南水北调中线干线冰期输水动态调度初探

为保障输水运行安全，南水北调中线安阳河以北段针对冰期通常采取高水位、小流量、低流速的输水模式，导致下游供水量较正常输水期大幅度减少，既影响工程效益发挥，也使得冬季水量供需矛盾日益凸显。基于历史观测数据和冰情发展规律，在2021—2022年度冰期输水期间，中线工程首次采用动态调度、优化控制的方式，预测研判气温、水温、冰情发展，采取相宜的调度模式，科学增加输水的时间和范围，在安全平稳完成冰期输水任务的同时，冬季3个月安阳河以下实际供水量较同期计划增加3.38亿m3，动态调度实效显著。     

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。     

南水北调中线冰情演变水温与气温阈值研究

南水北调中线工程冬季存在复杂的冰情,影响工程正常输水.为更好地进行冰期输水调度,需要在冬季进行南水北调中线干渠的冰情预报工作.南水北调中线冰情影响因素复杂,冰情初生和转换时气温和水温的阈值是冰情预报模型中的重要判断标准.文章通过对冰情原型观测资料的收集与整理,总结了岸冰、流冰和冰盖初生时日最低气温主要分布在:-8.0～...     

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。     

基于外调水入渠的冰期渠道水力热力协同调控方法

为破解高纬度地区长距离渠道冬季冰盖下输水能力不足的问题，以一个梯形断面尺寸一定的渠道模型为例， 利用数值模拟方法，分析气温、入渠水温、输水流量等热力和水力因子对冬季渠道水温沿程衰减的影响规律，并 采用多元拟合的方法提出适合该断面尺寸渠道的不冻长度公式。分析两种离线水库补水模式对渠道水体的温控 效果及补水流量、气温、补水水温对补水间距的影响，并将不冻长度公式用于补水间距的计算。研究表明：在接 近冰点的渠道断面，通过外调水入渠，能够延长渠道不冻长度，可在一定输水距离范围内避免渠道结冰，从而解决 长距离输水渠道冰期输水能力不足的问题。研究成果对长距离输水渠道冰害防治和冰期输水能力提升具有一定 参考价值。     

南水北调中线京石段冬季调度策略

冰塞是南水北调中线工程冬季输水面临的主要冰害。冰塞的形成及发展与水力、热力、冰冻等多方面因素有关。因此,分析冰塞在不同因素下的变化特征,研究如何通过改变水位、流速等控制方式降低冰塞灾害发生的概率,对于保障中线工程冰期输水的供水安全至关重要。以中线工程中冰害风险较大的坟庄河节制闸 南拒马河节制闸渠段为研究对象,首先基于水动力学、热力学以及冰水力学等理论,构建冰情演变模型,并进行率定与验证;然后依据冰塞的形成条件以及影响因素,设置不同水深、流速与气温的组合情景并模拟冰情变化;之后基于水深、流速与水温变化对冰塞特征影响的定量分析,确定流速的控制指标以及气温的预警指标,提出渠段冬季输水的安全调度方式;最后采用冰塞最容易发生的水深、流速以及气温的组合情景对调度方式进行验证。验证结果表明,该调度方式能够显著降低冰塞发生概率,有效保障了冰期输水安全,能够为实际调度提供一定的参考。     

南水北调中线总干渠沿线地区冬季气温特征分析

南水北调中线工程总干渠沿线区域冬季气温特性影响工程冰期输水调度过程和冰害防治工作布置。基于总干渠沿线8个气象站点1968～2017年的逐日气温资料,采用R/S分析法与Mann-Kendall趋势检验法探讨了各站点冬季平均气温的趋势性与突变性,进一步用《暖冬等级》(GB/T 21983-2008)对沿线各站点进行各类典型年划分,并制定了寒潮同步分析标准。结果表明:近50 a,该工程沿线地区冬季气温具有显著升温趋势;可将90年代作为工程沿线区域冬季气温突变变暖时间节点;沿线地区强冷冬典型年同步比例约为8%,同步冷暖冬比例共约43%;各站点冬季连续低温天数从南至北依次增加,且均呈递减趋势。工程沿线冬季气温同步性较大,应充分挖掘气温同步的特性与影响,一方面避免因冰情预测不足诱发安全风险管理风险;另一方面可提高冰期输水灵活性和效益性。     

