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。

南水北调东线一期工程受水区生态环境效益演变

研究南水北调东线一期工程通水以来受水区生态环境效益的演变态势,对南水北调后续工程高质量建设、加快构建国家水网以及促进工程综合效益发挥有决策参考作用。以定性定量相结合的方式分析东线一期工程在优化水资源配置、保障饮水安全、复苏河湖生态环境和畅通南北经济循环等方面的作用,进而结合层次分析法,从直接效益和间接效益2个方面,筛选构建东线一期工程受水区生态环境效益评价指标体系,主要包括工程年供水量、水质改善度、生态补水量、地下水压采量、地下水水位、水域面积、绿地面积和涵养水源等,并采用VlseKriterijumska Optimizacija I Kompromisno Resenje(VIKOR)多准则妥协解排序方法对南水北调东线一期工程通水以来即2013-2022年受水区生态环境效益演变态势进行分析。结果表明:南水北调东线一期工程通水的10年以来,受水区的生态环境整体复苏效果明显,近3年排序值保持在0.8以上;受降水偏枯进而影响地下水开采量和地下水水位等因素影响,2019年间接生态环境效益下降29.2%,之后迅速恢复并保持稳定。在分析直接效益和间接效益演变的基础上,从工程提质增效、提高工程水质状况以及完善体制机制建设等方面提出东线一期工程进一步促进受水区生态环境持续改善的策略和建议,以期为东线工程及受水区生态环境保护及高质量发展相关研究、决策制定等提供参考。

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。

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。

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。

电感耦合等离子体质谱仪法在南水北调东线工程应急监测中的应用

建立电感耦合等离子体质谱仪法测定地表水中8种常见金属元素的分析方法,用于南水北调东线工程突发水污染应急监测。在现行水质金属指标标准检验方法的基础上,基于车载型电感耦合等离子体质谱仪具有高移动性、环境变化大及移动电源供电等特性,对检测方法、检测质量控制和检测结果可靠性进行分析确认。结果显示8种金属元素的校准曲线相关系数(R2)均大于0.999,定量限范围为0.019~0.47μg/L。加标低中高3种不同浓度时,纯水和河水的加标回收率为90.4%~115%,相对标准偏差1.6%~8.9%。稳定性测试加标回收率均为96.5%~104%,相对标准偏差均为2.0%~3.7%。与传统便携式快速测定水中金属元素的方法相比具有检出限低、分析速率快、稳定性好和多指标同时测定的优势,为南水北调东线工程突发水污染应急监测提供技术支撑。

浅析南水北调工程安防系统关键技术要点

南水北调中线工程是中国在水资源调配领域的一项重大工程,为确保工程的安全和稳定运行,安防系统的建设显得尤为重要。浅析安防系统的关键技术,包括视频监控技术、入侵监测技术、通信网络技术和智能化技术应用,强调智能分析的重要性,突出基于人工智能的算法应用,涉及网络架构设计、数据加密技术、通信协议等,并对未来的发展方向进行展望,旨在为工程安全管理提供技术参考,为水资源调配和供水保障提供可靠支撑。

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。

基于地域文化的南水北调中线旅游景区规划设计方法探讨

在中国,水资源分布不均衡是一个严重的问题。南方地区水资源丰富,而北方地区严重缺水。为了解决这一问题,中国启动了南水北调工程,其中包括南水北调中线工程。该工程旨在通过调水工程将长江水资源引入北方地区,以满足北方地区的水需求。南水北调中线工程不仅解决了北方地区的水资源问题,还对地区的经济发展和人民生活产生了积极的影响。旅游业在中国的经济发展中扮演着重要的角色,而南水北调中线工程所经过的地区具有独特的地域文化资源。因此,将南水北调中线工程与旅游业相结合,进行旅游景区规划设计,可以充分挖掘地区的文化资源,促进地区经济的发展和旅游业的繁荣。本论文旨在探讨基于地域文化的南水北调中线旅游景区规划设计方法,通过研究地域文化对景区规划设计的影响,提出科学的规划方法和策略,为南水北调中线沿线地区的旅游景区规划设计提供参考和指导,同时推动地区的可持续发展和文化保护。

新乡市“四县一区”南水北调配套工程水土保持措施设计与落实

我国水资源空间分布不均衡,南多北少,供需矛盾突出,加快构建国家水网是解决南北水资源空间失衡的有效途径。新时代水土保持对调水工程的绿色建造提出了更高的要求。以在设计理念、技术体系、措施布局等方面极具典型代表性的新乡市“四县一区”南水北调配套工程东线项目为例,阐释其水土保持设计理念、措施布局,辨析水土保持措施落实情况及存在的不足,以期为调水工程的水土保持工作提供参考。

