南运河冬季输水冰情及对策研究

边昱丞

（河北省南运河河务中心，河北 沧州 061000）

冰期输水安全问题是北方缺水地区引调水工作中一个非常重要的问题，冰期输水期间出现的一系列冰情现象对河道及水工建筑物都会产生一定的影响。对冰情变化规律进行了解和掌握，采取各种防冰、除冰措施来保障冬季输水期间工程的安全运行势在必行。近年来，南运河基本实现常态化引水，南水北调东线北延2022—2023 年度调水工作更是北延工程常态化供水以来首次实施冬季调水，调水量及调水时长均创历史新高。借此机会，对引水期间出现的各种冰情现象以及相应的对策进行研究，为今后南运河冰期输水的安全措施提供参考。

1 南运河概况

南运河为南水北调东线一期北延应急供水工程河北段的总干渠，引江水自东平湖穿黄河后经小运河、邱屯枢纽、六分干、七一六五河至穿漳卫新河倒虹吸进入南运河，直至天津九宣闸，自穿黄出口至天津九宣闸线路全长450.6 km，引水线路示意如图1所示。南运河位于北纬37°28′～39°10′，属温带大陆性半干旱季风气候，夏季炎热多雨，冬季干燥寒冷，多年平均气温为12.7℃左右，每年最低气温多发生在1、2 月，极值达-20℃，昼夜温差大，相差在10℃左右。南运河平均每年封冻期有56 d，封冻平均日期为12月26日，开河平均日期为2月20日。

图1 南水北调东线一期北延应急供水线路示意

2 2022—2023年度冬季输水冰情概况

河流冰情按照形成和消融过程分为3 个阶段，即流冰期、封冻期、解冻期。2022—2023 年度南水北调东线一期北延应急调水期间南运河沿线气温和水温变化，如图2所示。

图2 2022—2023年度调水期间北陈屯测站温度变化

2.1 流冰期

2.1.1 初生岸冰

统计分析安陵、北陈屯测站观测资料可知，12月15—16 日基本进入初生冰时段，该时段平均高温0℃，平均低温-12.5℃，昼夜温差平均12.5℃。2022年12月15日极端高温达到1℃，2022年12月16日极端低温达到-14℃，最大温差15℃。岸冰的形状为薄而透明的冰层，随着水流和风的作用固定在岸边，厚度2～8 mm，质地较疏松，从岸边脱离后在河道水体中逐步消融，不会对水工建筑物产生影响。

2.1.2 固定岸冰

固定岸冰为12 月16 日气温开始逐步下降后由初生岸冰发展而来的。12 月15 日11 时北陈屯测站气温为-3℃，17 日11 时气温已降至-12℃，随着气温的极速下降，南运河沿岸出现固定岸冰，其宽度、厚度随着气温的下降而增加，直至形成封河冰盖。在水流较急的河流或河段，固定岸冰常常保持于整个封冻期，达到较大厚度的初生岸冰，若河水冷却较快，厚度和宽度迅速增长。经统计，固定岸冰的厚度变化最大值为0.04 m/d，宽度变化最大值为5.5 m/d。

2.1.3 水内冰

水内冰是冰期的主要冰情现象，结于河底或河中物体上。发生岸冰的同时，在敞露的水面若流速降低并存在低于0℃的过冷水，便会产生冰晶体，多为海绵状多孔而不透明的冰体。在河底附着的称为底冰或锚冰，悬浮状态的冰屑称为冰花。纵向看，由于河道水面成冰后水温在水深方向由河面至河底表现为逐步递增的分布规律，水内冰的数量由河面向河底递减；横向看，水内冰表现为河中心处最大、岸边最小，从深泓线至岸边为逐渐递减的变化趋势。

分析水内冰产生的规律得知，水内冰在南运河弯道及水工建筑物等处会产生很大影响，由于这些地方河道的束窄，使其大量聚集，堵塞过水断面，造成上游水位上涨，形成漫堤甚至决口。

2.2 封冻期

分析安陵、北陈屯测站观测数据可知，2022 年12月31日—2023年1月3日基本进入封冻期。在南运河沿岸大部分出现岸冰的情况下，11：00 测站平均气温为-6.75℃且平均水温为0.1℃，流量及水位基本稳定，日间气温连续保持在0℃以下，日平均水温接近0℃，河道水面冰盖面积达到总面积的80%[1]。

