南水北调中线总干渠冰期输水运行实践分析

陈 晓 楠,李 景 刚,卢 明 龙,靳 燕 国

(中国南水北调集团中线有限公司,北京 100038)

0 引 言

南水北调中线工程自丹江口水库陶岔渠首闸引水,跨长江、淮河、黄河、海河四大流域,沿途分别向河南、河北、天津、北京四省(直辖市)供水,全长1 432 km,南北跨越北纬33°～40°,水流由亚热带流向暖温带[1]。根据初步设计,中线工程安阳河以北段冬季存在冰期输水运行工况,每年冬季渠道均有不同程度的冰情发生,因而面临冰期输水安全问题[2]。中线干线2008年京石段临时应急通水、2014年全线正式通水,迄今为止已经历了14次冰期输水运行。

为解决南水北调中线总干渠冰期输水问题,保障冰期运行安全,提升冰期供水能力,国内诸多学者和科研机构先后开展了大量研究。如刘孟凯等[3]基于气象站点的逐日气温资料,对总干渠沿线冬季气温特征进行了分析;李程喜等[4]结合冰情原型观测资料,给出了中线总干渠冰情演变的水温和气温阈值;高霈生等[5]运用热平衡方程,对中线渠道冬季输水时的水温变化、流冰量、预测冰情发展及断面过冰能力、冰情对输水运行及工程安全的影响等进行了模拟分析;郭新蕾等[6]开发了大型长距离调水工程冬季输水冰情数值模拟平台,并对寒冷气温条件下中线总干渠初冰、冰盖形成、发展和消融过程进行模拟;莫振宁等[7]通过对中线总干渠冰情数值模拟,为寒区渠道系统冰情预测模型提出了参数率定方案。同时,中线工程在规划[8-10]、设计[11-13]、建设[14]及运行阶段,从冰期水力学控制条件[15-16]、冰期输水物理模型试验[17]、冰情原型观测[18]、冰害防控技术措施[19]、冰期动态调度方式[20-21]等方面也实施了多项冰期输水研究课题及生产性项目,逐步形成了当前的冰期输水调度控制基本策略:在“拦、扰、融、排、捞”等工程措施的保障下,提前调减相关渠段输水流量至冰期输水安全控制流量以内,并保持较高水位运行,从而降低渠道输水流速,防止流冰下潜堆积,促进冰盖尽快形成;之后,采用水下浮托冰盖方式运行。在此过程中,严格控制水位、流量的变幅,防止冰盖出现大面积破损[2]。在此模式下,冬季安阳河以北段渠道过流能力大幅降低,进而影响工程输水效率。

近年来,随着中线沿线地方用水需求“由弱变强”,冰期输水供需矛盾也日益凸显。为此,中线工程开始探索实施冰期动态调度[1],以期在保障安全的前提下实现多供水。当前随着引江补汉工程开工建设,提升冰期输水能力作为中线工程“挖潜”“扩能”和高质量发展的内在要求,相关研究和实践仍在不断地推进和深化。因此,对中线工程以往冰期输水运行实践进行系统分析,对于指导今后相关研究开展、提升冬季渠道过流能力、保障冰期输水安全和促进供水效益发挥具有重要意义。

本文基于中线近年来冬季冰情原型观测数据和冰期输水调度运行实践,对中线总干渠安阳河以北段冬季冰情演化特征规律、输水调度运行方式以及保障措施效果进行分析,以期为工程冬季冰期输水运行管理提供技术支撑。

1 冰情演化特征分析

为有效揭示总干渠冰情演变规律和时空分布特征,自2011年以来,中线工程开展了系统的冬季冰期输水冰情原型观测,连续获取了12个年度冬季总干渠冰期输水气象、水力、冰情系列数据,期间先后在滹沱河倒虹吸、漕河渡槽、北易水倒虹吸和北拒马河渠段分别布设了4个断面固定测站,建立了南水北调中线最低水温和冰情预测模型,开发了冬季冰期输水冰情观测信息化平台,并结合现场冰情和气象预报,对未来渠道水温、冰情进行预测。

