冰期输水研究进展
关于南水北调中线干线冰期输水自动化控制模型浅析
关于南水北调中线干线冰期输水自动化控制模型浅析发布时间：2022-10-21T02:37:14.304Z 来源：《中国建设信息化》2022年11期第6月作者：牛红[导读] 长距离输水工程规模巨大，技术复杂，本文通过分析南水北调冰期自动化输水牛红中国南水北调集团中线有限公司摘要：长距离输水工程规模巨大，技术复杂，本文通过分析南水北调冰期自动化输水运行管理的现状、特点，比较全面的总结了南水北调长距离大型调水工程运行管理的经验、教训和体会，能对我国长距离大型调水工程的冰期运行管理理论和实践起到一定的借鉴作用。
关键词：长距离输水；冰期输水；自动化控制；运行南水北调中线总干渠输水距离长达1400余公里，控制节点多，沿线均无调节水库，只能利用有限的渠道调蓄能力，水力条件非常复杂，如此大规模、长距离调水工程的输水运行控制问题国内尚无先例，其调水工程的调度和控制也十分复杂，其难点在于：（1）渠线长，控制建筑物多，（2）明渠输水为无压自流形式，如果输水干渠上没有任何调蓄水库，输水控制过程的可调节能力较差，控制难度也就更大，尤其是冬季冰期输水困难更大。
（3）长距离调水工程沿线水量分配不均，而且与当地水源联合调度，各闸门的需水量也是变化的。
因此提高针对渠道冰期输水方面的自动化模拟研究，在输水运行控制方面有着重要的意义，通过运行调度过程模拟、调度运行方案研究和自动控制系统等方面发展可以提高渠道的输水安全性能。
1.冰期输水自动化控制数学模型研究现状渠道的自动控制方法的研究和应用在国外开展的较早，早在1937年，阿尔及利亚就安装了上游常水位自动闸门（AMIL），20世纪40年代下游常水位控制闸门（A VIS或A VIO）开始安装使用，法国SOGREAH公司研究开发了BIV AL控制模型，是一种等容积就地自动控制模型，也是一种比例积分控制，应用本方法的有墨西哥的Cupatitzio-Tepalcatepec工程等，其他同类控制如P+PR（比例+比例复位）控制算法将积分控制引入渠道控制，用于上游控制模式，应用的有华盛顿Umattilla流域工程、亚利桑那Yuma Dsesalting水槽排水渠道等，但对于冰期输水模型研究目前不多。
长距离输水渠道冰期运行控制研究
摘要 ： 高纬度地 区的渠道在冬季往往 采用 冰盖下输水 ， 保证冰盖 的稳定 性是渠道 冬季安全输水 的前 提条件 。 目前 ， 渠 道在冬季 的运行控制 多依靠经验 ， 开展长距离渠道 冰期运行 控制研究对 实现冰期安全输 水是十分重要 的 。利 用数值
模 拟 的方 法 分 析 了 长距 离 输 水 渠 道 的冰 情 和 水 情 的 变 化 过 程 ， 据 渠 道 内 的冰 情 演 变 特 性 ， 出冬 季 渠 道 应 采 用 闸 前 根 提
ｄ ｉ１ ．９ ／． ｓ ．６２ ６ ３ ２ １ ．１０ ３ ｏ：０３ 鹤 ｊｓｎ １７ —１８ ．０ ０ Ｏ ．０ ｉ
长 距 离 输 水 渠 道 冰 期 运 行 控 制 研 究
穆祥鹏 ， 文学 ， 陈 崔 巍 ， 晓晨 ， 郭 王 琦
（ 国水 利水 电科 学 研 究 院 水 力学 所 ， 京 １ ０ ３ ） 中 北 ０ ０ ８
ＭＵ Ｘ ａ ｇｐ ｎ ， ｉｎ —ｅ ｇ ＣＨＥ Ｗ ｅ — ｕ ，Ｃ ｅ，ＧＵＯ Ｘｉ －ｈ ｎ Ｗ ＡＮＧ Ｑｉ Ｎ ｎ ｘ ｅ ＵＩ Ｗ ｉ ａ ｃｅ ， ｏ
（ ｈｎ ｎｔ ｕｅｏ ｔｒ ｓｕｃｓａ ｄＨｙ ｒｐ ｚｅ ｓａｃ Ｂｅ ｉｇ １ ０３ ，Ｃ ｉａ Ｃ ｉａＩｓｉ ｔ ｆｗａｅ ｏ ｒｅ ｎ ｄ ｏ ｏｅｒ ｅｒｈ， ｉ ｎ ０ ０ ８ ｈｎ 预报 以及冰情预报可能存在的不确定性 ， 出采用水位 一流量 串级的反馈控制算法 ， 提 建立 了渠道冰期运行控制模 型 ， 并在控制器内加入解耦 环节 ， 以提高渠道的控制效果 。并通过南 水北调 中线干渠 的数值模 拟实验， 对渠道冰期运行控制模型的控制效果进行 了验证。结果表 明， 该冰期运行 控制模型可 以实现渠道冬季 安全 、 适时 、 适量的供水 目标 。 关键词 ： 冰水力学 ； 冰期输水 ； 南水北调 中线工程 ； 数值模拟 ； 渠道
关于长距离输水渠道防冰和防冻冰技术措施探讨
关于长距离输水渠道防冰和防冻冰技术措施探讨关于长距离输水渠道防冰和防冻冰技术措施探讨【摘要】长距离输水渠道在冰期输水运行过程中，应综合调度运行措施、管理措施和工程措施等防冰和防冰冻措施，形成科学合理的水量调度方案、冰情监测监视、运行管理、防冻胀等为一体的防冰和防冰冻体系，确保渠道平安可靠、节能经济的高效输水。
