬季冰盖长38 km，为非连续冰盖，排序第3位。2019—2020年和2021—2022年两个冬季未生成冰盖。岗头闸—北拒马河闸近90 km是冰盖多发渠段，应引起关注。应该指出的是，中线工程由于节制闸和倒虹吸阻隔，闸前水深较大，流速较缓，易率先形成冰盖；闸后水深较浅，流速较大，水流紊动较强，不易形成冰盖，与天然河道冰盖分布存在一定差异。

表7 全线通水以来8个冬季冰盖特性

图5 全线通水以来8个冬季冰盖特性

3 分析讨论

明渠冬季输水水温沿程变化影响因素主要包括渠首水温、气象条件、输水流量，以及渠道水面宽度和渠底地热温度等。渠首水温直接关系到渠道水体的初始热量。气象条件中太阳辐射对渠道水体进行增热，但冬季低气温、风速风向等气象要素导致水体失热，渠道水体在冬季以失热为主，且气温为主导因素。渠首流量大小和沿程流量分布，在南水北调中线闸前常水位控制下，直接体现为渠道流速大小，进而影响到渠道水体流动历时长短，从而关系到渠道水体与沿程水气界面、水床界面的热交换的多少。

从实测数据和相关理论分析：南水北调中线总干渠由南至北输水，冬季沿程气温总体下降，沿程流量逐渐减小，因此总干渠冬季输水水温总体沿程下降，在遭遇强寒潮气温波动情况下，水温短时间内下降幅度增大。

3.1 简化水温模型基于构建的总干渠简化水温预测模型，拟合了2 d、3 d和7 d等不同预报时效的水温与气温变化的响应关系。

如图7所示，水流自南向北依次经过午河闸、放水河闸、岗头闸和北拒马河闸，沿线设有若干分水口分水，总干渠流量沿程减小，即Qw≥Qf≥Qg≥Qb。基于2020—2021年冬季实测数据(并以2018—2019年冬季实测数据复核)，构建水温模型。选择该冬季数据的主要原因是：①该冬季生成冰盖38 km；②输水流量较大(与今后冬季输水流量更为接近)，并且在选择数据期间流量保持相对稳定，即午河闸流量Qw=93 m3/s，岗头闸Qg=50 m3/s，北拒马河闸Qb=25 m3/s；③冬季气温总体评价为暖冬，主要是由于短期强寒潮驱动生成冰盖，这可能是今后冰盖生成相对更为常见的一种模式。毕竟全球持续变暖背景下，冷冬出现的概率会越来越少。

注：图中红色部分为最终抵达北拒马河闸流量Qb在该断面的占比，绿色和红色合计为该断面总流量。图7 午河闸—放水河闸—岗头闸—北拒马河闸渠段示意

根据质量守恒和热量平衡原理，初始断面指定水体携带的热量等于终末断面同股水体携带的热量加上沿程散失(或吸收)的热量。此处以北拒马河闸流过的水体为研究对象，构建遵循物理过程和量纲和谐原则的简化数学方程。对于明渠，水温分析中通常只考虑水面与大气的热交换。对于岗头闸—北拒马河闸渠段而言，则可描述为：

(1)

基于实测数据，计算推求得Kgb=0.20。稍加转换即得水温预测模型：

(2)

同理，对于放水河闸—北拒马河闸渠段，推求水温预测模型：

(3)

再次，对于午河闸—北拒马河闸渠段，推求水温预测模型：

(4)

典型闸站水温与气温的响应关系见图8和图9。2018—2019年冬季观测时段内，放水河闸水温由5.5 ℃降为2.0 ℃，北拒马河闸水温由3.5 ℃降为0 ℃，保定站3 d滑动平均气温由1.6 ℃快速下降为-10.8 ℃，之后又回升至-7.1 ℃，即便在气温回升过程中，气温仍较水温低9.0 ℃～12.0 ℃，故水温仍处于失热下降通道，因此图8中气温虽上下波动，水温仍呈单边下行趋势。需要指出的是，影响北拒马河闸水温的因素不仅取决于区间气温，还取决于初始断面水温。