此次输水过程中北陈屯节制闸至流河节制闸河段水面较早形成稳定的冰盖，封冻形式为平封。冰盖的厚度受气温和水温的变化而增减，南运河弯道较多，河槽宽而浅，弯道凸岸处冰盖较顺直段厚1～3 cm，冰盖稳定期深泓线处冰厚值在0.08～0.15 m，两侧冰厚值在0.15～0.25 m。

2.3 解冻期

分析安陵测站观测数据可知，2023 年2 月5—6日基本进入解冻期，11：00测站平均气温为1.45℃且平均水温为4.2℃，并为持续上升趋势。沧州市区以南段河道已无冰盖或只存在少量岸冰，敞露水面面积已超过河段总面积的80%。

南运河解冻期是以热力作用为主形成的融冰开河，当日平均气温升至0℃以上，日照和辐射热增强，水温升高，封冻自上而下开始融解，冰质减弱。此次输水上游来水流量不大、水热比较平稳，全河段逐段解冻开河，冰水安全下泄，未出现流冰、冰塞等情况。

2.4 冰期过流能力分析

将本次冬季输水水位及流量数据同2022 年上半年无冰盖输水的数据对比得知，相同流量条件下，冰盖下输水时水位会升高1.9%～5.4%；相同水位条件下，冰盖下输水时流量会降低27%～31%，具体数据详见表1—2。

表1 相同流量条件下输水水位对比

表2 相同水位条件下输水流量对比

2.5 冰期特点综述

分析安陵、北陈屯测站的观测数据得知，本次冬季输水期间的冰情特点如下。

（1）降温快，成冰过程短[2]。自2022年12月15—17 日，日间11：00 气温自-3℃骤降至-12℃，各水闸及桥梁附近大部分封冻并向上游延伸，河道岸冰生成迅速，河水表面形成不连续的大面积薄冰。

（2）封冻期，河面冰盖形成下游早于上游；解冻时，冰盖的消融上游早于下游，冰盖厚度为下游厚、上游薄。2022 年12 月26 日，北陈屯闸下游至流河闸河段已经完全形成稳定的冰盖，此时上游安陵闸至杨圈闸段河道仍为不连续冰盖及岸冰。

（3）整个冰期输水过程大部分为冰盖下输水，河道水面形成稳定冰盖后，冰情基本无变化。冰盖形成后，封冻河段大约占输水总河道的80%左右，其余未封河段多为清沟，少数为敞露的河面。有的河段自始至终未封冻，清沟内流冰花很少或没有，气温持续下降时稍有增加，整个输水过程中冰盖保持完整，有塌陷裂缝，但破碎随水流漂移的现象较少。

（4）此次冰期输水流冰期主要冰情现象为流冰花、流冰团，流冰块较少[2]，未发生冰塞、冰坝等现象，这与流冰期较短有关。流冰密度多为稀疏流冰，少数中度流冰，无密集流冰。

（5）冰盖对河道的过流能力会产生较大影响，相同流量条件下，冰盖下输水时水位相对畅流期会升高1.9%～5.4%；相同水位条件下，冰盖下输水时流量相对无冰盖时会降低27%～31%。

3 冰期输水相关措施

2022—2023 年度南水北调东线一期北延应急调水河北段冰期采用冰盖下过水的方式，冰盖的生成方式为平封，冰期输水划分为目标水位生成阶段、流冰阶段、冰盖形成阶段、冰盖下输水阶段、融冰阶段。

3.1 调度措施

冰期运行控制宜采取闸前常水位控制方式，适当提高闸前水位，防止流冰对闸门造成卡阻。闸门调整频率基本与正常运行闸门调整频率一致，可根据实际情况适当加密，从而实现对冰期目标水位的控制。在冰盖形成期间，宜采用低流速且稳定的流量，尽量不改变过水流量，有必要改变时，水位日变幅应不超过冰盖稳定的允许范围：1 d之内水位上浮应控制在10 cm之内，水位下降应控制在5 cm之内。