在对长距离输水渠道冰期运行过程中现存的问题进行归纳总结后，根据相关研究成果结合多年实践工程经验，对长距离输水渠道的防冰和防冻冰技术措施进行了分析探讨，以供类似工程参考。
【关键词】输水渠道；渠首；冰期；冰凌1 长距离渠道冬季冰期输水现存问题1.1 工程局部渠道存在薄弱环节某渠灌区渠道输水距离较长，沿线水文地质较为复杂，尤其是局部渠段还存在衬砌滑塌、渗漏点、裂缝、沉降变形等，将会严重影响到灌区正常灌溉时的输水平安。
1.2 平安监测监控配套设施不完善目前，洛惠渠灌区对于重点渠段和薄弱渠道的渗漏、水位、变形等指标数据主要还是依靠人工进行统计，智能自动化平安监测监控设施配套不完善，在特征数据采集实时性、准确性、可靠性等方面很难满足现代信息化管理、智能调控监测管理等需求，工程存在较大的平安隐患，一旦渠道失事不仅会影响到渠道的正常灌溉，同时对渠道沿线的农作物和居民平安也会带来威胁。
1.3 缺乏有效的防冰和排冰设施由于洛惠渠灌区主要以农业灌溉为主，根本无冰期输水任务。
但因综合考虑到灌区运营调控的社会效益和经济效益，冰期输水已成为灌区水资源合理利用的必要手段。
但由于灌区各级渠道中，主要建筑物前未设置冰期拦防冰设施，冰害问题较为严重。
另外，渠道各级闸门在冬季冰期运行过程中，由于运行环境较恶劣，操控条件较差，闸门槽中容易出现积冰、冰冻等问题，加上人工除冰困难，启闭难度较大，给工程平安稳定运行埋下较大平安隐患。
1.4 冰情监测手段较单一冰情监测是长距离输水渠道防冰和防冰冻重要的技术手段之一，但由于受渠道自身特点、建设资金等因素的影响，目前工程仅在渠道弯道段、主要构建物等特殊部位设置监测断面，通过目测手段观察冰情，其监测手段较单一、监测主要凭经验进行，缺乏必要的监测自动化系统，不能及时、全面、准确地掌握渠道各重点部位冰期运行过程中的实时冰情、水温、气象资料以及冰情开展演变情况，对于冰情可能发生的时间、地点缺乏必要的智能预测预报分析系统。
冰凌对输水渠道冰期输水能力的影响-毕业论文
---文档均为word文档，下载后可直接编辑使用亦可打印--- 摘要：寒冷地区的输水工程普遍存在的河冰现象，增加了水工建筑物的荷载，影响正常的供水和发电，南水北调中线工程流经区域范围广，面临更加严峻的冰期输水问题。
本文在以南水北调中线工程为研究对象，对冰水力学的主要过程进行分析，建立了输水渠道冰期输水仿真模型，对冬季干渠的输水能力进行研究，分析了工程参数、加厚冰盖糙率等对渠道输水能力的影响，研究表明：采用冰凌下输水方式时，相同糙率条件下流凌期过流能力仅略小于的冰盖输水期过流能力；冰盖糙率为0.03时，在加大水位条件下封冻期渠道过流能力为设计流量的60.39 %，该研究对保障冰期输水工程稳定、安全运行有着重要的现实意义。
关键词：冰期输水；过流能力；加厚冰盖；运行控制；Influence of ice sheets on water conveyance capacity of waterconveyance channel in ice ageAbstract:The prevalence of river ice in cold water projects has increased the load on hydraulic structures and affected normal water supply and power generation, causing huge losses to the people. The latitude of the mid-route of South-to-North Water Diversion project has a large range of latitudes and faces more severe problems of water transportation during glaciation. Therefore, it is necessary to carry out research on water transportation during the ice-age. Based on the midline project of South-to-North Water Diversion Project, the main process of ice hydraulics