高纬度地区渠道无冰盖输水的冰情控制研究

中国北方高纬度地区有一些渠道工程,因其建设年代早,受规划之初经济条件限制,未考虑冰期运行,仅在非冰期输水。随着经济发展,目前亟需实现冬季输水。但是受结构上的限制,这些渠道抗冰冻能力差,无法采取冰盖下输水或冰水二相流输水,通过加设保温盖板,防止渠道结冰,既可解决用水矛盾,又可节省工程改造投资,具有巨大的经济效益和社会效益。本研究根据传热学理论对加设保温盖板后的渠道水体失温过程进行理论分析,并在此基础上建立了设置保温盖板的一维渠道冰期输水数学模型,对加设保温盖板的冰期输水过程进行了模拟,分析了保温材料厚度、输水流量、出库水温等对冰期输水的影响,论证渠道冬季加设保温盖板输水的可行性。并提出了切实可行的冬季输水方案。研究成果对于冰期渠道安全输水和渠道改造都有一定的借鉴意义。     

长距离输水渠道冰期运行控制研究

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,根据渠道内的冰情演变特性,提出冬季渠道应采用闸前常水位方式运行。鉴于气象预报以及冰情预报可能存在的不确定性,提出采用水位-流量串级的反馈控制算法,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。     

南水北调中线2014~2015年度冬季冰情原型观测

2014年底,南水北调中线干线工程全线正式通水,冬季冰期输水面临渠道结冰问题。为研究中线干线冬季冰期安全输水问题,于2014~2015年度冬季开展了冰情原型观测,获得了冬季冰期输水的水力参数、气象参数和冰情特征等第一手现场数据,掌握了暖冬气候条件、小流量输水工况下中线干线结冰、封冻和开河过程的基本规律。为中线工程冬季安全输水运行积累了经验,可为制定冰期调度方案和编制防凌减灾措施提供依据。     

明渠冬季安全输水措施研究

冬季明渠输水的主要方式有冰水混合和冰盖下2种.冰水混合流对渠道的过流条件要求较为苛刻,运用时受限制较多;冰盖下输水可以实现明渠冬季输水安全运行,但必须控制流冰期渠道的水流流速和水流弗劳德数.冰期输水的注意事项主要有:渠首蓄冰运行、渠道断面设计应采用窄深式、尽快使明渠形成冰盖、冰盖输水宜采用无自由表面输水、提高渠道内的水温等.     

寒冷地区渠道冬季运行相关因素的分析

新疆北疆地区渠道冬季运行具有冬季气温低、流冰期长、冰流量大、水流量小等特点,无论是天然河道还是人工渠道,当水温降低到0℃以下时,引水渠道内冰花和岸冰就开始形成并进入结冰期。当岸冰增长到一定宽度就会形成冰盖。由于大部分渠道工程都修建于上世纪50、60年代,受当时条件限制,均未考虑冰期运行,仅在非冰期输水。随着经济发展的要求,大部分渠道都亟需实现冬季输水。以某输水渠道为例,根据实地观测资料,分析了环境气温、水体流速、流量及水温、冰温和冰体沿程分布的情况,为渠道实现冬输水提供科学依据。     

赴苏考察

引黄入淀,是为解决河北省以及京津地区水资源短缺而决定兴建的大型引水工程。工程的关键在於冬季输水,即冰期输水,鉴於苏联在大型渠道冬季输水方面以及其他冰情研究方面有着丰富的经验,水利部决定派冰期输水考察团赴苏考察。     

宽浅式渠道水内冰演变数值模拟研究

针对我国西北高纬度地区宽浅式渠道无法通过结冰盖输水的问题,以新疆北疆长距离输水渠道为依托,开展宽浅式渠道水内冰演变输移规律研究,通过构建一维冰水二相流输水模型,分析冰期渠道水内冰时空分布规律,利用部分渠段单日实测资料验证模型的可靠性,最终对全渠段冬季冰期进行模拟,揭示渠道水内冰生成的初始时间及位置,并计算得出水内冰浓度沿时空变化规律,研究成果对保证渠道冬季安全输水具有一定的借鉴意义。     

典型长距离调水工程冬季冰凌危害调查及分析

以某长距离调水工程为研究对象,基于原形观测资料分析渠道冬季冰情发展规律和存在的冰凌问题。介绍了渠道和建筑物布置特点、不同冬季气象特点和冬季输水运行方式,分析了流冰期、封冻期、开河期的冰情现象,不同年份和空间上的冰情分布特征,总结了长距离输水渠道冰情生消演变的基本规律。基于典型冬季渠道出现的特殊冰凌灾害,列举了冰塞、泵站前池水位下降、分水口流量降低、仪器设备读数失真、渠道衬砌冻胀等冰凌影响事件,分析了气象条件、水力条件和工程布置特点对冰凌危害出现的影响。从调度、工程措施出发,在不同冰期阶段,针对不同渠道和建筑物位置,提出集防、拦、扰、捞、排一体化的冰凌防护措施,为长距离输水工程冬季冰期安全高效运行提供技术保障。     

