李家岸灌区冬季带冰引水的实践与探索

曹九岗，王建华，刘洪明

（山东省德州市李家岸灌区管理局，251500，德州）

李家岸灌区冬季带冰引水的实践与探索

曹九岗，王建华，刘洪明

（山东省德州市李家岸灌区管理局，251500，德州）

带冰引水；冰凌冰坝；李家岸灌区

一、李家岸灌区2011年冬季带冰引水情况

2010年年底，山东省德州市面临着百年不遇的特大干旱。为了抗旱保苗及满足灌区农村饮水的需求，李家岸灌区展开了大规模的冬季带冰引水工作。与往年冬季引水情况相比其引水流量、引水时间、出现的险情以及采取的除冰抢险的措施都是空前的。一是整个冬季没有停止引水，其中带冰引水从2010年12月27日至2011年2月20日，共计55天。二是保持了相对稳定的引水流量。引水期间，保持了30 m3/s左右的流量，确保了既不因流量过小而使河道全部封堵，又不致因流量过大水位过高而溃堤。三是采取了空前的破冰除险措施。虽然本次带冰引水流量不是很大，但总干渠运行水位很高，达到并超过设计水位。同时，由于局部形成冰坝，致使局部水位在高水位运行的基础上急剧上升，险象环生。为了确保安全，共出动挖掘机20余台排冰凌、破冰坝，疏通渠道。

通过采取科学有效的技术措施和强有力的组织措施，顺利地完成了冬季引水任务。共带冰引水1.37亿m3，有效地缓解了农田旱情，为庆云、乐陵水库送水1000多万m3，确保了两县的农村饮水需求。

二、冬季带冰引水险情发生的三个阶段

1.第一阶段——冰盖形成期

此阶段是指从开始有零星冰块（凌）开始，至水面冰盖形成这段时间。其主要特点是冰块随水流向下游漂浮，浮冰开始影响水的流速，水位开始上升，在障碍物处及水流变缓地段易形成冰坝，是引水最危险的时期。

李家岸灌区本次引水从12月27日开始，由于连续的低温 （最低温度-6℃～-9℃ 平均温度连续6天低于0℃），出现了冰凌。同时，黄河冰凌不断进入渠道，此时为带冰引水第一阶段。12月30日、31日，由于黄河水位上升和调水计划的原因，引水流量由原来的30 m3/s先后增加至40 m3/s和55 m3/s。此时黄河来水冰凌进一步增多，整个渠道内充满了冰块堆叠的浮冰层，厚度达50 cm，致使水位迅速上升，局部渠段超过设计水位0.5 m，开始出现险情。随后几天，个别渠段出现冰坝，致使总干渠在高水位运行的基础上水位急速上升，险情进一步发展。采用挖掘机排冰凌、破冰坝，疏通桥、涵、闸等措施解除了险情。

2.第二阶段——冰下过流期

在第一阶段末，由于天气持续降温，致使冰块冰凌结为一体，形成冰盖。冰盖下面形成一个比较稳定的过水断面，在引水流量变化不大的情况下，水位不会发生较大变化，局部也不会产生冰坝堆积现象。此阶段引水特点是水位比平时高，在流量变化不大的情况下比较稳定，是带冰引水比较稳定的时期。

3.第三阶段——冰盖融化期

在天气逐渐变暖时,平均温度连续数天达到0℃以上，渠道冰盖开始明显融化并逐渐开裂、松动，最后导致冰盖分裂成较大的冰块体，并随水流漂浮。此时情况与第一阶段类似，但由于冰块体强度和厚度比第一阶段小，其形成的破坏力和危险程度比第一阶段要小。

此阶段的特点是水位进一步下降，局部有形成冰坝或者浮冰堆积导致水位上升的可能。要注意流量不能变化过大（特别是变大）。

带冰引水过程三个阶段风险度示意见图1。从图中可以看出：①在第一阶段后期是引水最危险的时期，第三阶段是比较危险的时期。②在流量维持不变的情况下，P2几乎是个恒定值，且 P2＜P3＜P1。 ③第一阶段的结冰与第三阶段的化冰，存在着比气温滞后的现象 （表现为两个阶段的危险度上升期曲线为凹形，这从后面的冰块融化试验中可得到验证），主要是水温受地温等环境温度的影响造成的。

图1 带冰引水过程风险度示意图

三、带冰引水三个不同阶段影响因素分析

带冰引水的危险程度受多方面的影响，主要有四大因素，即环境温度、流量、渠道内部阻水因素及外部除冰疏通因素。在引水三个阶段过程中，四种因素都影响着引水的安全，但在不同阶段影响的程度不同。

