南水北调中线输水工程若干冰力学问题试验研究

通过在低温冰工程实验室进行的冰力学模型试验,研究了南水北调中线工程冰期输水中的若干冰力学问题,主要包括:冰的膨胀力、冰盖稳定性和浮冰对闸墩的撞击力。试验结果给出了冰的膨胀力变化典型时程曲线、不同厚度冰盖的膨胀力极值变化;不同厚度的冰盖随水位下降的最大塌落值;以及冰排对闸墩的撞击力的冰力时程曲线、冰力极值随冰速的变化曲线。这些试验成果可为南水北调中线工程冰期输水安全运行提供参考。

南水北调中线输水工程施工投标报价策略研究

本文结合南水北调中线工程的内容和特点,分析了施工投标报价的环境和基础条件,对报价策略进行了探讨。

南水北调中线输水工程交叉河流设计洪水分析

南水北调中线输水工程总干渠自渠首陶岔经河南、河北两省至北京市团城湖全长1277km，天津干渠长155km。全线跨江、淮、黄、海四大水系，沿线穿越大小河流701条，控制交叉河流集水面积约90万km^2，影响供水范围15、5万km^2，其水文气候特性复杂，资料条件差异大，设计洪水计算流域特性、人类活动影响状况、资料条件等分别采用不同方法。本文全面系统地介绍和总结了总干渠交流河流设计洪水分析计算方法、水利工程设计设计洪水影响及设计洪水成果合理性分析论证等。

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。

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。

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。

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。

南水北调中线工程冬季输水冰情风险研究

针对南水北调中线工程冬季输水冰情的安全运行问题,以南水北调中线工程河北段为研究对象,以热平衡理论为出发点推导出目标单元渠段的整体总热量变化公式;采用单因素局部分析法选出风险评价指标,基于概率论构建了风险评价指标之间的联合概率密度函数,将气象事件发生概率、热量变化率与冰情风险等级一一对应,从而对渠道冰情进行风险评估。对2021年1月6—8日南水北调中线工程河北段输水渠道冰情风险分析结果表明:在整个热交换过程中,短波辐射、蒸发和对流热交换是影响热量变化的主要因素,且夜间渠道的热量散失明显大于白天,加大了夜间发生冰情的风险;沙河节制闸—渠末段虽然与其他渠段风险等级一样,但其单位面积热量损失明显高于其他渠段,接近于极高风险,应加强对该渠段的实时监测并做好冰情防护。

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。

河南郑州“7·20”特大暴雨与南水北调中线干线工程运行安全思考

2021年,河南郑州发生“7·20”特大暴雨,南水北调中线干线工程河南郑州至河北磁县段暴雨重现期超过了500年,局部超过千年一遇,是对中线干线工程建设质量的一次大考。实践证明,面对超标准降雨带来的洪涝灾害,中线干线工程各类建筑物主体均未受损,干渠输水功能正常,工程运行整体平稳。

南水北调中线冰期输水安全调度研究

为满足输水安全调度工作的要求,南水北调中线工程2022-2023年度的冰期输水工作于2022年12月1日开始,预计在2023年2月结束。但因为冰期的输水形势较为严重,所以南水北调集团需提高重视,于2023年11月上旬,开展专题会议,以合理谋划后续中线冰期的输水情况,确保输水安全调度工作的顺利实施。基于此本文结合实际思考,首先简要分析了工程概况,其次阐述了南水北调中线冰期情况,最后提出了南水北调中线冰期输水安全调度策略。

南水北调中线总干渠冰盖糙率观测分析

冰盖糙率是确定渠道冰期输水水位和流量关系的基础参数,一直是明渠冰工程研究的重点之一。鉴于当前大型混凝土渠道冰盖糙率研究成果相当匮乏,以南水北调中线总干渠石家庄以北唯一无输水建筑物的唐河节制闸—放水河节制闸渠段为研究区域,依据全线通水以来唯一生成全渠段封冻冰盖的2016年1—2月逐日水位和流量实测数据,采用伯努利能量方程和谢才-曼宁公式推求渠道糙率,定性定量分析封冻前后渠道糙率变化特征。结果表明:①研究渠段畅流期渠道糙率n b为0.0167,封冻期冰盖综合糙率n c为0.0146,冰盖下表面糙率n i为0.0118。②由于水力磨蚀作用,封冻期冰盖糙率随时间呈波动减小的趋势。③渠道一旦生成封冻冰盖,输水能力大幅降低,仅占渠道设计流量的66.7%。该研究给出了大型混凝土渠道封冻冰盖糙率和输水能力降低的确切数值,以期为冰期输水调度和类似工程设计提供科学依据。

