北京市内调水工程冬季输水冰情问题研究

　　摘要：分析北京市内调水工程的水流条件，借鉴北京市水利工程及其他调水工程历史上出现的冰害典型事例，提出北京市内调水工程中涉及的明渠、取水口、水闸、过渠桥等，在冬季输水过程中可能存在的流凌、冰塞、渠道冻涨破坏、闸门冻结等冰害；并提出控制水流条件、装拦冰索、设潜水泵等相应的预防冰害措施，为确保冬季输水安全运行管理提供依据。

　　关键词：冬季输水 冰期 冰情 拦冰索

　　中图分类号TV698.2+6　文献标志码B　文章编号1673-4637（2010）01-0017-03

　　南水北调中线京石段应急供水工程水源抵达北京后将输送到北京市第三水厂、第九水厂、田村山水厂、城子水厂等地，经过处理后，进入市政自来水管网中。通过对南水北调京石段应急供水冬季输水中涉及北京市内的渠道、河湖和取水建筑物可能出现的冰情进行调查、分析，提出调度与管理方案，预防、解决冬季输水可能存在的问题。

　　南水北调北京市内取水涉及范围包括：进团城湖明渠段；出口北至京密引水渠屯佃闸；南至昆玉段出口至玉渊潭进水闸。

　　1 调水工程可能出现的冰情

　　冰期可能出现的主要冰害[1]：在结冰期、封冻期和解冻期3 个过程中，河冰的形成与消融会产生静冰膨胀、冰塞和冰坝3 种主要的冰凌危害形式。根据国内外已建成工程运行情况的分析，冰害对建筑物的影响主要类型有以下几种：①由于水位变动较大，流冰在建筑物前易形成冰坝或冰堆，因排泄而聚集的冰会造成闸门破坏的危险；②冰体堵塞取水口首部，导致渠道过水能力下降；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流动的冰块会产生很大的动冰压力和撞击力，碰撞船舶和其他建筑物，使河流冬季无法通航，水工建筑物也会遭到破坏；⑤在温度升高时，冰盖膨胀产生巨大的静冰压力使河岸护坡和水工建筑物（如进水塔、桥墩和胸墙等）遭到破坏。

　　1.1 明渠段

　　由于各明渠段中水流流速不同、岸坡防护程度不同，则可能出现的冰情有所不同。以2008 年《南水北调京石段北京市内水量配置方案》为例，计算各明渠段相应流速变化，分析可能出现的冰情。

　　1.1.1南水北调入团城湖前的明渠段

　　根据明渠段输水条件，计算出该段渠道冬季输水期间流速为（0.39 ～ 0.54） m / s，而北京渠道封冻流速在0.3 m / s 左右[2]，由此分析渠道中会产生冰花、流冰等。对于不封冻河段，当流速较大、冰凌较多时，有可能引起冰坝、冰塞等冰害。如1959 年1 月五孔桥跌水处出现的冰塞，当时渠道中流速（0.4 ～ 0.5）m/ s。在寒冷年份可能出现冰盖，影响渠道过流能力。渠道结岸冰时，边坡混凝土六边形空心衬砌可能出现因基土冻涨发生破坏。

　　1.1.2团城湖闸至龙背村明渠

　　团城湖闸至团城湖明渠段，河道中流速（0.22 ～0.25）m/ s，初冰期河道中会出现岸冰、冰花和冰片等，最终形成冰盖。出现流凌、冰塞等冰害的可能性较小。该段挡土墙没有进行防冻处理，可能出现冻涨破坏现象。

　　团城湖北闸至第九水厂取水口龙背村明渠段，河道中流速（0.19～0.32） m / s，该段由于较历史冬季输水中流速增加，可能出现流凌、冰塞、水位壅高、堤岸漫溢等冰害。渠道边坡在2000 年的防渗衬砌中进行了防冻设计，而且冰盖附近设直立的细粒花岗岩料石镶面的混凝土墙，增加墙体的吸收太阳热辐射作用，减少冰盖对边坡破坏。调查结果表明近几年冬季输水运行中该段没有出现边坡冻胀破坏现象，但由于本次输水渠道流速大，而且反向输水，还需要观察冰冻对渠道衬砌的影响。

　　1.1.3龙背村至屯佃闸明渠

　　该段在本次冬季输水期间河道中流速较小，输水过程中会形成冰盖。渠道边坡进行了防冻设计，冰盖附近设有直立的混凝土墙，渠道衬砌受冻害可能性较小。因此该段基本不会出现冰害现象。

　　1.1.4团城湖闸至团城湖南闸

　　团城湖闸至团城湖南闸正常运行河道流速约0.02 m / s，水深（1.95～2.2） m，水流条件满足冰盖输水条件要求。但遇特殊情况退水流量加大，会出现流凌，在闸前形成冰塞，对泄流能力造成影响。

　　1.1.5京密引水渠昆玉段

　　昆玉段往年冬季运行水位48.80 m，由于上游京密引水渠补给流量较小流速约为0.4 m3 / s，不足部分由地下水补给，地下水水温较高，所以冬季输水过程渠道中只有薄冰出现。据调查以前冬季输水过程中没有冰害发生。

