南水北调中线冰期输水的实践与思考——以河北分公司辖区为例

南水北调中线工程是优化我国水资源时空配置的重大举措,为保障冰期输水安全,工程管理单位针对多种风险隐患,采取健全组织机构、加强制度建设、保障设备投入等一系列措施,逐渐形成成熟的保障体系,通过动态调度、专业巡检和智能指挥,有效保证了冰期输水的平稳运行。

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。

南水北调中线水源区农田面源污染防治现状分析与对策建议

为进一步明晰当前南水北调中线水源区污染来源,精准开展水源地水质保护,采用2017—2023年长系列水质资料,分析丹江口水库及入库河流水质特征,采用资料收集、文献调研及模型计算等方法,估算总氮、总磷污染负荷组成,采用实证分析方法分析了南水北调中线水源区面源污染治理存在的问题并提出对策建议。结果表明:丹江口水库总体水质良好,整体可达到Ⅱ类水质目标(湖库水质标准),但汛期水量较大时因总磷浓度升高会引起超标断面个数明显增加,以2021年和2023年丹江口水库实现170 m正常蓄水位的年份最为典型,而此时汉江、丹江等主要入库河流水质也下降,由以往Ⅱ类下降为Ⅲ类(河流水质标准)。无论是枯水年、丰水年,农田面源污染均已成为影响丹江口水库水质主导因素,总氮贡献率分别达到85.16%和57.73%,总磷贡献率分别达到77.74%和57.17%。当前水源区农田面源污染治理存在农田面源底数不清、农民减施化肥农药积极性不高、生态产品价值实现机制不顺等问题,迫切需要加强南水北调中线水源区农田面源污染防治。提出建立“天空地”一体化面源污染监测预警体系,研究新型高效生物农药、生物肥料,开展沟塘水系面源阻控体系建设,研究生态产品价值实现机制等对策建议。

基于全气象参数的南水北调中线冬季水气热交换模型

针对南水北调中线干渠水体表面热交换精细模拟技术欠缺和多气象因素相互作用机理不明等关键问题,考虑太阳高度角、日照时间、云层遮挡和反照率等因素对太阳辐射的影响,并综合分析水体吸收、反射和发射的净长波辐射、涵盖水体蒸散发失热、水面温差引起的热传导和降雪引起的失热,建立了基于全气象参数的大型明渠水气热交换数学模型。结合南水北调中线全线通水后5年的冬季水温、气温、相对湿度、气压、风速、太阳辐射等原型观测资料,重点分析和模拟了典型年北拒马河、漕河渡槽和滹沱河倒虹吸等渠池的净热通量量值及其组分占比。结果表明,模型能够精细模拟不同渠池水体逐小时吸收的太阳辐射、释放的长波辐射、蒸发失热和水气热传导。模拟结果和观测资料均显示中线干渠冬季以失热为主,其中太阳辐射对净热通量的贡献最大,其次分别为长波辐射、蒸散发失热、温差引起的热传导,占比分别为43.1%、30.9%、17.2%和8.8%。本文量化了中线干渠冬季热通量组成,为进一步研究中线水温冰情精细模拟和输水能力提升提供了基础。

基于标准化温度指数的南水北调中线工程沿线地区冷暖冬评估

选择南水北调中线工程沿线邯郸、正定、涿州为代表地区,利用1979-2021年冬季逐日气温数据,分析各代表区气温序列统计频率分布与理论概率分布的拟合情况,提出标准化温度指数(standardized temperature index,STI),并据此建立新的冬季冷暖量化评估模型。结果表明:STI方法与国标法的冬季冷暖评估结果基本一致,但在各代表区强冷冬和强暖冬划定上,STI评估得出的年份数量均少于国标法;各代表区以1月份气温计算得出的冷暖等级阈值对应的气温值均明显低于按整个冬季3个月计算结果。工程所在纬度越高,冬季冷暖等级阈值对应的气温值越低;根据STI评估结果,邯郸、正定、涿州发生强冷冬概率分别为7.14%、9.52%和4.76%,发生弱冷冬及以上的概率分别为38.09%、40.48%和38.09%,发生平冬的概率分别为21.43%、28.57%和21.43%,发生弱暖冬及以上的概率分别为40.48%、30.95%和40.48%,发生强暖冬的概率分别为4.76%、7.14%和2.38%。研究成果与基于正态分布的国标法相比,考虑了气温序列的偏态性概率分布特征,对相对冷暖的判别更科学,有推广应用价值。