图8 2018—2019年冬季冰盖生成前典型闸站水温与气温响应关系

图9 2020—2021年冬季冰盖生成前典型闸站水温与气温响应关系

3.2 冰盖生成关键驱动因子分析根据南水北调中线总干渠8个冬季冰情观测结果分析，寒潮和输水流量是渠道冰盖生成的关键驱动因子。

表8 北拒马河闸初封日期与寒潮极值的响应关系

图10 保定站3个典型冬季日平均气温过程线

3.2.2 输水流量对冰盖生成的贡献 中线工程输水调度采用闸前常水位控制方式，即不论渠段输水流量如何变化(设计流量及以下)，其下游端节制闸闸前水位均保持在稳定状态基本不变。冬季渠道水面与大气的日平均净热通量Φ=-K(Tw-Ta)，式中：K为热交换系数，Tw为水温，Ta为气温。冬季输水流量越小，则渠道流速越缓慢，水流从渠首陶岔闸输移至北拒马河闸的历时(t)越长，单位水体失热总量(t·Φ)越大从而易生成冰盖，2014—2015年冬季即为此明证。当年冬季为工程首次全线试通水，输水流量特别小。渠首陶岔闸流量Qt为59 m3/s(相应断面流速Vt=0.20 m/s)，午河闸流量Qw为24 m3/s(Vw=0.12 m/s)，岗头闸流量Qg为22 m3/s(Vg=0.18 m/s)，北拒马河闸流量Qb为15 m3/s(Vg=0.22 m/s)。即便当年冬季气温最暖(为8个冬季唯一的强暖冬)，但是仍不可避免地生成冰盖73 km，居第2位。反之，2021—2022年冬季输水流量大幅放大，陶岔闸和午河闸流量分别达到210 m3/s和118 m3/s，断面流速分别为0.70 m/s和0.58 m/s；而该冬季气温较2014—2015年冬季甚至偏冷，却并未生成冰盖。整个冬季北拒马河闸断面最低水温2.6 ℃，相去冰点甚远。以往数学模型研究亦提出了相同的结论，同一气象条件下，输水流量越大，沿线水温降幅就越小，越不易形成冰盖[14]。

表9给出了总干渠冰盖生成的原因分析，冬季气温和输水流量是冰盖生成的两大关键驱动因子，流量越小气温越低越易生成冰盖，2016年冬季严重冰情是二者叠加作用的结果，2015年冬季冰盖主要是输水流量小诱发，而2021年冬季冰盖主要是短期强寒潮所致。进而特别指出，寒潮的强度和时机均对冰盖生成有贡献，1月下旬降临的强寒潮更易于导致冰盖生成。

表9 冰盖生成驱动因子分析

3.3 冬季输水调度建议基于初期运行8个冬季的冰情冰盖分析，冬季输水流量提升尚有较大潜力可挖。在此提出3点建议：(1)研究提出基于水温调节的冬季输水流量动态调度方案，不必全冬季全渠段“一刀切”。分析不同输水流量和气象条件下水温降落过程和区间最大降幅，根据渠系降流量调控周期，建立渠段输水流量与水温的响应关系，确保任何条件下渠系流量下降(当前流量-冰期安全流量)调控时长小于水温降低(当前水温-冰点)时长即可。譬如当水温Tw≥5 ℃时，渠段输水流量按设计流量的60%控制风险是相当低的。(2)提升冬季输水流量降低闸前水位加大流速运行，其目的是缩短总干渠水龄减少沿程热量散失从而抑制冰盖生成。冬季输水可适当松弛闸前常水位约束，但应满足分水口取水、倒虹吸进口淹没深度和高地下水位段平压等约束。(3)做好冰情精准预报和冰塞应急抢险装备研发，以实现冬季安全高效输水。

4 结论

(1)全线通水8个冬季输水流量总体呈稳步增大的态势，放水河闸以北渠段流量保持相对稳定(除个别年份外)。保定站最低气温-22.0 ℃，最低3日滑动气温-10.7 ℃，短期强寒潮可能是今后冰盖生成的关键驱动因子。

(2)自南向北冬季水温逐级降低，北拒马河闸断面水温最大降速为10日内由3.5 ℃降至0 ℃，期间渠段水温降幅亦达到极大值1.69 ℃/100 km。2016年冬季冰盖最长达280 km(最南端延伸至午河闸)，次之为2015年冬季冰盖73 km和2021年冬季38 km。岗头闸—北拒马河闸近90 km是冰盖多发渠段，应引起关注。

(3)基于冰盖生成前实测数据，以初始水温和区间气温为输入条件，拟合给出了2 d、3 d和7 d等不同预报时效的简明水温模型和冰盖生成临界阈值。

(4)初步分析认为：冬季气温和输水流量是冰盖生成的两大关键驱动因子，流量越小气温越低越易生成冰盖，1月出现的短期强寒潮更易于导致冰盖生成。2016年冬季严重冰情是二者叠加的结果，2015年冬季冰盖主要是输水流量小诱发，而2021年冬季冰盖主要是短期强寒潮所致。