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。

南水北调中线工程总干渠冬季大流量输水水温调控措施

为保障南水北调中线工程冬季输水安全,利用建立的总干渠全线一维水温模型,针对350、280、210和150 m3/s这4种不同输水流量方案,模拟分析各方案在强冷冬、冷冬、平冬和暖冬等典型冬季气象条件下总干渠冬季输水保温效果,在此基础上提出总干渠冬季无冰盖大流量输水水温调控措施。结果表明:针对不同典型冬季气象条件,在有限条件下采取无冰盖大流量输水调度运行方式,可不同程度缩短输水流动时长、减少沿程水体热量损失,从而达到保温效果;在各典型冬季年份气象条件下,随着总干渠输水流量增大,沿程水温比降相应减缓,明渠末端水温相应提升;在冬季气象条件适宜情况下,总干渠冬季采取无冰盖大流量输水水温调控措施,既有利于减小水温降幅,同时也可有效解决冬季输水能力受限问题;建议根据总干渠中短期气温预报和水温预测情况,在冷冬、平冬和暖冬等典型冬季气象条件下尽可能采取较大输水流量输水模式,在强冷冬气象条件下可分时段、分渠段采用无冰盖大流量输水模式。

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。

南水北调中线工程沿线寒潮及区域极端低温时空变化规律

为掌握南水北调中线工程沿线寒潮及区域极端低温时空变化规律,基于南水北调中线工程陶岔渠首至北拒马河暗渠沿线40 km宽度范围内的56个气象站点1960—2020年日最低、最高气温数据资料,分析5个极端气候指数时空变化规律,另外计算9个典型气象站1960—2020年寒潮发生频次,采用Sen斜率估计方法进一步分析其变化趋势。结果表明:9个典型气象站中,1960—2020年7个气象站寒潮发生频次总体呈减少趋势;2个气象站寒潮发生频次总体呈下降趋势,但2000年以来呈现明显增多的异常趋势;邢台以北区域随纬度升高寒潮呈增多趋势。对于极端气候指数1960—2020年9个气象站每年度日最低气温的最小值总体均呈现上升趋势,但1990年以来保定站呈现不升反降的异常趋势,邢台、石家庄两站也基本不再上升,处于上升停滞状态;霜冻日数(每年度日最低气温<0℃的天数)、冰冻日数(每年度日最高气温<0℃的天数)、冷夜(最低气温<10%分位值的天数)等极端气候指数总体呈现不同的下降趋势,但邢台以北等站点也呈现不降反升或者下降停滞的异常状态。从空间变化趋势上来看,各气候指数相互之间未呈现整体上一致性的变化规律,冰冻日数沿南水北调中线从南到北下降速率总体呈加快趋势。

南水北调中线工程河南省受水城市地下水生态系统服务价值评估

选取南水北调中线工程河南省受水城市为典型研究区域,综合运用市场价值法、替代工程法和等效替代法等对南水北调中线工程河南省受水城市2008—2019年地下水生态系统服务价值进行评估。结果表明:河南省11个受水城市中,地下水生态系统服务价值最高的是郑州市,变化较为稳定的是平顶山市、漯河市和许昌市,变化最剧烈的是鹤壁市。郑州市2019年地下水生态系统服务价值为213.17亿元,其中,调节服务价值最高,支持服务和供给服务价值次之,社会服务价值最低;在各指标中水源涵养指标占总价值比例最高,预防地面沉降指标次之,科研教育指标占比最小。河南省受水城市2008—2019年多年平均生态系统服务价值为1030.37亿元,变化趋势为先下降后上升,转折点出现在2013年,原因是地下水压采、南水北调中线工程置换地下水、植树造林、水土保持等措施增加了地下水资源量。研究结果可为南水北调中线工程受水城市生态环境效益评价及地下水保护提供参考依据。

南水北调中线工程冬季输水冰情的数值模拟

南水北调中线工程总干渠是由明渠和各种过水建筑物组成的树状系统,特点是线路长、过水建筑物类型多、冰水动力学响应过程复杂。本文将冰情发展模型与树状明渠系统复杂内边界条件下的渠道非恒定流模型进行集成耦合,开发了大型长距离调水工程冬季输水冰情数值模拟平台,提出了树状明渠系统复杂内边界条件的等效变换方法和计算冰盖前缘动态发展的虚拟流动法。根据实测的沿线气象资料和设计资料,利用该平台系统模拟了在寒冷气温条件下总干渠初冰、冰盖形成、发展和消融过程。分析了冬季输水的冰情特性及冰期输水能力,提出了冰期安全运行的水力控制条件,通过对典型年总干渠敞流期、冰盖形成期、稳封期、调度期以及开河全过程的模拟,给出了安全运行输水调度方案及建议。

南水北调中线工程冰期输水特性研究

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。

南水北调中线干线冰期输水动态调度初探

为保障输水运行安全,南水北调中线安阳河以北段针对冰期通常采取高水位、小流量、低流速的输水模式,导致下游供水量较正常输水期大幅度减少,既影响工程效益发挥,也使得冬季水量供需矛盾日益凸显。基于历史观测数据和冰情发展规律,在2021—2022年度冰期输水期间,中线工程首次采用动态调度、优化控制的方式,预测研判气温、水温、冰情发展,采取相宜的调度模式,科学增加输水的时间和范围,在安全平稳完成冰期输水任务的同时,冬季3个月安阳河以下实际供水量较同期计划增加3.38亿m^(3),动态调度实效显著。