邹江保，刘 云

(江西赣禹工程建设有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程背景及概况

克孜河南岸输水干渠位于疏附县木什乡境内，距疏附县27 km，疏附县距喀什市19 km，工程区采用喀什气象站(1951年～2010年)实测资料，其中多年平均降水量为67.5 mm，多年平均蒸发量为2305.2 mm，多年平均年气温为11.7℃，7月份为气温最高月，多年平均气温为25.8℃，1月份为气温最低月，多年平均气温为-6.4℃，历年极端最高年气温40.1℃(1958年7月12日)，历年极端最低气温-24.4℃(1959年1月12日)；多年平均风速1.9 m/s，最大风速15 m/s，最大瞬时风速27 m/s(1979年4月)，大风日数23.1 d，5月、6月是大风多发季节，风向多为西北风；历年最大冻土深度为90 cm，冻土深度大于30 cm的最早冻结日期为12月17日，最早解冻日期为1月23日。

根据干渠地形地貌、地层岩性的不同，将干渠工程地质条件分成4段：K3+000～K7+100段干渠位于克孜河右岸Ⅱ级阶地上，地形坡降7‰。阶面高出河床10 m以上，渠线距阶地前缘200 m左右，该段上部地层由第四系上更新统冲洪积层，岩性为卵石混合土，下部为第三系上新统～中新统砂岩、泥岩。K7+100～K7+760段干渠位于克孜河右岸Ⅰ级阶地上，阶地面平坦、开阔，现状多为耕地、林带。在勘探深度内揭露的地层为：第一层耕植土，分布于地表表面，岩性为粉土，厚约0.2 m～2.8 m，植物根系发育；第二层混合土卵石，埋深0.2 m～2.7 m，未揭穿，一般粒径20 mm～60 mm，最大粒径300 mm，天然密度2.3 g/cm3，渗透系数1.4×10-2cm/s，为强透水地层。建议混合土卵石地基承载力容许值350 kPa。该段在勘探深度10 m内未揭露地下水。K7+760～K19+700段干渠位于克孜河河床及漫滩上，地形开阔、河床宽1000 m～2000 m，海拔高程1406 m～1495 m，地势由西向东微倾，河床纵坡7‰。在勘探深度内揭露的地层为混合土卵石：未揭穿，一般粒径20 mm～60 mm，最大粒径达400 mm，天然密度2.2 g/cm3～2.3 g/cm3，渗透系数1.2×10-2cm/s，该段在勘探深度10 m内未揭露地下水，建议地基承载力容许值350 kPa。

2 输水渠道冰期水情变化过程分析

2.1 分析模型

2.1.1 非恒定流模型

(1)

(2)

2.1.2 水温方程

(3)

式中：Tw表示干渠渠系断面水温均值；u表示断面流速均值；Φ表示水面热量散失程度；ρ为水密度；Cp表示渠系水比热；D表示渠系断面水深均值。

通过特征差分法求解上式，可得：

(4)

式中：Δx表示距离步长；Δt表示时间步长；j是断面所在位置；n是计算次数。

在通过特征差分法求解时，必须符合柯朗条件，即Δx≥uΔt。根据式(4)，影响输水干渠渠系断面水温的主要因素包括上游断面水温、渠系水流速流量、断面水深、水位及热交换条件、环境温度等。

克孜河南岸输水干渠渠系内的多个串联渠池由控制闸分隔开，渠系内渠池在尺寸、长度、设计水深等方面均不相同，且在控制闸的阻隔作用下，渠系水流条件也与无闸门渠道不同，各渠池内均形成一条高度不同于下游常水位的壅水水面线[2]。渠系内所修建的暗渠、涵洞等也对渠系输水和水温变化存在一定影响。