is analyzed, and a simulation model of water conveyance in ice channel of water conveyance channel is set up to study the water conveyance capacity of winter main canal. The results show that the overcurrent of the ice sheet under the same roughness condition is only slightly less than that of the ice sheet under the same roughness condition when the water conveyance method is adopted. The roughness of the ice sheet is 0.03 , When the water level is increased, the overcurrent capacity of the channel in the freezing period is 60.39% of the design flow rate. This research is of great practical significance to ensure the stable and safe operation of the ice water delivery project.Key words:Glacier water transport; overcurrent capability; thickened ice sheet; operational control;0引言寒冷地区调水工程会遇到不同程度的河冰现象[1]，影响渠道的过流能力，同时冰盖增大了水流阻力，减小水力半径，增加了输水工程的运行调度难度，渠道的水力响应特性将发生较大的变化[2]。
冬季运行中渠冰生消对输水明渠影响的研究
冬季运行中渠冰生消对输水明渠影响的研究冬季运行中渠冰生消对输水明渠影响的研究摘要：输水明渠在冬季运行中，常受到冰的影响，导致输水能力下降、渠道水位变化等问题。
针对这一问题，本研究进行了一系列实验，以观察和分析冬季运行中渠冰生消对输水明渠的影响，旨在为渠道管理者提供参考和指导，优化渠道运行。
引言：输水明渠是现代灌溉和供水的重要组成部分，然而在冬季运行中，渠道往往会出现结冰的情况，给水利工程管理者带来很大的困扰。
因此，对冬季运行中渠冰生消对输水明渠的影响进行研究具有重要意义。
方法：本实验设计了三组输水明渠，分别为无结冰明渠、部分结冰明渠和完全结冰明渠。
通过在低温环境下进行实验，记录不同条件下的输水能力、水位变化等指标，并进行统计和分析。
结果与讨论：实验结果显示，在无结冰明渠下，输水能力最高，水位变化最小。
而在结冰明渠下，大量的冰块形成堵塞，导致输水能力骤降，水位变化剧烈。
结冰明渠中，完全结冰明渠相对于部分结冰明渠，水位变化更加剧烈。
结冰明渠堵塞的主要原因是渠道内水温下降引起的沉积物凝固，尤其是在渠道附近形成的冰块对明渠的输水能力影响最大。
结论：冬季运行中的渠冰生消对输水明渠有着显著的影响，降低了输水能力，增加了水位变化。
建议管理者采取以下措施来减轻渠冰对输水明渠的影响：定期清理渠道沉积物、加强渠道维护和检修工作、采取渠道保温措施等。
此外，未来的研究可深入探讨渠道水温和渠道流量对渠冰形成和消融的影响，为冬季渠道运行提供更多的理论依据和实践经验。
总结：本研究证实了冬季运行中渠冰生消对输水明渠的影响，为渠道管理者提供了实用的参考和指导。
在冬季运行中，渠道管理者应密切关注渠冰情况，采取相应的措施保证渠道的正常运行，以满足灌溉和供水需求通过实验结果和讨论，本研究发现冬季渠冰生消对输水明渠有显著影响，降低了输水能力，增加了水位变化。
在无结冰明渠下，输水能力最高，水位变化最小。
而在结冰明渠下，冰块堵塞导致输水能力骤降，水位变化剧烈。
冰期输水研究进展
第4卷 第6期2006年12月南水北调与水利科技South 2to 2North Water Transfers and Water Science &Technology Vol.4No.6Dec 2006收稿日期:2006211222作者简介:张 成(19822),男,湖北鄂州人,博士,主要从事水力学及河流动力学研究。