南水北调中线工程冬季输水冰情的数值模拟

南水北调中线工程总干渠是由明渠和各种过水建筑物组成的树状系统,特点是线路长、过水建筑物类型多、冰水动力学响应过程复杂。本文将冰情发展模型与树状明渠系统复杂内边界条件下的渠道非恒定流模型进行集成耦合,开发了大型长距离调水工程冬季输水冰情数值模拟平台,提出了树状明渠系统复杂内边界条件的等效变换方法和计算冰盖前缘动态发展的虚拟流动法。根据实测的沿线气象资料和设计资料,利用该平台系统模拟了在寒冷气温条件下总干渠初冰、冰盖形成、发展和消融过程。分析了冬季输水的冰情特性及冰期输水能力,提出了冰期安全运行的水力控制条件,通过对典型年总干渠敞流期、冰盖形成期、稳封期、调度期以及开河全过程的模拟,给出了安全运行输水调度方案及建议。     

南水北调中线冬季冰情变化特征及输水能力提升策略研究

南水北调中线工程冰期输水能力受限已成为制约工程安全运行和社会效益发挥的巨大障碍。认识和辨析通水以来中线干渠冬季水温冰情演变规律及影响机理,是中线干渠冬季输水能力提升亟需解决的关键问题。本文基于2011—2023年中线干渠连续12个冬季的气象、水力、冰情等原型观测资料,分析了中线干渠水温冰情时空分布本底和特征规律,明晰了影响中线干渠冰凌生消的关键因素,针对性提出了冬季输水能力提升的相关应对策略。分析表明：通水以来冰情发生的范围和时间相比理论预想偏小、偏短,冰凌影响区为七里河倒虹吸至北拒马河暗渠段,冰塞风险区为滹沱河倒虹吸至北拒马河暗渠段,多年平均冰厚15 cm,历史极端冰塞厚2.9 m,冰凌壅水最高值0.73 m;干渠冬季水温由南向北递减,依次出现岸冰、流冰和冰盖,日均气温转负后相应的断面平均测量水温在2.5、1.0和0.25 ℃左右,且沿程水温下降速率与流量和气温呈负相关,即增大输水流量可减缓水温下降速度;影响冰凌生消的关键因素是气温、流量、太阳辐射和风速,典型年如2016年的严重冰情与1月低累计负积温、大输水流量和短时寒潮叠加有关,漕河等渡槽失温快产冰量大与风速密切相关。基于上述分析,未来可考虑结合气象、水情、冰情实时监测和智能预警预报,建立水温-水量-水力协同调控和动态调度技术体系,重点从缩短冰期输水时长、降低冰情影响范围、优化关键控制指标和挖潜渠道防冰塞性能等多方面全面提升南水北调中线工程冬季输水能力。     

基于气温预报的HS公式短期逐日参考作物腾发量预报评价与分析

为了开展基于气温预报Hargreaves-Samani(HS)公式短期逐日参考作物腾发量预报评价分析,收集南京站2002—2013年逐日观测气象数据和2012—2013年预见期7 d的逐日天气预报数据,采用FAO-56 Penman-Monteith(PM)公式及2002—2012年气象数据计算逐日ET₀(参考作物腾发量),并对Hargreaves-Samani(HS)公式参数进行率定。采用率定后的HS公式开展2012—2013年预见期7 d的ET₀预报,并对预报结果进行精度评价和敏感性分析,结果表明:最低温度预报准确率要高于最高温度;校正后的HS公式各相关统计指标较好,HS公式ET₀计算校正值与PM公式计算值总体上一致,校正后的HS公式精度得到提高;ET₀预报精度随预见期增加而下降,且基于最低温预报的ET₀预报精度要高于最高温度;ET₀预报误差对低温预报的敏感性要小于高温预报,ET₀预报误差对夏季温度预报误差敏感性最大,而对冬季温度预报误差敏感性最小。     

