长距离调水明渠冬季输水冰情分析与安全调度

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1、长距离调水明渠冬季输水冰情分析与安全调度　　摘要：结合南水北调中线总干渠2011年-2016年间5个冬季冰情原型观测数据，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。2015年-2016年冬季输水流量大，渠道水流流速0.25～0.67m/s，加之遭遇罕见寒潮（-18.6℃）的叠加，局部渠段出现冰塞现象。结合总干渠闸前常水位运行调度方式和渠池水流特点，提出了避免形成冰塞灾害的水流控制条件。即渠池上游控制断面平均流速V≤040m/s，Fr≤0065；下游控制断面平均流速V≤035m/s，Fr≤0055。建议持续加强全线冰情观测，积累冰期输水观测数据，为优化冬季输水运行调

2、度和冰情预报提供科学依据。　　关键词：长距离调水工程；冰情；冰塞；立封；冰厚；断面流速；弗劳德数　　中图分类号：TV135文献标志码：A文章编号：16721683（2016）06009609　　1研究背景　　南水北调中线工程是缓解我国华北地区水资源严重短缺、优化水资源配置、改善生态环境的重大战略性基础设施，2014年12月全线建成正式通水。该工程输水干线全长1432km，其中陶岔渠首-北京团城湖渠长1276km，天津干线渠长156km（设西黑山进口闸），线路跨越北纬33°～40°寒冷区。多年平均调水量95亿m3，渠首设计流量35017m3/s，渠末设计流量50m3/s。输水方式以明渠为主

3、，局部管涵为辅，沿线布设建筑物包括节制闸、分水口、退水闸、倒虹吸、隧洞、渡槽和暗涵等。截止2015年底，丹江口水库入总干渠水量259亿m3。冬季安阳以北渠道水流由于受寒冷气温影响，出现不同程度的冰情，输水能力下降，总干渠处于无冰输水、流冰输水、冰盖输水等多种复杂运行状态，容易诱发冰塞冰坝及其他冰害。冰情生消演变机理复杂，涉及气象条件、水力条件、渠道边界条件和运行调度等多种因素。总干渠全线自流输水，无其它在线调蓄水库，调蓄能力有限，采用闸前常水位运行方式，冰期输水调度难度大。　　本文结合2011年-2016年间5个冬季冰情原型观测数据，旨在分析中线总干渠冰情特征（如时空分布、冰盖厚度和冰情

4、特点等）；揭示冰塞形成诱因，研究冰害防治措施（工程措施和非工程措施）；从运行调度方面提出避免形成冰塞的水流控制条件。从而实现冰期输水安全、高效运行，达到兴利除害的目的[120]。　　2冰情分析　　2.1渠道边界条件　　南水北调中线工程输水线路明渠全长1198km，平冬年份安阳以北近500km渠道存在不同程度冰情，其中以总干渠最北端的京石段冰情最为严重。京石段输水明渠全长228km，南起石家庄附近的古运河节制闸，北至北京房山的北拒马河节制闸。沿线布设14座节制闸将京石段分隔为13个“渠池”串联运行，单池长9～27km。渠段设计水力参数指标总体由南至北（古运河闸～北拒马河闸）沿程逐级减小，设

5、计流量Q=170～50m3/s，设计底宽b=265～75m，设计水深h=60～38m，设计水面宽B=51～2717m，设计断面平均流速V=100～075m/s，设计水流弗劳德数Fr=0161～0117。渠道纵坡较缓i=1/25000～1/20000，设计明渠糙率n=0015。　　从地形上来说，南段的古运河闸-蒲阳河闸渠长115km，输水线路主要布置在华北平原，渠道交叉建筑物以穿越河流的倒虹吸为主，并结合布设节制闸；北段的蒲阳河闸-北拒马河闸渠长113km，输水线路紧邻太行山，主要穿越在丘陵山地之间，倒虹吸、隧洞、石渠和渡槽等明显增多。一般来说，倒虹吸埋设于地面之下，与大气热交换不畅通，基

6、本不产冰也不输送冰；隧洞不产冰却可输送冰；渡槽、石渠和其他明渠为敞露水面，与大气热交换充分，既产冰又输送冰；节制闸（含倒虹吸、隧洞等）下游1km内由于闸孔淹没出流影响，水流紊动较为剧烈，水面不易形成封冻冰盖。渠道束窄壅堵断面（如倒虹吸、隧洞、渡槽、节制闸和桥墩等）、弯道和水力坡降由陡变缓处（渡槽和石渠下游），容易诱发冰塞险情，应引起关注。　　2.2气象条件　　南水北调中线最北端河北省境内，冬季多晴天，气候干燥寒冷，降水少。一般年份11月底气温开始转负，次年2月底转正，冬季负积温值较低。近5年实测最低气温-9.0℃～-18.6℃，最冷月（1月）平均气温-1.7℃～-60℃（基本可划分为寒冷

7、区），负积温-109.3℃～-299.7℃，见表1。　　2015年-2016年冬季前半程气温偏暖，2016年1月21日由于受罕见寒潮影响，48小时内气温下降近10℃，实测最低气温骤降至-186℃，为近年来最低气温极值，冰情生消演变呈现出新特征。17　　2.3水力条件　　2011年-2014年前3年为京石段临时通水，引用水源为河北省的黄壁庄水库、王快水库和安格庄水库，用水户只有北京。输水渠线短，不足230km；引水流量小，北京引水11