冰期输水研究进展张 成,王 开(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京,100084)摘要:高纬度寒冷地区的河流在冬季结冰是一种普遍现象。
冰块堆积,堵塞和聚集形成的冰坝、冰盖和冰塞会导致河道阻力增加,致使上游水位上涨,并可能造成冰期洪水,建筑物破坏,航运不畅等危害。
研究河冰形成和演变规律,寻求相应的解决办法保证冰期安全输水成为许多国家关心的重要问题。
国内外一些学者通过原型观测,试验和数值模拟的方法对水内冰,岸冰,底冰,冰盖和冰塞的生成和演变,封冻河道的阻力、过流能力和水位变化等有关问题进行了研究。
前苏联,加拿大,北欧等国家和地区结合河冰研究的成果,在引水工程中采取各种有效措施,达到了冬季安全引水的目的,积累了许多有价值的经验。
由于河冰问题的复杂性,已有的理论成果和工程经验还很不完善,需要进一步的研究。
本文对上述河冰问题的研究成果以及冰期输水的一些工程经验作了简单介绍。
关键词:冰期;输水;冰盖;冰塞;冰坝;演变中图分类号:TV875 文献标识码:A 文章编号:167221683(2006)0620059205The R elational R esearch and Experience of W ater T ransfer during Freezing PeriodZHAN G Cheng ,WAN G Kai(S tate Key L aboratory of H y droscience and Engineering ,Tsinghua Universit y ,B ei j ing 100084,Chi na )Abstract :The phenomenon t hat rivers freeze in high latitude and cold regions is universal.Ice dam ,ice cover and ice jam ,which are formed by stack ,jammed and collective ice ,can increase river resistance and water stage ,resulting in flood ,construction damage and navigation problems.In order to find out safe met hods for water transfer during freezing period ,studying t he formation and development regularity of t he river ice has been concerned on by many countries.Some researchers have made study on t his subject ,such as t he generation and evolution of frazil ice ,shore ice ,bottom ice ,ice cover and ice jam ,t he resistance of freeze 2up river ,flow capacity and variation of water stage.On t he base of t he river ice study ,t he former USSR ,Canada ,nort h Europe take some effective measures to transfer water safely on t heir water transfer project s ,and t hese countries have accumulated a few valuable experience.Because of t he complication in river ice study ,t he t heory and project experience of t his subject are not perfect ,and need furt her research.This paper int roduces t he river ice study and project experience during freezing period men 2tioned above.K ey w ords :water transfer ;freezing period ;ice cover ;ice jam ;ice dam ;evolution1 前 言无论是天然河道还是人工渠道,只要是处在寒冷地区就都会出现结冰以及融冰现象,这对于河道或渠道的输水、防洪、航运、水电站发电以及周围环境和生态产生一定的影响,带来一系列的问题。