基于气温链的南水北调中线工程冬季气温等级评价

寒冷区明渠冬季输水结冰是常见的自然现象。南水北调中线工程水面一旦形成冰盖其安全输水流量仅为设计流量的30%~50%,而气温是驱动冰盖形成的主要因子,如何科学评价冬季气温等级是冰期输水面临的关键问题之一。分析了沿线8座气象站1951—2021年冬季日平均气温和日最低气温数据,揭示了总干渠气温沿程和年际变化规律。基于拉格朗日质点跟踪法,结合沿线气温-水温-冰盖生成物理过程,提出了气温链概念并给出通用数学表达式。分别采用国标法、一月平均气温法和气温链法评价冬季气温等级,构建了71 a冬季气温位次。结果表明:①总干渠自南向北气温逐级下降速率为0.48 ℃/(100 km),保定站呈加速下降趋势,对冰盖生成贡献最大。②沿线冬季气温总体呈波动上升趋势,升温速率为0.37 ℃/(10 a),强暖冬出现在最近30 a,强冷冬出现在前30 a,气温的总体上升有利于减缓大范围冰盖生成。③对于冰盖生成预测,气温链法优于一月平均气温法,更优于国标法;不同时间尺度组合评价可获得更优的结果;全球持续变暖背景下,可采用一月平均气温法和北方2站6 d气温链法联合评价。④给出了北方2站6 d气温链法冬季等级的分界阈值,即强暖冬T_C≥-4.0 ℃,弱暖冬-5.7 ℃≤T_C<-4.0 ℃,正常-7.4 ℃<T_C<-5.7 ℃,弱冷冬-9.1 ℃<T_C≤-7.4 ℃,强冷冬T_C≤-9.1 ℃,长系列均值为-6.5 ℃。研究成果可更好地为南水北调中线工程总干渠冰盖生成提供新的参考基准。     

南水北调中线冬季水温分布规律数值模拟研究

水温是南水北调中线冬季输水冰情预报的重要指标之一。以中线工程总干渠冬季水温为研究对象建立一维水温数学模型,模拟不同气象冷暖冬条件与不同输水流量方案下总干渠沿线水温变化过程,揭示水温沿线时空分布规律,并在此基础上给出相关冬季输水调度运行建议。结果表明:总干渠沿线自南向北各闸站水温沿程降低,大部分工况显示冬季水温整体呈现出先下降后缓慢上升的趋势。同一气象条件下,输水流量越大,沿线水温降幅就越小,如在2013年冷冬典型年份下,陶岔渠首输水流量150m3/s时沿程降温率为0.37℃/100km,陶岔输水流量350m3/s时沿程降温率为0.16℃/100km。同一输水流量条件下,虽然气温升高对水温的提高有一定的效果,但是不同典型冬季年份降温率并没有显著相关性。建议在做好基于中短期寒潮预报的冬季输水实时调控模式研究的前提下,冬季可采取加大流速输水方案(即大流量、低水位输水),减少水温降幅,旨在提升全线非冰盖输水的可行性。     

南水北调中线工程冬季气温与水温关联性

为探讨南水北调中线工程中渠水温度与沿途气温之间的关系，采用等距抽样方法，从南到北在南水北调中 线节制闸中选取 7 座节制闸作为分析样本，收集统计 2022 年 11 月 15 日—2023 年 2 月 28 日所选节制闸的水温信 息和所在地的气温信息。结果表明：7 座节制闸的冬季水温变化趋势和 15?日移动平均气温变化相似；对南水北调 中线上游段水温减去沿线 15?日气温差形成的数据与下游段水温数据进行对比，计算得到的皮尔逊相关系数均在 0.95 以上，相关性显著；在冬季，跨流域调水工程从南到北（上游到下游）的 15?日移动平均气温差是反映水体热量 损失的主要表现形式。研究结果可为跨流域调水工程调整冰期输水调度策略、预防冰冻灾害提供理论依据。     