浅谈无人机航测技术在南水北调中线工程(临城段)运行管理中的应用

正式通水10年来,南水北调中线工程的运行管理水平在不断提升,尤其是随着近年来无人机航测建模技术发展迅速,南水北调工程的运行管理部门通过无人机的拓展功能掌握了更多的工程动态信息以及工程周边时空信息,管理效益显著。在南水北调中线工程临城段日常管理工作中,无人机航测建模技术在渠道巡检、地形地貌分析、工程规划设计等方面得到广泛应用,为中线干渠的工程安全、运行安全、水质安全提供了宏观多维度的技术支撑。

VR全景技术在南水北调运行管理中的应用实践与研究

随着科技的迅猛发展,虚拟现实(VR)技术已经在工程领域取得了显著进展,并逐渐成为了推动工程管理创新的重要力量。借助VR技术,管理人员能够构建出逼真的三维场景,将原本抽象难以理解的知识点具象化,使得工程运行情况更加直观易懂。鉴于此,文章主要将深入探讨VR技术在南水北调运行管理中的应用,并分析其带来的变革与影响。

南水北调中线工程运行期膨胀土长期变形及稳定性分析

南水北调中线工程运行数年后,部分膨胀土边坡渠段出现了长期变形问题。为掌握膨胀土渠坡长期变形规律,利用南水北调中线膨胀土边坡运行期长期监测资料,分析了膨胀土渠坡深层变形的长期发展特征及其与降雨的关系,揭示了膨胀土边坡深层位移长期发展的内在机理。借鉴土力学流变原理中剪切蠕变的负幂时间函数,分析了幂指数与蠕变衰减速率之间的关系,确定了边坡长期变形收敛与发散的判别阈值,提出了用于深挖方膨胀土边坡长期稳定状态的幂次判别法。选取典型膨胀土深挖方边坡,基于实测数据开展膨胀土边坡长期稳定状态评价。与后续实际运行状态对比表明,幂次判别法具有有效性。研究成果为膨胀土边坡稳定状态评价和运行维护提供理论与技术支撑。

定向钻方式穿越南水北调中线干线工程安全影响评价要点

按照南水北调中线工程相关管理规定,穿越南水北调中线工程所有项目均需进行专项方案设计和安全影响评价,根据以往工程实例,穿越工程多采用定向钻工艺。现从安全评价角度,就定向钻穿越南水北调中线工程相关设计要点进行简要分析。

南水北调中线工程2014—2022年冬季水温与冰盖观测分析

南水北调中线工程自2014年12月全线通水以来已运行8个冬季,为防止冰塞冬季输水流量控制为设计流量的30%~50%,严重制约了工程输水效益的发挥。因此,渠道水温和冰盖特性一直是冬季输水关注的重点问题之一。实测数据表明:①冬季输水流量总体逐年增大,最末段保持相对稳定,岗头闸流量约为50 m^(3)s,北拒马河闸约为25 m^(3)s;②冬季气温总体以暖冬居多。保定站最低气温-22.0℃,3日滑动气温极值-10.7℃,短期强寒潮可能是今后冰盖生成的关键驱动因子;③冬季水温沿程逐渐降低,渠首陶岔闸最低水温6.7℃,渠末北拒马河闸多数年份降至0℃附近。北拒马河闸水温最大降幅10日内由3.5℃降至0℃,期间渠段水温降幅亦达到极大值1.69℃100 km。④2016年冬季冰盖最长达280 km(最南端延伸至午河闸),次之为2015年冬季的73 km和2021年冬季的38 km,有两个冬季未生成冰盖。岗头闸-北拒马河闸近90 km是冰盖多发渠段,应引起关注。基于冰盖生成前实测数据,以初始水温和区间气温为输水条件,拟合给出了2 d、3 d和7 d等不同预报时效的简化水温模型和冰盖生成临界阈值。初步分析认为:冬季气温和输水流量是冰盖生成的两大关键驱动因子,流量越小气温越低越易生成冰盖,1月出现的短期强寒潮更易于导致冰盖生成。2016年冬季严重冰情是二者叠加的结果,2015年冬季冰盖主要是输水流量小诱发,而2021年冬季冰盖主要是短期强寒潮所致。

南水北调中线工程挖方段渠坡变形分析及处理措施

文中对南水北调中线干线工程总干渠挖方渠段的渠坡变形进行了分析,以安全监测成果为基础,结合地质条件、环境量的变化对渠坡变形的产生进行全过程解析,重点分析了降雨量对渠坡变形的影响;针对监测分析成果,对存在潜在失稳部位采取工程处理措施,并利用监测数据的变化情况评价了工程处理措施的工程效果。监测分析研究成果及工程处理措施可对今后类似渠坡运行中出现失稳状况时提供参考与借鉴。