3.2 巡查管护

工程技术人员冰期运行前要对工程各部位进行全面检查，冰期运行期间要增加对工程的检查频率，应着重检查防冻措施和冰凌压力对建筑物的影响；冰期巡查应每日对水温、气温、冰情进行监测和记录，同时加大堤防和引水口门巡查力度，密切关注各辖段的水位及壅冰情况，一旦有险情，及时预警；定期进行人工破冰作业，打开通道疏冰，重点放在易卡冰阻水的桥、闸、涵等建筑物及弯道处；节制闸、检修闸以及防冰除冰设施应处于正常待命状态，如有必要则进行破冰作业，以保证工程的运行安全。

3.3 防、破冰措施

3.3.1 水闸防冰措施

严寒冰冻期间应采取有效的防冻措施，防止建筑物及闸门受冰压力作用而损坏。其中，节制闸、检修闸、退水闸等控制性建筑物为重点防冰对象，防冰措施包括以下方面。

（1）在闸门预埋件处加装超导液加热融冰装置，可在闸门启闭前后解冰作业，从而保证闸门冬季正常工作。

（2）在闸前安装水泵射流装置、压缩空气吹泡装置等扰冰设备，可以有效阻止闸门面板前水体结冰。

（3）在重要建筑物及闸涵处采用前方防护和局部加固办法如设置拦冰索、防凌排或破碎大块流冰等措施减轻撞击破坏。

冰冻期间启闭闸门前应采取措施，消除闸门周边和运转部位的冻结，可以采用高压水枪对闸门冰封处的冰块进行高压水冲洗或者利用吊车、吊篮、喷灯、消防斧、钢钎、十字镐等打冰工具进行人工打冰作业。

3.3.2 河道破冰措施

冰塞主要发生在封冻阶段，冰期输水应加强河道巡查，及时掌握冰情，当河道中冰凌堆积、可能堵塞河道时，立即组织力量破除，并布置防守，发现险情及时抢护，避免冰灾发展。既可以采用破冰工具进行破冰作业或撒土融冰，又可以利用沙土、草木灰等较深色的物质撒在冰面上吸收日照热能促使其融解。

冰坝主要发生在融冰阶段，可在利用退水闸降低坝前水位后采用破冰船或炸药爆破破冰。

3.3.3 渡槽防冻胀措施

南水北调东线一期北延应急调水南运河段线路上的渡槽工程有子牙新河穿运渡槽、北排河穿运渡槽。冰期渡槽U 形槽内结冰后，冰面产生的冻胀张力会对工程产生一定影响，需要进行破冰作业。

待U 形槽内形成稳定冰盖后，利用钢钎、十字镐、破冰锯等工具在其中部冰面开凿出1～1.5 m 宽的沟槽，消除冰面张力，并人工每日打捞出沟槽内新形成的冰凌，防止其重新结冰。

4 确保冰期输水安全的建议

（1）对沿线旁开闸后的引渠进行清淤整治，尤其是作为安全应急口门的旁开闸。虽然近2 a 南运河全段河道已进行了清淤整治，但沿线的分水口门后的引水渠道仍存在淤积严重的情况，致使冰期引水不畅，容易在旁开闸附近形成卡阻。

（2）做好冰情预报工作。在冰期各阶段，调度单位应加强同水文、气象部门的联动，及时掌握输水沿线实时信息，根据预判调配水量，保证冰期输水在一个稳定的水位下进行。

（3）采用加高堤防或在壅冰险工段设置溢冰道等工程措施[3]，提高冰期输水能力。溢冰道类似于水库的溢洪道，其渠底应高于河底，并设置闸门，平时将闸门关闭，壅冰时提开闸门，将流冰引入溢冰道，减少险工段的壅冰。

（4）持续进行冰情的观测工作，研究冰情对河道输水的影响以及冰盖冻胀力对水工建筑物的影响。

5 结语

鉴于南运河冰期输水较少、对冬季河道输水冰情特点了解有限的实际，本文对2022—2023 年度南水北调东线一期北延应急调水首次冬季供水期间的冰情特点进行了分析，并对冰期输水安全措施进行了探究。综上，只要做好冰期输水的冰情预报，在掌握南运河冬季实际输水能力的前提下对水资源进行合理调配，加上完善的防冰措施，未来南水北调东线一期北延应急调水南运河段的冰期输水工作将会更加顺利的开展。