模糊理论和神经网络预报河流冰期水温的比较研究

冬季冰期水温的预报是冰情预报的基础。将基于自适应网络的模糊推理系统(ANFIS)和Levenberg-Marquardt算法改进的BP神经网络模型ANN应用到黄河冬季水温预报中,通过分析模型结构特性、水文数据及其相关预报因子的特点,确定模型合理的输入参数。在ANFIS和ANN模型输入因子和预见期相同的条件下,预报黄河最北端三湖河口、头道拐、巴彦高勒3个水文站冬季结冰期的水温。两种模型预报结果的优劣通过确定性系数、均方根误差和相关系数3种参数的比较进行评定。通过12组参数预报结果的比较和特性评定,自适应网络的模糊推理系统预报结果均比神经网络模型预报结果好。研究表明:基于自适应网络的模糊推理系统这一新的理论能够适合冬季结冰期水温预报的特点,预报精度得到普遍的提高。     

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。     

黄河内蒙古段封河期水面-大气非线性热力学模型探究

封河期水面-大气界面热量交换决定了河道内水温变化,是影响河流冰情及冰凌堵塞的主要热力因素。以黄河内蒙古段冰期水面-大气净太阳辐射、有效长波辐射、蒸发及热传导辐射特征为基础,探讨分析现存非线性热力学模型的差异及其影响因素。结果表明:基于ShenChiang和Ashton非线性热力学模型的黄河内蒙古段封河期水面-大气平均热交换量分别为124.05和114.31 W/(m~2·h),受太阳短波辐射昼夜交替变化及内蒙古高纬度地区昼夜温差较大的影响,日均热量损失规律性明显,水体表面吸收的热量在11:00-15:00时段内大于其释放的热量,其他时段则相反;气象因子对总热量损失的贡献率呈现气温(T_a)相对湿度(RH)露点温度(T_d)风速(V_a)大气压(P),蒸发辐射对风速的响应大于热传导辐射,但风速对总热量损失的影响效应并不显著;风速突增与气温骤降的双重作用是导致热量传输速度加快和极值出现的主要原因,风速大于4 m/s时模型结果差异性显著,揭示了模型在冰期热力学过程研究中的区别和影响因素;总体而言,Ashton热力学模型更适用于黄河内蒙古段封河期流凌密度及冰情特征的研究。     

浅论南水北调中线干线涞涿段冰期输水措施

南水北调中线干线涞涿段是南水北调中线干线的组成部分,从2008年南水北调京石段工程通水以来,中线工程涞涿段已经历了6次冰期输水,冰期运行状况正常。冰期输水通过采取输水调度措施,严格控制水位的变幅,在干渠冰盖形成后通过高水位、低流速调度输水,同时通过在节制闸、控制闸室弧形闸门等处安装闸门门槽加热设备,在闸门前设置增氧扰动设备,配备人工捞冰和破冰机械设备等措施,确保冬期稳定输水。     

关于引黄济津保证冰期输水安全的几个问题

冰期输水安全问题是目前北方缺水地区引水,调水一个值得研究的重要问题。1981年冬季引黄济津过程中,南运河沧州地段发生了较为严重的流冰、壅冰现象,严重地影响了輸水安全。为了摸清该地区的冰情规律,确保今后冰期输水的安全,我们观测并调查了这次冰情发生、发展的过程,并结合1953年～1974年南运河捷地站有关冰情、水温、气温等观测资料     

加厚冰盖渗流对渠道输水能力的影响

输水渠道冰期输水能力日益成为工程运行管理、学者研究关注的焦点。输水能力的研究不能仅仅局限在正常输水期(明流期和封冻期),还应该考虑非常工况下工程的输水能力,比如流凌期的输水能力。普遍认为流凌期输水能力将可能成为束缚冰期输水能力的瓶颈。为提高流凌期输水能力,可以采用加厚冰盖下的输水方式运行。通过理论分析和物理模型试验相结合的方法,针对加厚冰盖渗流对输水工程冰期输水能力的影响进行了研究,结果表明:由于结冰期加厚冰盖孔隙率较大,其渗透系数大于融冰期加厚冰盖;冰凌形状系数t/L对加厚冰盖渗透系数影响较小;随着冰厚的增加,加厚冰盖渗透系数逐渐减小,尤其当冰厚小于0.1m时,渗透系数衰减迅速;随着渠道总流量的增加,加厚冰盖渗流量相应增大,但是渗流量在总流量中的比重却随总流量的增大而减小;加厚冰盖渗流在渠道输水流量中所占比重很小,一般情况下,对输水渠道冰期输水能力的影响可以忽略不计。     

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。