南水北调中线工程输水建筑物整流累积效应研究

为分析输水建筑物整流对南水北调中线工程输水能力的影响,以陶岔渠首闸至十二里河渡槽渠段为例,建立一二维耦合水动力模型,其中渠道段采用一维模型,4个输水建筑物段(刁河渡槽、湍河渡槽、严陵河渡槽和淇河倒虹吸)采用二维模型,利用多年实测数据对耦合模型进行率定。分别对无整流方案和15种整流方案进行模拟计算,分析不同整流方案对上下游的影响,进而确定水头损失最小的整流方案。结果表明:单体整流影响范围为建筑物上下游3~5 km,多个建筑物整流的累积效果小于单个建筑物整流效果的线性叠加;对渠段中间2个输水建筑物(湍河渡槽、严陵河渡槽)进行整流的效果优于对上下游2个输水建筑物(刁河渡槽、淇河倒虹吸)进行整流的效果。

新形势下南水北调中线工程智慧调度的研究框架思考

南水北调中线工程智慧调度是新形势下实现精确精准调水、支撑工程高质量发展的重要途径。系统分析了南水北调中线工程通水以来的运行条件变化,提出了新形势下中线工程智慧调度需解决的关键科学技术问题,并提出了未来重点研究内容:要在研究复杂调水系统多水源多用户水资源均衡调配方法基础上,研发中线工程多场景输水智慧调控技术、事故智能预警与精细控制技术体系、决策支持平台,形成中线工程调度的科学决策管理模式,为国家水网重大工程智慧调度管理提供科学应用范式。

南水北调中线总干渠水情数据智能清洗

南水北调中线总干渠水位、流量等实时水情数据受外界扰动、测量系统误差等因素影响而产生的病态水情数据将造成调度模型计算失真,甚至导致计算失败。为此,针对上下游流量数据空间上的逻辑错误和水位数据时间序列的跳变,分别建立基于粒子群优化的水量平衡模型和指数加权滑动平均模型,对病态水情数据在空间、时间上实施横向、纵向清洗处理。以穿黄节制闸至漳河节制闸间的渠段为典型研究区间,利用模型自动识别流量倒挂点,并对该渠段涉及的12座节制闸、26处分水点的流量数据进行统一修正,实现了上下游逻辑上的合理性。同时,选取研究渠段内的闫河节制闸为代表,在48 h内运行基本稳定状态下,对每2 h的闸前水位数据序列进行分析,自动识别出跳变数据并进行合理修正。结果表明:建立的模型可自动识别病态水情数据并进行智能清洗,处理后的数据能够较好地满足输水调度分析决策的需要,因此该模型具有推广应用的价值。

南水北调中线总干渠污染物降解及自净能力研究

自净过程是影响河湖水体水质变化的重要因素,污染物降解系数是决定水体自净能力的关键参数。定量分析长距离输水过程中渠道本身的自净作用,对于认识总干渠水质变化过程,区分其他外源因素对水质变化的影响都有着重要意义。以高锰酸盐指数和氨氮为研究对象,采用室内实验模拟的方法测定了南水北调中线输水总干渠典型断面的污染物降解系数,并将模拟的自净衰减过程与水质实际变化过程进行对比。结果显示:①总干渠污染物降解系数k相对天然河流处于较低水平,陶岔断面k_(COD_(Mn))为0.055 d^(-1),k_(NH_(3)-N)为0.003 d^(-1),郑湾断面k_(COD_(Mn))为0.049 d^(-1),k_(NH_(3)-N)为0.003 d^(-1),大安舍断面k_(COD_(Mn))为0.032 d^(-1),k_(NH_(3)-N)为0.009 d^(-1);考虑到高锰酸盐指数实际组分复杂,渠道降解系数较模拟结果可能更低。②模拟的自净衰减过程受温度、流速的影响较大,不同条件下总干渠高锰酸盐指数将从1.8 mg/L下降至0.228~1.042 mg/L,氨氮浓度将从0.034 mg/L下降至0.026~0.030 mg/L。由于存在藻源性、大气沉降和坡面径流等外源输入增量,总干渠沿程实测高锰酸盐指数介于1.8~2.4 mg/L之间(2019年),基本维持稳定;氨氮浓度介于0.029~0.096 mg/L之间(2019年),有升高趋势。理想条件下,自净作用最大能够消减高锰酸盐指数增量的81.81%,消减氨氮增量的30.37%。研究成果可为深入认识南水北调中线总干渠输水过程中水质沿程变化提供参考。