1.第一阶段

第一阶段四种因素对引水影响都很大：如果气温突降很多，浮冰厚度会增加，且易形成冰坝；引水流量增加过大，冰块冰凌堆积加快，形成冰坝的可能性大大增加；渠道弯曲、由陡变缓以及桥、闸等阻冰处极易形成冰坝；外部除冰因素是疏通水流、确保引水安全的重要因素。

2.第二阶段

第二阶段最重要的因素就是流量。此时已形成固定冰盖，厚度可达30～50 cm，如果维持一定流量大体保持不变（变幅不超过±10%），冰下过水断面保持相对稳定，水位不会发生大的变化，此阶段是最安全的。

3.第三阶段

第三阶段与第一阶段大体相同。由于此阶段属冰凌融化期，冰体的强度比第一阶段要小，形成冰坝的概率将降低，引水危险程度P2要小于P1。如果保持流量不产生大的变化，是可以有效消除风险的。

四、试验观测

1.引水过程中水位的变化特征

从本次带冰引水实测资料分析看出，带冰引水期间，冰凌冰盖会减小过水断面，改变水流形态，影响过水流量，水位比平时要高。但在不同阶段、不同时段以及不同渠段，变化也不尽相同。

①在第一阶段中后期，浮冰凌堆积是由下游向上游延伸推进的，水位壅高也是自下游向上游发展的。

②从总干渠看，干渠水位存在上游涨下游跌或上游跌下游涨的规律；同时，受气温昼高夜低的影响，水位上午10：00左右开始回落，至下午17：00最低；而夜间水位涨，凌晨水位最高。

③在第三阶段后期临近开河前，冰盖厚度明显减小，水位下降明显。

2.水下冰块融化试验

在本次引水过程中，我们有针对性地做了水下冰块融化试验。选取了比较规则的冰块，由测流桥上破冰放入总干渠水下不同部位，同时测量水流温度。

从试验结果可知：①在第二阶段，即深冬寒冷时，水下温度基本是0℃，水下的冰块基本不融化；相反，由于水下冰凌挂附，冰块体积还会增大。②水温的回升比气温有滞后性。表现在冰盖融化方面就是平均气温在0℃以上几天后冰盖才明显融化。结冰时正好相反。③当气温回升到一定程度，水中温度达到0℃以上时，水下冰块融化很快。

3.冰坝易发地段分析

冬季带冰引水，在冰盖没有完全形成以前，容易形成冰坝，给引水带来极大的风险。易形成冰坝的地点主要集中在两个地方：一是渠道弯曲、断面变大、纵坡比由大变小等使水流变缓处，二是桥梁、水闸等阻冰处。这些地方都容易形成冰坝，都是防守重点。

冰坝对引水的危害主要是其水下形成的阻水体。根据浮力原理，对于活动的冰块形成的冰坝，水下冰体的体积是水面上冰体体积的9倍，形成阻水断面，是冰坝对冬季引水造成危害的主要原因。而桥梁、涵闸处，由于有混凝土支撑物（桥柱、闸墩等），在气温很低的情况下，这些支撑物温度也很低，它在阻冰的过程中会很快与冰块冻结为一体，支撑上浮冰块不会下沉，形成的冰坝体水面下阻水面积相应比较小，对引水的危害相应会小一些。

五、带冰引水的应对措施

冬季带冰引水，水位高，水情变化快，风险大，但只要掌握了带冰引水的规律，有针对性地采取相应措施，风险也是可控的。

①带冰引水水位比较高，要根据各引水渠道的具体情况确定一个最大流量。根据李家岸灌区2010年引水情况，以不超过40 m3/s为宜。同时，在第一阶段的前期就要达到最大流量。在第二阶段渠道全部冰封后，不宜再增加流量，更不宜在第一阶段后期和第三阶段前期明显加大流量。

②从整个冬季引水过程来看，第一阶段和第三阶段是防守的重点。最危险时期是第一阶段后期，即冰凌封河前期，最低气温-6℃、平均气温0℃以下维持4天以上，就进入这一时期。

③防守重点由下游向上游转移，防守部位在桥、闸等阻冰处，水流转弯、河渠断面变宽、河道坡降变小等处。其中转弯处、变宽处、变缓处发生阻水冰坝造成的险情最严重，防守机械也不易靠近，要引起高度重视，提前做好应急准备。

④防守除冰机械以挖掘机特别是长臂挖掘机比较适宜。在第一、第三阶段，在重点部位要设置一些机械来清除冰凌、冰坝。■

责任编辑 韦凤年

TV67

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1000-1123（2011）09-0029-02

2011-03-10

曹九岗，局长，高级工程师。