冰期过流量计算与冰面曲线推求

冬季渠内的流水,随着气温的降低,流水由畅流逐渐转为流冰,最后在表层形成冰盖。据统计,华北地区封冰期大都发生在十二月底,该时气温约为摄示负二度至负七度。冬季输水计算应解决两个问题,即冰期输水水位与非冰期水位相同时渠道过流能力有多大?其冰面曲线如何绘制?冰期输水是相当复杂的问题,涉及糙率、摩阻力如何确定、冰下     

南水北调中线京石段冰期输水规律研究

南水北调中线京石段供水工程起于河北省石家庄,止于北京的团城湖,渠道全长307km,由于沿线冬季天气寒冷,通常都会出现结冰现象。为了做好冰期调水运行工作,确保冰期通水工作的顺利进行,输水本文利用京石段四次冰期调度运行数据,在分析各输水渠段的冰情时空分布特征的基础上,提出了冰期输水调度的经验与规律,为南水北调中线工程的冰期调度运行、冰期灾害防治和冰期灾情预报提供技术支撑。     

基于真冰模型试验的冰盖稳定性研究

南水北调中线工程在冰期输水过程中宜采用冰盖下输水的方式,输水过程中维持冰盖稳定性 成为输水成功与否的关键。鉴于输水渠道和天然河道的冰盖稳定性不同,本文以真冰为试验对象,开 展了冰盖减压试验和冰盖增压试验,研究了冰盖稳定性与冰盖下水压力之间的关系。研究发现随着冰 盖宽度的增加,冰盖下极限水压力升、降幅度先增大,后减小;而随着冰盖厚度的增加,冰盖下极限 水压力降幅减小,升幅增大。同时由于冰盖对于水压力上升的承受能力显著强于水压力下降。为此, 建议稳定冰盖形成后,应适当调高水位运行,以利于保持冰盖稳定性。     

Simulation and analysis of ice processes in an artificial open channel

The Middle Route Project for South-to-North Water Transfer, which consists of a long artificial open channel and various hydraulic constructions, is a big water conveyance system. A numerical modeling of water conveyance in the ice period for such large-scale and long distance water transfer project is developed based on the integration of a river ice model and an unsteady flow model with complex inner boundaries. A simplified method to obtain the same flow discharge in the upstream and downstream of the structure by neglecting the storage effect is proposed for dealing with the inner boundaries. According to the measured and design data in winter-spring period, the whole ice process, which includes the formation of the ice cover, its development, the melting and the breaking up as well as the ice-water dynamic response during the gate operation for the middle route, is simulated. The ice characteristics and the water conveyance capacity are both analyzed and thus the hydraulic control conditions for a safety regulation are obtained. At last, the uncertainties of some parameters related to the ice model are discussed.     

南水北调中线工程总干渠冬季大流量输水 水温调控措施

为保障南水北调中线工程冬季输水安全，利用建立的总干渠全线一维水温模型，针对 350、280、210 和 150?m3/s?这 4 种不同输水流量方案，模拟分析各方案在强冷冬、冷冬、平冬和暖冬等典型冬季气象条件下总干渠 冬季输水保温效果，在此基础上提出总干渠冬季无冰盖大流量输水水温调控措施。结果表明：针对不同典型冬季 气象条件，在有限条件下采取无冰盖大流量输水调度运行方式，可不同程度缩短输水流动时长、减少沿程水体热 量损失，从而达到保温效果；在各典型冬季年份气象条件下，随着总干渠输水流量增大，沿程水温比降相应减缓， 明渠末端水温相应提升；在冬季气象条件适宜情况下，总干渠冬季采取无冰盖大流量输水水温调控措施，既有利 于减小水温降幅，同时也可有效解决冬季输水能力受限问题；建议根据总干渠中短期气温预报和水温预测情况， 在冷冬、平冬和暖冬等典型冬季气象条件下尽可能采取较大输水流量输水模式，在强冷冬气象条件下可分时段、 分渠段采用无冰盖大流量输水模式。     