　　在本次冬季输水期间正常输水情况下，河道中流速较小，输水过程中会形成冰盖，出现流冰的机会较小。但作为应急退水河道时，如果输水流量加大，就可能出现流凌、冰塞等冰害，影响渠道过流能力。

　　1989 年12 月至1990 年3 月冬季输水后，京密引水渠昆玉段3 km衬砌在冰层部位发生了隆起、错位、下滑的冰冻害，遭严重破坏的约占30％。1990 年采用聚苯乙烯保温板，将7.2 km昆玉段全线衬砌，经过1990—1991 年冬季观测，未发生冻害，因此渠道衬砌受冻害可能性较小。但特殊输水条件下，可能出现流冰撞击破坏。

　　1.2 取水口

　　因各取水口的结构不同，水流条件各异，可能出现的冰情不尽相同。

　　1.2.1田村山（燕化）水厂取水口

　　团城湖冬季输水期间水位控制为（49.0 ± 0.1） m，田村山水厂取水口位于水深（1.4 ～ 1.6） m 以下，而团城湖冰盖最大厚度约43 cm，因此不会影响水厂取水。而且取水口中最大流速约0.034 m/ s，流速较小，不会出现流冰下潜造成取水口堵塞等冰害。该取水口已经过多年冬季运行，无冰害问题。但团城湖换水速度加快，湖中冰情发生变化可能波及到取水口。

　　1.2.2城子水厂（“东水西调”工程）取水口

　　城子水厂取水口处水深（1.4～1.6）m，取水口中最大流速约0.082 m / s，不会出现流冰下潜造成取水口堵塞等冰害。城子水厂运行水位最低要求48.3 m，团城湖冰盖不会影响水厂取水。取水口处拦污栅可能发生贴冰阻水，影响过水能力。

　　该取水口经过多年冬季运行，历年无冰害问题。据调查，城子水厂输水管线沿程曾出现过冰情：需注意过模式口隧洞段管道冰情；过高井沟管道排气阀漏水结冰现象。

　　1.2.3第九水厂取水口

　　第九水厂取水口最大流速约为0.40 m / s。河道中流速相对以往冬季输水流速较大，可能出现流冰，在取水建筑物前易形成冰塞和冰坝，影响建筑物取水。拦污栅可能发生贴冰阻水，影响过水能力。

　　1.3 过水闸

　　北京市内调水工程涉及的过水闸包括：团城湖闸、团城湖节制闸（北闸）、北长河闸、颐和闸、安河闸、屯佃闸、团城湖南闸、玉渊潭进水闸等。冬季输水过程中闸门附近可能出现的冰情主要与闸门的运用方式有关，如团城湖闸、屯佃闸等基本为闸门全开状态，不会出现闸门冻结破坏冰害；长河闸冬季输水中有基流补给内城河湖，需要预防闸门冻死；安河闸前可能结冰封冻，影响闸门调度，使闸门遭到破坏，而安河闸在输水任务中遇紧急情况时承担退水任务，因此闸门需要保持工作状态，防止冻死。其他闸在以往的冬季输水过程中采取了防冻措施，没有出现冰害现象，如团城湖南闸历年冬季输水中下泄流量约0.4 m3 / s，在闸门上、下游设有潜水泵射水扰动水体防冻结装置，冬季输水期间基本没有出现冰害。

　　1.4 过渠桥

　　北京市水利科学研究所于1989 — 1990 年进行2个冬季输水运行期的观测，结果表明京密引水渠跨渠桥的桥柱处冰情不是很严重，不需要防护。但由于团城湖北闸至龙背村本次输水渠道中流速大于往年，而且输水方向相反，渠道中的桥柱可能受流冰撞击出现冰害。

　　2 防冰害措施

　　2.1 遵循“高水位、低流速”的冬季输水调度原则

　　根据京密引水渠原型观测及前人总结经验，冰盖输水的水流控制条件为：佛氏数Fr 小于0.09 或流速小于0.6 m / s，水深大于1.5 m。在该种水流条件下：①水流的紊动掺混作用减弱，上游产生的水内冰将漂浮于水面，新生的冰体只在水面产生，结有冰盖的水体内不再产生水内冰；②漂浮在水面的冰体遇到障碍物，如冰盖前缘或拦冰索时，冰体即停止在受阻处，冰体不下潜。当堆积到一定厚度时逐渐往上游发展，形成新的冰盖；③冰盖消融期，不出现流冰，冰盖就地消融；④冰盖下1.0 m水深范围为热量交换活动明显区，水深大于1.5 m，则渠道底部0.5 m以上水深的水体起到调温作用。

　　冬季输水期间团城湖及京密引水渠内控制水位（49.0 ± 0.1） m 至（49.0 ± 0.2） m，渠道中水深（1.76 ～2.65） m，流速小于0.6 m/s，满足冰盖下输水的水流控制条件，因此不需要调整团城湖及京密引水渠内水流。如遇特殊情况，利用屯佃闸控制水流条件，使该段水流条件满足形成稳定冰盖的要求。