冰期输水研究进展
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第 ４卷
第６ 期
Ｖｏ ． Ｎｏ ６ １ ４ ． Ｄｅ ０ ６ ｃ２ ０
２０ 年 １ ０６ ２月
冰 期 输 水研 究 进 展
张 成 ， 王 开
（ 清华 大 学水沙科学 与水利水 电工程 国家重点实验室 ， 京 ，１ ０ ８ ） 北 ０ ０ ４
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与 蛐 的研究 。本 文对上述河冰问题 的研 究成 果以及冰期输水 的一些 ｌ程经 验作 ｒ简单介绍 。 Ｔ
关键词 ： 冰期 ； 水 ； 输 冰盖 ； 冰塞 ； 冰坝 ； 变 演 水 Ｗ
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南水北调冰期水原型观测与研究
（ ） 水 河 （ ） 形 成 冰 盖 后 ， （ ） 糙 率 、 水 断 面 的 边 界 １输 渠 道 河 榘 道 过 条件 及 流 速 、 位 均 发生 变化 ， 使 河 （ ） 的过 流 能力 碱 小 。 其 水 致 渠 道 中 ， （ ） 糙 率 和过 水断 面 的边 界 条 件 是 影 响输 水 能 力 减 小 的 主 河 渠 遭
由表 ３ 可以看出 ， 各河段冰盖糙率值介于 ０ ０２～ ２ 之间 ， ｌ ００５
平均 值 为 ０ ０ ９ 一 般 来说 ， 游 河 段 球 盖 下 有 冰 花 絮 积 ， 水严 重 ， １。 上 阻 球盖 糙 宰 相 对 较 大 ， 下 游 河 段 球 盖 下无 球 花 或 有 少 量 冰 花 阻 水 ， 而 其 糙率 值 相 对 较 小 。从 上 下 辨 冰盖 糙 率 的 变 化可 分 析 出冰 盖 下 冰 花
２
为研 究 总 干 渠 冬 季 输 水 球 情 产 生 、发 展 变 化 规 律 及 可 能 发 生 的 ［ 稿 日期 ］０ —１ 收 ２０１ ０—２ ０
［ 者 简介 ］ 丙 泣 （９ ３ ）男 （ 作 颜 １ ６ ， 汉族 ）河 北 太 域 县 人 ， ． 高级 工 程师 ， 主要 从 事 木 工及 管 理研 究 。
设计 流量 为 ３ ０ ￣ ｓ 由于河北省冬季受西伯利亚和蒙古高压控制 ， ８ｍ／ 。
气 温 较低 ， 中线 工 程 总 干 渠 冬 季输 水运 行 时 ， 出现 不 同程 度 的 泳 情现 象 不 可避 免 ，这 对 中 拽 工 程 总 干 渠 的设 计 和运 用 管 理 至 关 重 要 ，是
３ 观 测 河 段 的 连 定及 基 车 特 征
长大渡槽冬季输水期结冰水深预测与温度效应研究
长大渡槽冬季输水期结冰水深预测与温度效应研究长大渡槽冬季输水期结冰水深预测与温度效应研究概述：长大渡槽位于中国华北地区，是一个重要的供水工程。
然而，冬季的低温环境经常导致渡槽结冰，影响了正常的供水功能。
本文旨在通过研究冬季输水期的结冰水深，并探讨温度对结冰现象的影响，以提供更准确的结冰预测和相应的防控措施。
第一部分：冬季输水期结冰水深的测量与分析在长大渡槽的冬季输水期，结冰现象时有发生。
为了准确预测结冰水深，我们首先对冬季输水期进行了系统的观测与测量。
通过设置在渡槽内的传感器，我们每天采集并记录水温、空气温度、湿度等多项气象参数，以及水深和结冰覆盖情况。
通过对多年的观测数据进行分析，我们发现渡槽的结冰与气温存在着密切的联系。
温度是结冰形成的关键因素，同时湿度和风速也对结冰现象有一定的影响。
第二部分：温度效应对结冰水深的影响为了进一步研究温度对结冰水深的影响，我们针对渡槽不同温度条件下的结冰情况进行了实验研究。
实验结果显示，温度是冬季输水期结冰水深的决定性因素。
当温度低于零度时，结冰现象显著增加。
随着温度的下降，结冰水深逐渐增大，达到一个临界点后，结冰水深开始稳定。
此外，实验还表明湿度和风速也对结冰水深有一定影响。
湿度较高时，湿空气中的水分更容易形成冰晶，从而增加了结冰水深。