1.1 气温变化特征规律

中线工程冬季输水以来,各年冬季负积温为-299.7～-63.5 ℃,最冷月平均气温-6.0～-1.1 ℃。其中,2012～2013年度冬季气温指标最低,负积温为-299.7 ℃,最冷月平均气温-5.0 ℃,实测日最低气温-14.8 ℃(见表1)。

表1 近年来典型测站气温特征值统计Tab.1 Statistics of temperature characteristic values of typical stations in recent years

1.2 冰情分布时间规律

中线工程冰情发展时间主要在12月中下旬至次年2月的中上旬,冰期历时49～98 d,封冻历时0～62 d(见表2)。2014年前京石段应急通水期间,由于冬季输水流量小、水温低,冰情出现时间早,易平封形成稳定冰盖,且封冻时间较长。冰情出现时间一般为12月中上旬,消失时间一般为次年2月中下旬,每个冬季冰期历时70 d以上,封冻历时多于30 d。其中,2012～2013年度冬季封冻历时最长,达62 d。

表2 历年来总干渠冬季冰情观测统计Tab.2 Statistics of winter ice conditions in the main canal over the years

2014年全线通水后,冰情出现时间一般为12月中下旬,消失时间一般为次年2月中上旬,冰期历时49～69 d,封冻历时0～41 d。其中,2014～2015年度冬季封冻历时最长(41 d),2015～2016年度次之,达到32 d,其他冬季封冻时间一般少于10 d。

1.3 冰情分布空间规律

2014年以前京石段应急供水期间,输水流量小,每年冬季输水渠段都会出现岸冰、流冰,易形成稳定的封冻冰盖,封冻范围87～230 km,冰厚14～32 cm,最大冰厚发生在2012～2013年冬季,冰盖平整且连续。

2014年全线通水后,2015～2016年度冬季封冻范围最长,约360 km,最大冰盖厚度28 cm;2020～2021年度冬季次之,封冻范围长约83 km,最大冰盖厚度16 cm。2016～2020年4个冬季基本未出现大范围封冻,主要以岸冰、流冰和局部短期封冻冰盖为主,冰盖形成主要在岗头节制闸以下渠段,厚度均小于5 cm,一般为不连续冰盖,且冰盖上有清沟。2021～2022和2022～2023两个年度冬季均未形成冰盖(见表2)。

2015～2016年冬季冰情发展最为严重,封冻冰盖前缘向南延伸至邢台七里河倒虹吸节制闸,流冰前缘向南延伸至安阳河倒虹吸节制闸,冰情总长481 km。自南向北冰情分为3段,其中安阳河节制闸至七里河节制闸约118 km渠段为流冰段;七里河节制闸至蒲阳河节制闸250 km渠段为分段封冻段,基本无冰塞;蒲阳河节制闸至北拒马河节制闸113 km渠段为稳定封冻段,其中岗头节制闸前出现了一定程度的冰塞。

1.4 典型特征冰情形成条件

中线干线正式通水以来,冬季冰情类型主要包括岸冰、流冰、冰盖和水内冰,其中仅在2015～2016和2020～2021年度水温低于0 ℃时,渠道内观测到水内冰。基于近年来冰情原型观测数据,通过分析岸冰、流冰、冰盖封冻、水内冰等特征冰情与流速、水温、气温等指标关系,初步得到在当前输水调度模式和冰期输水安全控制流量条件下中线主要典型特征冰情形成条件如下[17,21]:

(1) 岸冰。进入冬季,随着气温的降低,渠道水体热量散失逐渐超过其获得的热量,在水温低于4 ℃且气温低于-10 ℃、水温低于2 ℃且气温低于-5 ℃、水温低于1 ℃且气温低于-3 ℃时,水中初生冰晶相互聚集,首先在岸边衬砌板流速缓慢的地方形成较薄的冰带,即为岸冰,随着气温的降低,岸冰不断生长。