　　昆玉段渠道中水位（48.8±0.02） m 左右，渠道中水深（1.90～2.63） m，正常下泄流速（0.01～0.02） m/ s，水流条件满足冰盖输水要求。因此输水过程中需要严格按照输水计划，利用玉渊潭进水闸进行水流控制，以利于形成稳定冰盖，在冰盖下安全输水。

　　在消冰期缓慢抬高渠道水位，水位抬高幅度为水深的10％～ 15％，使温度急剧升高的大气，不直接与受冻胀影响的混凝土直墙接触，而是通过热容量较大的水体，缓慢地传导到冻胀土体上，从而减少土层中冰体热胀冷缩作用下的变形量，达到保护混凝土边坡的目的。

　　2.2 减小输水期间的流量、水位变幅

　　根据调水方案，冬季输水期间研究区域水位变化较小，团城湖及京密引水渠内控制水位（49.0 ± 0.2） m；第九水厂引水流量略有变化为（11.23 ～ 11.00） m3 / s，其他用水户引水流量基本不变。输水期间严格按照输水计划运行，遇特殊情况，执行应急预案。

　　2.3 工作状态闸要防止闸门封冻

　　一般采用设潜水泵射水装置，通过射水扰动水体，达到防止闸门附近结冰的效果。潜水泵运行期根据气候情况确定，一般在每日气温最低的凌晨时段运行12 h，出现异常寒冷天气，则需24 h 不间断运行。

　　城子水厂（东水西调）调水工程按原来冬季的运行方式引水，必要时在进水闸前设潜水泵射水装置。

　　安河闸闸前设潜水泵射水装置，冬季调水期处于工作状态，紧急情况时作为退水闸运用。龙背村进水闸前设潜水泵射水装置，扰动水体达到防止结冰的效果。

　　昆玉段节制闸、万泉河首闸、北洼闸、长河闸，冬季输水过程中，由于长河闸需要向内城河湖补水，闸前后设置潜水泵射水防冻设施，其他闸冬季不运行，不用设置潜水泵。

　　2.4 设置拦冰索促成冰盖形成

　　由于团城湖闸前明渠段和京密引水渠中最大流速与冰盖输水限制的最大流速相近，输水中可能出现流冰，因此在闸前（3 ～ 4） m 位置需要设置（或准备）拦冰索，拦截移动的浮冰块、冰花和碎冰，促使其上游形成一道冰盖。

　　南水北调水进团城湖前明渠段，在团城湖闸前设拦冰索（事先做好准备，需要时再安装），促使该段形成稳定冰盖，实现冰盖下输水；同时严密监视冰情变化，如发生事故可以采取排冰和拦冰措施，必要时可以利用团城湖闸门控制水位；第九水厂取水口附近，需要保持输水渠道中的稳定流量、水位，防止出现流冰，准备在取水口上游设置拦冰索，防止流冰进入取水口；团城湖南闸前做好设置拦冰索的准备，观测水温、流速、冰情，出现流凌时再决定是否使用；玉渊潭进水闸闸前做好设置拦冰索的准备，防止应急退水等特殊情况出现流冰堵塞冰害。

　　2.5 加强冬季输水期间供水枢纽的巡视监测

　　各相关管理单位加强对输水渠道和取水建筑物的冰情监测，发现情况及时上报，并采取应急方案。

　　2.6 其他措施

　　取水口拦污栅发生冰片阻水现象时，用高压水来处理，或临时将拦污栅吊起来清理，如第九水厂（龙背村闸）取水口和城子水厂取水口的拦污栅。对于跨渠桥，输水期间进行冰情观测，必要时利用聚苯板包裹桥柱冰盖附近进行桥柱防护。

　　3 结语

　　通过对北京市及其国内相似水利工程历史上出现冰害的调查及统计分析，研究各类冰害的防护方法，提出北京市内调水工程可能出现的冰害以及其防护措施。2008 年冬季输水实施过程中，除了减少第九水厂的配水量外，其他水量配置、输水渠道和团城湖中水位控制等均执行《南水北调京石段北京市内水量配置方案》，运行过程中流量、水位平稳，龙背村闸前装置3 台曝气机扰动水体，屯佃闸上游、龙背村闸前的京密引水渠河道上下游、颐和园南闸上游等位置均设有拦冰索，冬季输水期间没有冰害现象发生。但2008 年冬季气温偏高，为了防止今后在寒冷天气或非正常输水等不利条件下北京市内调水工程可能出现的冰害现象，建议加强原型观测，掌握北京市内输水河道中流冰期、结冰期、融冰期的冰情及其形成条件、变化机理等，为确保冬季输水安全提供技术保障。

　　参考文献

　　［1］张成，王开.冰期输水研究进展[J].南水北调与水利科技，2006，6.

　　［2］北京市水科所.京密引水渠冬季输水研究报告[R].1992.

　　［3］任占亚.京密引水渠输供水管理[J].北京水利，1998,1.

　　作者简介：杨淑慧（1964—），女，高级工程师。
 

　　（杨淑慧 王理许 张春义 刘侠玲）