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。     

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。     

大清河系观测河段及南水北调 中线方案冰情计算分析①

为研究南水北调中线方案总干渠冰期输水问题，通过对大清河系冰情分析、水位水温验证计算及冰情影响计算表明：建立的一维非恒定水力学和水温数学模型可行且验证精度较高；观测河段无冰盖时糙率为０．０２～０．０３，有冰盖时糙率增加到０．０３～０．０４；假定不出现冰情，观测河段水位将下降０．１～０．４ ｍ ，过流能力将提高３０％ ～６５％ 。总干渠与大清河冰情对比分析表明：冬季冰期输水期间，总干渠可以不考虑岸冰和底冰，并且难以形成静态稳定冰盖，水内冰、水面流冰、冰塞和冰坝的出现和存在将不同程度上影响总干渠的糙率、水位和输水能力。     

大清河系观测河段及南水北调中线方案冰情计算分析

 为研究南水北调中线方案总干渠冰期输水问题，通过对大清河系冰情分析、水位水温验证计算及冰情影响计算表明：建立的一维非恒定水力学和水温数学模型可行且验证精度较高；观测河段无冰盖时糙率为002～003，有冰盖时糙率增加到003～004；假定不出现冰情，观测河段水位将下降01～04 m，过流能力将提高30%～65%。总干渠与大清河冰情对比分析表明：冬季冰期输水期间，总干渠可以不考虑岸冰和底冰，并且难以形成静态稳定冰盖，水内冰、水面流冰、冰塞和冰坝的出现和存在将不同程度上影响总干渠的糙率、水位和输水能力。     

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。     

长距离明渠冰期输水分析与研究

我国多个调水工程存在或面临冬季输水问题,高纬度寒冷地区的渠道在冬季结冰是一种普遍现象。冰盖和冰塞会导致渠道的水流阻力增加,致使上游水位上涨,影响正常的输水运行。若对冰清、水情控制不当,容易发生冰塞、冰坝等冰害,严重时可能造成水流漫溢、供水中断、建筑物损坏等危害。保证冰期输水安全是渠道输水有待解决的问题。     

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。     

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。     

河北省冰期调水水文特性分析

在北方冬季跨流域调水中,水流在年底至次年初发生结冰现象。输水河道在此期间,经过岸冰、冰花、溜冰、冰盖等冰情,造成河道输水水位抬升,流量变小,输水能力减低,且水位流量关系复杂。调水河道在冰寒加剧和高水位运行下,个别河段甚至出现冰塞、冰坝等冰灾现象,直接威胁到河道堤防安全,增加了输水管理的难度。研究分析冰期水流变化规律,对冰期输水监测及调度管理具有重要意义。     

南水北调中线工程冰期输水冰情及措施研究

在系统分析中国北方河渠冰期输水问题的基础上,通过采用一维非恒定水-冰热力学数学模型,系统模拟了输水过程中沿程不同冰情发生、发展变化过程.提出了采用Fr数、流冰密度、负积温综合判别不同冰情的方法,预测了南水北调中线工程冬季输水不同冰情的时空分布特征,并初步分析了冰期输水的特性及影响因素,提出了冰期输水冰情防治和预防措施等方面的建议.     

南水北调水内冰对冰期输水的影响及分析

水内冰是北方地区河渠冰期输水出现的主要冰情之一,是形成流冰花、动态冰盖、冰塞的物质基础。根据1994~1997年3个冬季的冰期输水原型观测,归纳总结了水内冰的产生、发展、消失的变化规律及水内冰对冰期输水的影响。     

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.     

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。     

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。     

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。     

浅析长距离输水渠道冬季运行安全措施探讨

结合新疆某大型渠道长距离冬季非冰盖输水发电运行实践,摸清冰情、冰害及对输水产生的影响,分析研究冬季输水存在的问题,探索冰期输水安全措施,确保渠道工程安全和冰期输水安全,为今后的冬季输水管理提供参考。     

南水北调中线干渠冰期输水能力研究

冰盖的形成使得渠道的湿周增加,水力半径减小,输水阻力加大,致使渠道过流能力减小,影响渠道的冬季输水。渠道冰期的输水能力无论对工程设计,还是运行管理都是十分重要的。文章分析了结冰期冰盖的安全推进模式和稳定封冻期渠道水位壅高的影响,提出了确定渠道在结冰期和稳定封冻期的输水能力的控制指标,在此基础上,对南水北调中线黄河以北渠段结冰期以及完全封冻后的输水能力进行了研究,确定了南水北调中线黄河以北干渠的冬季输水能力,研究成果对于南水北调中线干渠的冬季管理和运行具有一定的参考价值。     

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。     

引黄济青工程冰期输水运行研究

引黄济青工程是在冬季运行，大部分时间在冰盖下行水。分析研究冰盖的形成、消融机理及引黄济青输水河的特性，指出冰期输水的调度运行应“水位稳定、流量均衡、持续不断”。