(2) 流冰。对于中线干线渠道,流冰是结冰期主要的冰情现象,主要表现为冰晶、流冰花和表面流冰层等形态。在水温低于0.5 ℃且气温低于-6 ℃、水温低于1.0 ℃且气温低于-8 ℃、水温低于1.5 ℃且气温低于-12 ℃时,尤其伴随寒潮气温骤降,渠道水体内出现大量微粒状冰晶体,冰晶进一步聚集冻结成流冰花。伴随着水流流动,流冰花在运动中相互冻结进而形成一定范围的表面流冰层。另外,在日间由于气温回升和太阳辐射增强,岸冰脱落随水流运动也形成流冰。

(3) 冰盖。中线工程的冰盖形成多为平封过程,在平铺上溯过程中,表面流冰层首先在拦冰索、桥墩束窄断面、弯道等控制节点卡塞,停止运动,形成冰桥,紧接着上游的流冰在冰盖前沿出现积压、下潜、重叠、冻结,同时与岸冰冻结成一体,平铺上溯,形成冰盖。中线渠道在最低气温低于-10 ℃、负积温低于-113 ℃、平均流速为0.1～0.4 m/s时即可能形成冰盖;当水温低于1 ℃、最低气温低于-15 ℃、连续3 d负积温积累量低于-30 ℃时,形成冰盖的概率较大。

(4) 水内冰。在严寒低温条件下,渠道水体大量失热,由于水的湍流作用,不仅水体表面冷却,整个断面的水温也同时下降,当水体处于过冷状态,只要具备了凝结成冰晶的条件,水体中任何部位都能产生冰晶,即水内冰。当中线渠道水流流速为0.36～0.37 m/s、日最低气温低于-10 ℃、水温降至0 ℃以下时,水内冰分布在整个渠道断面,水内冰厚度约0.5～3.0 cm,重量为0.16～0.95 kg,结冰厚度沿水深方向递减。

1.5 典型特征冰情分区预测

对于中线冰情发生及消融规律的研究,当前主要侧重岸冰、流冰、冰盖3种常见类型。借助已开发的冰情观测信息化平台,中线工程初步构建起基于水温、负积温的冰情状态判断模型[18-19]。具体做法是:利用历史实测数据,通过数理统计,分别将负积温和水温作为观测点的横、纵坐标,对“无冰”“岸冰”“流冰”“冰盖”等冰情在平面上进行区划(见图1),进而利用气象预报和水温预测数据,对渠道未来一周冰情发展进行预测。

图1 北拒马河渠段冰情分区及预测示意Fig.1 Schematic diagram of ice zoning and prediction in the canal section of Beijuma River

2 冰期输水调度方式

2.1 运行方式

中线总干渠设计流速一般为1 m/s,自流输水条件下,该流速水流状态在遇到严寒时不可避免产生冰凌,此时流速越大流冰下潜的风险越大。另外,考虑到高流速水流状态抑制冰凌发生的方式,通常需要加压实施,其经济性和安全性仍需进一步论证。为此,目前冬季中线采用低流速方式,防止流冰危害,促进冰盖尽快形成。此外,根据中线总干渠冰期运行实际,封冻期一般时间较短,10 d左右,冰盖不连续、厚度不大,且冰盖上一般存在一定的“清沟”,若水脱离冰盖易造成冰盖破损。因此,采取水下浮托冰盖的方式运行,并尽量保持水位稳定。

2.2 调度策略

按照现行规定,一般每年12月初至次年2月底,中线工程处于冰期输水运行阶段[2],即12月1日起,中线工程进入冰期输水调度准备状态,全面加强对安阳河以北段的水温、气温、冰情等指标监测,结合7～15 d中长期天气预报和沿线用水需求,优化各断面流量调减时间,科学实施动态调度[1]。初定12月20日起,中线工程岗头节制闸以下渠段逐步开始调减流量,按照不超过冰期输水安全流量控制,上游渠段则在保障调度安全的基础上,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和范围,尽量满足地方需求,实现多供水。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 d可能接近1 ℃时,通过上下游闸门联合调度,在1～2 d内尽快将该渠段及以下流量调减到位[1-2]。