考虑冰盖生消和冰-结构-冻土协同作用的渠道弹性地基梁模型

冰-冻破坏是寒区冬季输水渠道结构破坏的主要原因,而目前尚缺乏准确的分析方法和评价准则。本文从冰盖生消过程中结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构冰冻破坏机理出发,考虑在冰-结构-冻土协同作用下,基于弹性地基梁Winkler理论推导了衬砌结构的挠曲线微分方程,分别建立了3个阶段衬砌结构的冰冻破坏力学模型,并结合相应荷载组合和边界条件对模型求解获得了衬砌结构的挠度、内力和应力的解析表达。应用该模型对南水北调京石段某输水渠道进行冰冻破坏分析计算,结果表明:结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构的法向冻胀位移最大值分别为10.62、13.89和5.05 cm,对应3个阶段衬砌结构的截面最大拉应力分别为3.63、 4.11和2.05 MPa,且破坏位置均在冻结区坡板的中下部,与现场监测渠道冰冻破坏分布规律吻合。据此,建议寒区冬季输水渠道控制运用中应尽量缩短结冰初期、流冰期时间,延长第3阶段稳定封冻期时间,同时应合理控制地下水位和冰盖厚度。研究结果可为寒区冬季输水渠道抗冰冻设计提供理论依据和分析方法。     

万家寨引黄工程南干连接段汾河河道冰期输水能力及冰情分析

本文阐述了汾河干流头马营至河岔河段１９９６～１９９７年冰期沿程冰情、水温、流量变化。分析了静乐、河岔水文站在冰期受气温日变化影响的流量日变化规律。分析了１９９６～１９９７年冰情的代表性以及引黄后发生冰塞、冰坝的可能性。用历年汾河上游冰期水文资料，对历年冰期河槽储冰量进行了分析计算，探讨了河槽结冰对流量的影响，最后提出了冰期输水措施和建议。     

长距离明渠系统反向输水冰情模拟

针对长距离明渠-闸门-泵站系统冬季反向输水可能出现的冰问题,以南水北调来水调入密云水库调蓄工程为研究对象,升级开发了调水工程冬季输水冰情数值模拟平台。根据实测气象资料和设计资料,对冰情数学模型中的相关参数进行了率定和检验。在此基础上,研究了冰期明渠反向安全输水的水力约束条件,通过模拟调蓄工程典型气温年工况下畅流期、冰盖形成期、稳封期、消融期等冰情演变过程,分析了反向输水的输水能力和冰情特性,并与正向冰期输水能力进行了对比。计算表明,通过控制抽水流量使各渠段泵吸水口拦冰(拦污)设施、倒虹吸或闸门位置处断面佛汝德数满足快速成冰的约束条件,可以保证反向输水;典型年气温下沿程冰厚略小于正向输水工况,且形成冰盖时最大水位波动为0.35 m;从冰封起始的12月中旬提前1~2周启动冬季输水运行工况较为适宜。研究成果可供决策管理部门在冰期制定北京多水源联合调度方案时参考。     

输水渠道冰盖增厚物理模型试验相似律研究

随着南水北调中线工程冰期输水相关问题研究的深入,理论研究成果亟需物理模型试验和原型观测数据的支持和验证,由于原型观测难度较大,且影响因素不可控,物理模型试验方法成为解决冰水力学问题的有效途径。现在国内外学者开展冰水力学模型试验的成果基础上,结合冰水力学理论研究成果,对以冻结模型冰为试验材料的输水渠道冰盖增厚物理模型试验相似律展开研究,并通过物理模型试验进行了验证。研究表明:冰凌下潜临界流速的比尺为λ0.5,水力加厚冰盖沉积厚度的比尺为λ,均遵循重力相似准则;对于力学加厚冰盖,由于冰凌黏结力不遵循重力相似准则,结冰期需设法控制黏结力;融冰期可按照重力相似准则设计,但需控制环境温度在结冰点以上,以减小冰凌间的黏结力;因此输水渠道冰盖增厚物理模型试验宜采用冻结模型冰为试验对象,试验应按照重力相似准则进行设计。     

南水北调中线工程渠道防冻胀设计中的几个问题

南水北调中线工程由南向北，从气候温和区走向寒冷区。在寒冷区，输水总干渠及其下级分于渠每年冬季都将遇到渠床冻结、渠道冰凌对渠道工程的冻害和冰害问题，严重影响调水的输水安全。因此，在工程设计、施工和运行阶段，必须搞好防治冻害和冰害的工作。针对河北省的冻害、冰害特点，依据有关规范和资料，阐述渠道工程防治冰冻害的重要性及其工程和非工程措施。     

应用CE-QUAL-W2模型模拟输水明渠冰盖的研究

以宁夏吴忠地区金积供水工程输水明渠为例,应用CE-QUAL-W2模型(二维纵向垂向平均水动力学和水质模型)进行了输水明渠冰期冰盖生消模拟的可行性研究。在此基础上,计算了南水北调中线京石段典型气温过程中不同入流量和水深条件下的冰盖发展过程,同时对模型参数进行了敏感性分析,研究结果表明:气温、入流量、水深、光遮蔽系数和风剪切系数对冰情有不同程度的影响。