南水北调中线工程冰期输水特性研究.pdf

水 利 学 报 2011 年11月 SHUILI XUEBAO 第42 卷 第11期 文章编号：0559-9350（2011 ）11-1295-07 南水北调中线工程冰期输水特性研究 穆祥鹏，陈文学，崔 巍，郭晓晨 （中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038） 摘要：应用水力学、冰水力学和传热学等理论，通过建立渠道的气、水、冰的热传导方程，水温控制方程，水流 运动、浮冰输移及冰盖发展方程，构建了南水北调中线干渠的一维冰期输水模型。该模型不仅考虑了渠道拦冰索 对流冰的控制条件，以及穿黄隧洞等地下结构的地温影响，还通过加入闸门控制算法，模拟了渠道中闸门对水位 和流量的调控作用，使得数值模拟结果更能符合工程的实际情况。利用此建立的模型，对该工程黄河以北干渠的 冰期输水过程进行了模拟，分析了渠道的冰情特性，研究了冰期渠道的水力响应特性，并提出了渠道冰害防治和 运行控制等方面的建议。 关键词：冰水力学；冰期输水；南水北调中线工程；数值模拟 中图分类号：TV 143 文献标识码：A 1 研究背景 高纬度地区的渠道在冬季会出现结冰现象，冰盖的出现和发展使得渠道的水流条件发生变化， 影响正常的输水运行，若对冰情、水情控制不当，容易引发冰塞、冰坝等冰害，严重时水流漫溢、 供水中断、水工建筑物遭到破坏，因此渠道冰期输水问题历来就是设计和管理人员关心的重要问题。 我国正在建设的南水北调中线工程由南向北从北亚热带湿润型气候区进入暖温带半湿润型气候 区，距离长，输水量大，交叉建筑物多，冬季运行时黄河以北渠道沿线会出现不同程度的冰情，输 水条件复杂，运行管理难度很大，开展南水北调中线工程冰期输水问题研究，对于保障工程冬季安 ［1］ 全运行具有十分重要的意义。董耀华等 根据大清河系冰期观测资料，采用数值模拟方法对比分析了 南水北调中线工程总干渠和大清河的冰情特点，认为冬季冰期输水期间，中线总干渠可以不考虑岸 ［2 ］ 冰和底冰，设计流量条件下难以形成稳定冰盖。殷瑞兰等 通过数值计算表明，中线工程在鹤壁以北 具有水内冰的生成条件，愈向北水内冰含冰量愈大，但在设定的流量条件下，沿线难以结成冰盖。 ［3 ］ 高霈生等 通过一维冰期输水模型模拟了中线干渠郑州至北京沿程的水温变化，预测各渠段的冰塞发 ［4 ］ 生位置和冰下过流能力，阐明了中线干渠冰期防凌的必要条件和可行性。范北林等 通过构建一维 水-冰热力学模型，预测了中线干渠的冰情时空分布特征，初步分析了冰期输水的影响因素，提出了 冰期运行的防冰措施。但是，以往的研究均未考虑工程沿线节制闸对水流的调控作用，也很少考虑 拦冰索对渠道流冰的影响，因而不能全面反映渠道在冰期运行期间的输水特性。 本文应用水力学、冰水力学和传热学等理论，通过建立渠道的气、水、冰的热传导方程，水温 控制方程，水流运动、浮冰输移及冰盖发展方程，构建南水北调中线干渠的一维冰期输水模型。该 模型不仅考虑渠道沿线拦冰索对流冰的控制条件以及穿黄隧洞的地温影响，还通过加入闸门控制算 法，模拟闸前常水位运行方式下节制闸对水流的调控作用，使得数值模拟结果更符合工程的实际情 收稿日期：2011-05-11 基金项目：国家自然科学基金资助项目） 作者简介：穆祥鹏（1979-），男，回族，天津人，博士，高级工程师，主要从事长距离输水工程水力控制及冰水力学研究。 E-mail ：swood2002@163.com — 1295 — 况。利用建立的冰期输水模型，对南水北调中线黄河以北干渠的冰期输水过程进行模拟，分析渠池 内的冰情演变过程，以及不同典型年、不同地点的冰情特点，研究冰期渠道