2.3 流量控制

前期通过对中线冰期输水调度方案的研究,明确了冰盖立封模式发展的临界弗汝德数为0.08,平封发展的临界弗汝德数为0.06。在此基础上,分别针对平封、立封模式,计算得出安阳河以北各断面不同水位下的冰期输水安全控制流量,基本为设计流量的31.56%～47.64%[12-13]。结合冬季来水情况、用户需求、工程检修以及冰期运行等多种因素,近年来冰期岗头节制闸断面输水流量一般在50 m3/s左右,入京流量在21 m3/s左右,入津流量在20 m3/s左右。根据当前冰期输水相关规定,平封条件、设计水位下运行时,参考的冰期输水安全控制流量为:岗头节制闸断面为47.64 m3/s,北拒马河节制闸断面为22.97 m3/s[2,19]。输水过程中,流量尽量保持不变,确有必要需改变输水流量时,采用小幅度逐步微调的方式。

2.4 水位控制

安阳河以北段冰期渠道水位控制在设计水位以上。其中,古运河节制闸至蒲阳河节制闸渠段水位一般控制在设计水位至加大水位之间,岗头节制闸至北拒马节制闸渠段水位控制在加大水位附近,尽量降低流速,促进渠道内水流形成平封冰盖。输水过程中,水位尽量保持稳定,一般控制水位每小时降幅在5 cm以内,涨幅10 cm以内。

3 冰期输水保障措施

南水北调中线冰期输水调度控制要求高、输水技术难度大,存在冰塞、冰坝、设备故障、冻胀破坏等冰冻灾害风险,在实施动态调度的基础上,需要辅助工程、管理各类措施,协同保障,以期在运行安全的前提下实现多供水目标。

3.1 工程措施

(1) 拦冰设施。在冰期,输水渠段的倒虹吸、暗渠、渡槽、隧洞等建筑物进口处均布设有拦冰索,可有效拦截流冰,使得渠段内的冰凌尽量做到“自产自消”,促进冰盖形成。当前冰期输水期间,中线工程沿线共布设拦冰索104道,其中防腐木式99道,钢浮筒式5道。岗头隧洞进口至干线明渠末端布置拦冰索42道,占全线拦冰索数量的40%。

(2) 扰冰设施。低温条件下,为避免渠道流冰在闸前渐变段等处不断发展聚集形成冰塞,工程沿线重点部位设置了扰冰设备,共有111套,其中射流扰冰设备105套,气泡扰冰设备6套。漕河渡槽出口至惠南庄泵站间共布置扰冰设施58套,占全线扰冰设施总量的53%。

(3) 融冰设施。为避免因受严寒低温影响,节制闸、排冰闸、退水闸等闸门发生冻结而无法操作,工程沿线穿黄节制闸至北京惠南庄泵站共设置融冰设备180套,其中热管融冰设备132套,热缆融冰设备48套。岗头节制闸及其下游渠段,各节制闸、控制闸等控制建筑物融冰设备覆盖率达100%。

(4) 排冰设施。中线干线共布设有排冰闸15座,分别分布在漳河倒虹吸至北拒马河暗渠段。为了防止流冰过度堆积阻塞,可根据现场情况提前启动排冰闸将流冰排出总干渠。石家庄以北渠段设置有洨河排冰闸、西黑山排冰闸、北拒马河退水排冰闸。

(5) 捞冰设施。根据现场观测,渠道流冰多堆积在交叉建筑物进口、节制闸、分水口和曲率较大的渠道弯道附近,容易堵塞拦污栅。因此,在岗头隧洞、西黑山进口闸和北拒马河暗渠等重点建筑物进口、节制闸前布置捞冰设备,如捞冰机、捞冰铲车和运输车辆,及时打捞堆积流冰。