基于水化学的南水北调中线干渠水与地下水水力联系指标识别

从一般水化学角度研究了南水北调中线源头地表水、干渠水及其周边地下水的差异。结果发现,钠离子在地下水与干渠水和源头地表水中的浓度差异最为明显,其次是总溶解固体(TDS)浓度,其他主要离子以及pH差异均不明显,说明钠离子浓度可作为识别南水北调中线干渠水及其周边地下水水力联系的备选指标。利用聚类分析和水化学类型的相似性,剔除了与干渠水可能存在水力联系的地下水样钠离子浓度,初步确定南水北调中线沿线与干渠水没有水力联系的地下水钠离子浓度大于9.8 mg/L,且该数值是干渠水钠离子浓度的1.6倍以上。因此,可将钠离子浓度及其参考范围用于快速判断南水北调干渠周边地下水与干渠水是否存在水力联系。

南水北调中线输水调度预演系统研发及应用

南水北调中线输水调度仿真预演是精准化调度决策的基础。针对中线输水线路长、控制闸门多、运行工况复杂等调度难点,开发了数字孪生南水北调中线输水调度仿真预演平台,构建了水情数据智能清洗模型、自主学习训练模型、总干渠一维恒定流和非恒定流精准模拟模型、典型建筑物局部三维水力仿真简易模型等,实现对任意设定工况下水力调控方案效果的精准仿真,形成有效的调度预案。预演平台具备较强的灵活性和通用性,方便用户自由模拟不同时空尺度下的各类运行工况,可适应入流和出流等边界条件的变化。系统具有自主学习能力,能够随着监测数据的积累,不断自动完善计算模型参数和结构,提高计算精度。南水北调中线输水调度预演系统为安全高效输水调度提供有力的技术支撑。

数字孪生在南水北调中线高质量发展中的应用实践

数字孪生以数字映射、虚实同步、模拟仿真、优化闭环等特性对物理空间对象进行不确定性预测以规避应急事件带来的风险,为工程建设管理提供了一种新的管控模式。南水北调工程是国家水网的主骨架和大动脉,为提升南水北调中线工程安全、供水安全、水质安全保障能力,解决运行管理中汛期交叉断面的防洪问题、水质突发污染事件的应急处置、不同时空尺度输水调度安全以及重要控制建筑物的结构安全等难题,南水北调集团中线公司积极探索数字孪生技术的应用,通过数据治理搭建数据底板,以历史场景库、预报调度规则库、业务规则知识库建立知识平台,以水利机理模型和深度学习技术建立多场景模型平台,构建了南水北调中线数字孪生平台,提升中线程的智能化水平,确保“三个安全”的工作目标实现和高质量发展,为水利行业提供经验和借鉴。

近41年南水北调中线工程安阳河以北段冬季气温变化特征

为进一步深化对南水北调中线工程安阳河以北段冬季气温变化规律的认识,选取沿线10个国家气象站1981—2021年的冬季日平均气温数据,借助气候倾向率法、累积距平法、Mann-Kendall突变检验法和Morlet小波分析等方法,对南水北调中线工程安阳河以北段近41 a来的冬季气温变化特征进行了系统分析。结果表明:①在1981—2021年间,南水北调中线工程安阳河以北段各站冬季平均气温整体上表现为由南向北逐步降低的趋势,同时时间序列具有明显的同步相关性和冷暖同步特征,尤其是邻近站点之间,相关系数甚至超过0.9;②在近41 a间,各站点冬季季度及月度平均气温在波动中呈现明显的升温趋势,总体上可将1980年代中后期、2000年代初期和2010年代中前期作为沿线区域冬季平均气温突变的节点;③在研究时域内,南水北调中线工程安阳河以北段多数站点以40 a为第一主周期,冬季平均气温先后经历了低→高→低→高的循环交替,而且在未来一段时间内仍将继续偏高,为冬季实施冰期动态调度提供了有利条件。研究成果可为南水北调中线工程优化冰期输水调度、提升冬季渠道过流能力和防范各类冰冻灾害发生提供科学依据。

建设项目文档一体化管理系统研究——以南水北调中线工程档案信息化平台为例

南水北调工程作为国家重大基础建设项目,在项目开展过程中形成了大量的电子文件,其类型丰富、格式多样、形成主体众多,是记录和反映国家水利事业发展过程的重要成果,因此迫切需要开展有效的电子文件归档管理和电子档案开发利用工作。中国南水北调集团中线有限公司(以下简称“中线公司”)充分利用“互联网+云虚拟化平台”,开展水利行业电子文件与电子档案全生命周期管理系统的建设方案研究,并建成具有国内先进水平的电子文件与档案一体化管理系统。