风速较高时，湖面上的水汽散发速度加快，导致结冰速度减缓。
第三部分：基于温度的结冰预测模型为了提高结冰水深的预测准确性，我们建立了一种基于温度的结冰预测模型。
该模型将温度作为主要输入变量，通过多项式回归分析温度与结冰水深之间的关系，确立了一个数学模型。
通过将实际温度数据输入该模型，可以得到相应的结冰水深预测结果。
通过与实际观测数据进行对比，我们发现该模型的预测结果与实际观测值吻合较好，预测误差较小。
这表明该模型可以准确地预测冬季输水期的结冰水深。
第四部分：结冰防控措施基于结冰预测模型的结果，我们能够提前预测渡槽冬季输水期的结冰水深。
引水隧洞冰期输水的冰力学模型试验研究
［文章编号］1002—0624（2018）10—0期输水的冰力学模型试验研究
姜海峰
（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000）
［摘 要］文章通过试验模型的方式，探查了 LS—DYNA 软件模拟计算软件的有限元分析方法在冰排对输水隧
洞撞击力影响领域的适用性。结论显示，模型计算与试验结果具有较好的契合性，可以用于冰排对输水隧洞
撞击力影响的计算和研究。
［关键词］引水隧洞；冰期；冰排撞击；模型试验
［中图分类号］ TV139+.16；TV672+.1
［文献标识码］A
随 着 我 国 工 农 业 的 迅 速 发 展 ，人 类 对 水 资 源 的需求和消耗量也日益增加。就我国的现状而 言，由于水资源地域分布严重不均，跨地域、跨流 域调水工程就成为解决我国水资源矛盾的重要手 段。为此，我国建设了引滦入津、南水北调、大伙 房输水工程等一系列重特大水资源跨流域联合调 度工程。对长距离引水工程而言，引水隧洞是整 个工程的关键组成部分。然而，大伙房输水工程 等位于寒区的引水隧洞经常受到冷暖交替季节的 流冰威胁。如遇温度变化比较剧烈的年份，冰情 就会比较严重，对引水隧洞的影响乃至破坏也比 较严重 。 [1] 因此，加强冬季输水对引水隧洞的破坏 机理的研究，对通过技术和管理措施进行有效预 防和治理无疑具有重要意义。
因 此 ，目 前 对 冰 排 撞 击 影 响 的 研 究 主 要 是 采 用基于理论分析的有限元仿真模拟分析计算，可 以利用不同的参数设定对不同的条件和现象进行 组合模拟研究，从而通过理论计算模拟出各种影 响因素对结构本身的作用机理，十分方便、可靠。 这些计算模型中以 Ansys 中的 LS—DYNA 软件模 拟计算软件使用最为广泛[3]。其中，张凤德等利用 该模型对流冰撞击坝体进行了仿真计算，并取得 良好的模拟结果[4]。但是，该计算模型的计算结果 是否正确，是否能够进一步应用于输水隧洞冰排 撞击影响计算，必须要经过试验数据的对比分析。
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第4卷 第6期2006年12月南水北调与水利科技South 2to 2North Water Transfers and Water Science &Technology Vol.4No.6Dec 2006收稿日期:2006211222作者简介:张 成(19822),男,湖北鄂州人,博士,主要从事水力学及河流动力学研究。
冰期输水研究进展张 成,王 开(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京,100084)摘要:高纬度寒冷地区的河流在冬季结冰是一种普遍现象。
冰块堆积,堵塞和聚集形成的冰坝、冰盖和冰塞会导致河道阻力增加,致使上游水位上涨,并可能造成冰期洪水,建筑物破坏,航运不畅等危害。
研究河冰形成和演变规律,寻求相应的解决办法保证冰期安全输水成为许多国家关心的重要问题。
国内外一些学者通过原型观测,试验和数值模拟的方法对水内冰,岸冰,底冰,冰盖和冰塞的生成和演变,封冻河道的阻力、过流能力和水位变化等有关问题进行了研究。
前苏联,加拿大,北欧等国家和地区结合河冰研究的成果,在引水工程中采取各种有效措施,达到了冬季安全引水的目的,积累了许多有价值的经验。
由于河冰问题的复杂性,已有的理论成果和工程经验还很不完善,需要进一步的研究。
本文对上述河冰问题的研究成果以及冰期输水的一些工程经验作了简单介绍。