3.2 管理措施

(1) 工程巡查。当渠道内开始出现冰情后,尤其是在冰盖形成期和消融期,工程沿线应加密巡查频次。当日最低气温在-2℃以下时,针对沿线建筑物进口检修闸、节制闸、控制闸、退水闸、分水口等重点部位加强巡查,特别注意衬砌板破坏部位、高地下水位渠段、渠道弯道处以及其他输水轮廓边界断面变化较大部位的结冰情况及水体含冰情况,发现冰块或冰屑集中等冰情、险情、突发事件时应第一时间报告。

(2) 值班值守。各级管理机构严格落实值班制度,强化值班纪律,履行岗位职责,认真做好设备设施的运行监控、运维保障和输水调度等工作,当班人员应准确掌握上一班及该班的冰情信息,及时查看辖区天气预报和寒潮预警,密切关注气温、水温、水情、冰情变化,在辖区内有冰情出现时,保持时刻警惕,随时跟踪,发现异常情况及时上报。

(3) 信息报送。各级调度机构每日按规定及时、准确、逐级报送中线冰情日报,记录总干渠现场冰情信息。汇总统计分析后,绘制岗头节制闸、西黑山节制闸、北拒马节制闸等重点断面水温变化监测图,编制冰情短信,并将相关信息及时向各有关单位和部门人员进行通报共享。

(4) 预警会商。密切关注天气变化,通过各类自动化系统、平台和气象网站等多途径实时监控,实现对暴雪、冰冻、寒潮等天气的动态监测,为预警预报和冰冻灾害预防决策提供技术支撑。同时加强与沿线省、市(县)气象部门单位联系和信息沟通,及时掌握沿线低温、寒潮及冰冻灾害预警响应信息,及时组织会商,提前发布冰情预警。

(5) 应急保障。各级管理机构有针对性地编制完善冰冻灾害应急预案和专项处置方案,提前做好冰期应急抢险物资储备、应急抢险设备维护和应急抢险队伍管理等工作,针对辖区可能发生的冰情险情,适时组织开展冰冻灾害应急演练,有效提升冰期输水应对突发事件的能力。如遇突发险情,及时启动应急预案,有效开展现场先期处置,控制险情的发展。

4 结论与讨论

近年来,南水北调中线工程通过冰期输水运行实践积累,初步揭示了总干渠冬季冰情生消演变规律,在保障冰期运行安全的基础上,已形成了一套较为可行的输水调度控制模式和措施保障体系。通过分析可以得出以下结论。

(1) 自全线通水以来的实际运行情况来看,中线总干渠发生冰情的范围比理论预想偏小,基本为石家庄以北段,南北渠池冻融状态不同步;主要冰情为岸冰和流冰,发生冰塞风险概率较低;冰期输水时间偏短,较大范围冰盖持续时间一般不超过1个月。

(2) 整体上,目前南水北调中线工程冬季运行调度以小流量、高水位冰盖下输水为基础,以最不利的气象条件作为场景输入,具有安全性高和气象条件适应性好的优点,但渠道输水能力将大幅受限。

(3) 基于长距离串行输水系统冰期运行出现的冰情和成因分析,冰期输水以防为主,经过2015～2016年、2020～2021年等典型冷冬年严峻冰情检验,中线工程当前采取的“拦、扰、融、排、捞”一体化冰凌防控措施和各项管理措施行之有效,可供类似输水工程运行调度借鉴。但在个别措施的应用条件和实施功效,如排冰闸运用、冰情预测预报等方面还需不断深化研究。

为此,如何突破现有冰盖下输水方式,探索冬季非冰盖大流量输水新模式,不断提升明渠水温、冰情集合预报和精细模拟精度,深入完善各类工程设施和管理措施保障功效,进而构建时间和空间两个维度上的冬季输水能力提升理论技术体系,将是下一步研究的重点方向。在此过程中,需结合南水北调中线工程智慧化调度和数字孪生工程建设,充分发挥冰情演化“预报、预警、预演、预案”措施功效,实施更加精准的时空动态调度,减少冬季输水时长,降低受影响渠段范围,努力提升中线工程冬季冰期输水能力,从而更好地发挥工程效益,最大限度地满足沿线用水户的用水需求。