南水北调中线工程交叉河流防洪“四预”应用

为满足南水北调中线工程典型交叉河流防洪管理需求,确保中线工程防洪安全,构建索河交叉河流数据底板,以及洪水预报、洪水演进、风险分析等模型,结合2022和2023年汛期典型降雨洪水对模型参数进行率定,基于2021年郑州“7·20”暴雨对现状索河交叉河流进行预演分析,结果表明索河渡槽槽身存在阻水风险,中线工程安全风险较大。通过对防洪“四预”应用深入研究,实现南水北调中线工程交叉河流降水—产流—汇流—演进的全过程模拟,研究成果可进一步提升南水北调中线工程防灾减灾能力,为沿线交叉河流防洪应用提供参考。

南水北调中线工程液压启闭机安全评价初探

针对南水北调中线工程液压启闭机的安全管理问题,为了预防事故,保障设备正常运行,延长使用寿命,本文结合工程特点,分析影响液压启闭机安全性的评价因素,采用层次分析法构建评价体系,探讨评价系统软件开发及应用。

数字孪生南水北调中线工程建设思路

数字孪生水网是国家水网建设的重要内容,也是推动新阶段水利高质量发展的重要标志之一。为解决南水北调中线工程在输水调度、水质监测预警、突发事件应急处置和工程安全风险预警等方面存在的问题,文章基于南水北调中线工程的建设现状和数字孪生技术特点,从框架设计、技术路线规划两个方面提出数字孪生南水北调中线工程的总体建设思路。围绕工程安全、供水安全、水质安全的“四预”需求,详细阐述实施路径和重点建设内容,包括数字孪生平台建设、工程结构安全“四预”应用、左岸防洪安全预警体系构建、水下常态巡检系统建设等,以期为南水北调中线工程数字孪生建设提供参考。

南水北调中线工程水工建筑物的维护与加固

南水北调中线工程的水利设施是确保水资源有效分配的关键,随着工程运行时间的推移,水利建筑设施遭遇了结构老化、环境破坏以及恶劣气候条件的双重挑战,本文探讨了科学手段来稳固与强化建筑物,目的是延长使用寿命。该文献开篇对水利工程结构现在遭遇的重要难题进行了探讨,继而提出了一套全方位的维护与强化措施,涉及定期检查、建筑材料的提升、结构增强以及智能化监控体系的构建,经过对长江三峡水坝等建设项目的现场勘查和详尽研究,我们证实了制定方案的实际可行性,并对未来保养和维护如何进行给出了明确的指导建议,文本凸显了在水利工程设施的维护与加固过程中,跨领域合作对其持续发展的关键作用。

南水北调中线工程输电线路防雷技术应用

南水北调的中线工程中,输电设施的防雷措施运用是确保工程安全稳定运行的关键,在该工程建设项目施工区域,雷暴气候尤为频繁,对电力设施造成了严重的安全风险,尽管传统的防雷手段,像避雷装置、防雷线和接地设备已被广泛采用,但它们在面对复杂的雷电环境时仍显力不从心。本文深入剖析了传统防雷方法的缺陷,并详尽展示了新式防雷技术的创新成果与技术进展,涵盖了智能防雷技术的研制和先进材料的运用,借助全面防雷技术的实例,凸显了它在增强防雷效果及保障系统平稳运行上的优异表现。在将来,防雷技术的发展将着眼于智能技术、新材料、多功能集成以及规范化发展等方向,旨在提升防雷效果,确保电力线路的稳定运行。

HEC-RAS模型在南水北调中线洪水推求中的运用

为提高南水北调中线工程防洪度汛科学性,提升防汛抢险决策水平,有效计算交叉河流过流情况,最大限度减少南水北调交叉河道洪水造成的人员伤亡和工程损失,保障工程正常运行,开展南水北调中线工程交叉河道水文计算工作非常有必要。以南水北调中线交叉河道净肠河倒虹吸河道计算为例,运用HEC-RAS水动力模型对净肠河倒虹吸河道水文复核,根据24小时洪水情况,对交叉河道断面部位洪水流量及水位进行计算,复核验算结论超标洪水问题,为南水北调工程防洪度汛提供信息支撑,以期对其他类似工程科学预防,避免水毁、减小损失能够有所帮助。