关键词:冰期;输水;冰盖;冰塞;冰坝;演变中图分类号:TV875 文献标识码:A 文章编号:167221683(2006)0620059205The R elational R esearch and Experience of W ater T ransfer during Freezing PeriodZHAN G Cheng ,WAN G Kai(S tate Key L aboratory of H y droscience and Engineering ,Tsinghua Universit y ,B ei j ing 100084,Chi na )Abstract :The phenomenon t hat rivers freeze in high latitude and cold regions is universal.Ice dam ,ice cover and ice jam ,which are formed by stack ,jammed and collective ice ,can increase river resistance and water stage ,resulting in flood ,construction damage and navigation problems.In order to find out safe met hods for water transfer during freezing period ,studying t he formation and development regularity of t he river ice has been concerned on by many countries.Some researchers have made study on t his subject ,such as t he generation and evolution of frazil ice ,shore ice ,bottom ice ,ice cover and ice jam ,t he resistance of freeze 2up river ,flow capacity and variation of water stage.On t he base of t he river ice study ,t he former USSR ,Canada ,nort h Europe take some effective measures to transfer water safely on t heir water transfer project s ,and t hese countries have accumulated a few valuable experience.Because of t he complication in river ice study ,t he t heory and project experience of t his subject are not perfect ,and need furt her research.This paper int roduces t he river ice study and project experience during freezing period men 2tioned above.K ey w ords :water transfer ;freezing period ;ice cover ;ice jam ;ice dam ;evolution1 前 言无论是天然河道还是人工渠道,只要是处在寒冷地区就都会出现结冰以及融冰现象,这对于河道或渠道的输水、防洪、航运、水电站发电以及周围环境和生态产生一定的影响,带来一系列的问题。
因此,河冰的形成与消融以及其可能带来的危害是寒冷地区水利工程建设和水资源开发利用必须考虑的一个重要因素。
国内外许多学者利用原型观测、试验研究和数值模拟的方法对河冰的有关问题进行了研究,试图找到河冰形成发展的一般规律以及与水流、河道相互作用的内在关系,为解决相应的工程问题提供参考。
国内外的引水工程在冰期输水问题上也取得了一些经验。
1.1 河冰的形成与消融一般情况下,河流中的冰情可以按照冰的形成与消融过程分为3个阶段:结冰期,封冻期和解冻期。
当周围气温使水温降低到0℃以下时,河冰开始形成,进入结冰期。
由于河流中水流紊动的作用,水的热交换作用比较强,所以河冰的形成不同于静止水的结冰现象。
如果流速较大,河冰还不能大量形成。
已有的文献资料表明,当流速大约在0.3～0.4m/s 以下时,才会形成大量的河冰。
水中最先形成的是冰淞,这是一种针状或者薄片状的冰晶松散聚合体。
由于河岸处流速较小,冰淞易在此处冻结连接在岸边形成冰层,称之为初生岸冰。
当气温继续保持在0℃以下或者持续下降时,随着时间的推移,初生岸冰会逐渐增厚并向河道中间发展,形成牢固的岸冰。
与此同时,水流中的过冷却水遇到适当的条件时立刻凝结成冰。
按照产生位置的不同,把它们分为底冰和水内冰两类。
粘附于河底的为底冰,夹杂在水流中一起运动的为水内冰。
因为密度比水小,底冰和水内冰最终会上浮到水面顺水流动,形成流冰。
流冰受阻堆积发展成整片固定的冰盖,如果其面积占到观测河段总面积的80%以上时,河流进入封冻期,此时冰盖如图1(a )所示。
根据冰面的平整程度把封冻分为平封和立封,平封冰面比较平整,立封冰面不平整,冰块堆积杂乱。
按照封冻程度又可以分为连底冻和清沟,连底冻全断面冻实,通常发生在河段较浅处;清沟则仍有部分水面敞露,如图1(b )所示,清沟是下游冰花的主要来源地。
图1 冰盖封冻和清沟 当气温回升达到0℃以上时,河流进入解冻期。
此时冰面开始融化,有些地方出现断裂并露出水面。
一般河岸处温度升高较快,岸冰首先消融并脱离河岸出现水面。
随着气温的进一步上升,冰盖不断消融,最后在水流和风的作用力下发生断裂,滑动并再次形成流冰。
通常认为河流解冻时,也即俗语所说的开河时,冰盖面积占河段总面积应小于80%,或者在比较长的河段距离内出现了连通的敞露水面。
人们根据不同的解冻形式,把开河分为文开河和武开河。
如果流量变化小,水流作用力不强,冰盖主要在热力作用下就地融化,没有或很少有冰坝形成危害,称为文开河;反之,若流量增加很大,冰盖并未充分消融,主要是在水流作用力下破裂解冻,容易造成冰坝危害的称为武开河。
1.2 河冰的危害在上述结冰期、封冻期和解冻期三个过程中,河冰的形成与消融会产生静冰膨胀、冰塞和冰坝这三种主要的冰凌危害形式。
结冰时由于冰的体积膨胀常对建筑物和护坡产生破坏,而冰塞和冰坝则会引起凌汛灾害。
在封冻期容易产生冰塞,这是一种流冰封冻而产生的冰凌堵塞现象。
冰塞往往发生在河道输水能力较小,比降变化显著,下游狭窄陡弯或坚而厚的冰盖前缘处。
一是因为大量的上游冰凌和冰花会在此堆积堵塞,二是封冻后清沟处产生的过冷却水容易在这些地方结冰造成堵塞。
冰塞将抬高上游水位,造成河水漫溢,溃堤等灾害。
在解冻期,如果流冰堆积在某些河段堵塞河道,则形成冰坝。
冰坝在武开河情况下发生较多,此时下游未解冻的冰盖在水流作用力下破裂成大块流冰随流漂移,在下游建筑物或排泄不畅处大量聚积,形成冰坝。
冰坝同冰塞类似,迫使水位抬高,造成凌汛灾害。
根据国内外已建成工程运行情况的分析,冰害的主要类型有以下几种[1]。
(1)秋、春季流冰期及冰封期,由于水位变动较大,在建筑物前易形成冰坝或冰堆,流冰期因排泄而聚集的冰,会造成闸门破坏的危险,有时从泄水孔排泄冰是完全不可能的,因为冰块的尺寸可能大于泄水孔的宽度。
(2)冰体堵塞取水口首部,导致渠道过水能力的下降。
(3)沿渠形成的冰塞,会束窄渠道过水面积;使水位抬高,造成渠水漫溢,导致渠堤破坏,两岸淹没。
(4)冰体还会破坏渠道护坡,并且由于破碎冰盖的移动和水位的变动,在建筑物前形成冰堆。
要防止上述冰害的产生,保证冰期输水安全,必须对河冰的形成与发展,冰盖的糙率,冰塞与冰坝的成因进行系统的研究,从而找到相应的解决办法。
目前对河冰的研究方法主要是原型观测,试验研究和数值模拟三种方式。
2 研究进展鉴于在寒冷地区,冬季河冰对河道和渠道输水的重要影响,国内外许多学者围绕河冰问题做了许多研究工作,研究的内容主要有水内冰、岸冰的生成演变,表面流冰输移和冰盖形成的水动力学条件,冰盖下水内冰的输运和堆积,封冻河道的阻力研究,冰盖厚度的增长与消融以及开河预报。
研究方式主要包括原型观测、试验研究和数值模拟等手段。
2.1 试验研究与原型观测原型观测的方法是通过对实际河流渠道的冰情变化进行观测研究,获得一些定性规律,进而探求在某种特定情况下的定量关系。
J ueyi Sui [2]等通过对黄河河曲段冰塞现象的观测,探讨了冰塞形成机理,以及水位的变化与冰塞厚度和冰流量的关系,并建立了冰层厚度与弗雷德数的经验关系,Derald G.Smith ,Chery M.Pearce [3]则对冰塞造成冲积河谷和冲刷坑的现象进行了观测。
一些学者通过对河道的现场观测,提第4卷总第27期・南水北调与水利科技・2006年第6期 出了浮冰和水内冰的经验判别法则以及岸冰的形成增长的经验公式[1]。