2.2 输水渠道冰期水流运动特性

2.2.1 输水流量的影响

近年来，克孜河南岸输水干渠1月份渠系断面初始水温均值和渠首来水水温均值均为-14℃，并按设计输水流量及占比进行沿程分水口和下游取水量分析，模拟结果见图1、图2。

图1 上游冰盖位置与渠首距离和输水流量占比的关系

图2 各渠池内形成冰盖的时间

由图1和图2可知，在初始水温和来水水温温度既定的条件下，渠系在进入严寒条件后形成冰盖的距离和输水流量成比例变化，且输水流量越小，则冰盖形成范围越大，上游来水温控范围也越小。随着渠系输水流量的变化，在观测时间内最上游渠池冰盖发生的时间几乎相同，充分说明，上游来水的温度既定时，输水流量只是改变冰盖形成的范围，而不改变渠道内形成冰盖的时间。最上游渠池内冰盖的形成时间主要受渠首水温、初始水温和寒潮等的影响，且最上游渠池内冰盖形成时间相当接近；对于下游渠池，渠首水温对冰盖形成的影响程度越来越减弱，而初始水温和寒潮影响就成为影响冰盖形成的主要因素，同时，在流量既定情况下，渠道形成冰盖的时间十分接近，随着输水流量的增大，在下游常水位下水面线越陡峭水深越大，水温降温过程便会得到延缓，形成冰盖的时间也越晚。为此，可将形成冰盖的渠道划分成三个区域：一是渠首水温、初始水温和寒潮等综合影响的最上游渠池，二是渠首水温作用逐渐减小的过度渠道，三是冰盖形成主要受初始水温和寒潮影响的渠池。

2.2.2 渠首水温的影响

按照克孜河南岸输水干渠水量设计，渠系沿程分水口和下游取水分别为各自设计流量的40%，渠系沿程的初始水温为-15℃，上游渠首来水水温在-10℃～4℃之间。根据图3分析结果可知，随着渠首来水温度的升高，最上游冰盖断面距渠首的距离逐渐增大，冰盖面积相应减小。

图3 最上游冰盖断面距渠首距离与渠首来水温度的关系

由图4可知，随着渠首断面水温的升高，冰盖范围减小，当渠首断面水温为-20℃时，渠系内全部冰盖均仅存在于第三区域，且第三区域内几乎同时在100 h左右形成冰盖，表明上游来水温度在水温降至-20℃前便使控制流域内水温迅速降低；当渠首来水温度在-15℃～-5℃之间时，结冰区段仅为渠首水温、初始水温和寒潮等综合影响的最上游渠池以及主要受初始水温和寒潮影响的渠池，无渠首水温作用逐渐减小的过度区域，表明在该温度段内，来水温度在寒潮影响下对下游区段的影响有较快衰减。当来水水温升高至0～5℃时，结冰渠段又划分为较为明显的三个区域，但第三区段因较高来水温度的作用而逐渐减小。由于不同渠首水温抵御寒潮的能力不尽相同，所以，不同上游来水温度所对应的上游区段形成冰盖的时间随温度的升高而延后。

图4 不同断面水温下各渠池冰盖形成的时间

3 输水渠道冰期运行控制

3.1 冰期运行方式

当克孜河南岸输水干渠在严寒条件下形成冰盖后，水体失热过程便会停止，冰盖之下的水体不再继续产生冰花，所以推荐克孜河南岸输水干渠采用结冰盖的输水方式。克孜河南岸输水干渠在冬季运行时水流所形成的流冰顺流而下，遇阻后便会堆积形成冰盖，并逐渐游向上游。为促进冰盖形成，应在节制闸进口处增设拦冰索，确保所形成的冰花堆积在拦冰索前，并以此为中心逐渐堆积形成冰盖。当冰盖形成后，冰盖下渠道糙率增大，在既定的输水流量下，会增大渠池内的蓄水量和水面线壅高；而且输水干渠渠道水面所形成的冰盖强度有限，如果冰盖之下水位的波动超出限度范围，便会引起冰盖的破裂，为此，克孜河南岸输水干渠在严寒条件下运行时应加强对拦冰索附近水位的控制，确保渠池内水位的稳定；还应按照输水干渠冰期输水的控制要求，将闸前水位的变动幅度控制在15 cm/h和30 cm/d。

3.2 水位-流量控制

在克孜河南岸输水干渠渠道水面形成冰盖后渠道综合糙率增大，渠池过流能力降低，而在过流流量既定时，渠池内的水面线会出现壅高。可见对于闸前常水位而言，严寒条件下渠道输水运行过程显然与正常运行状态存在不同，而最大的不同在于输水时冰盖糙率变化对渠池蓄水量影响较大。为此，在节制闸运行时，必须根据渠道输水实际情况加强闸门开度的调整与控制，以时应渠池内蓄水量的变动，保证渠道正常的输水能力。

本文提出前馈+反馈的克孜河南岸输水干渠水位-流量控制方式，前馈主要针对已知扰动，反馈则针对未知扰动；如果严寒条件下渠道冰清变化能精确预测，则应采用前馈的冰清控制方式，然而，渠道冰清预报信息的精确程度往往与气象预报精确程度相关，精确预测的难度较大。所以，严寒条件下克孜河南岸输水干渠冰期闸前常水位控制采用反馈控制方式。控制系统包括串联的2个控制器，其中，主控制器采用渠池下游闸前水位偏差输入，渠池上游闸门过流流量输出，副控制器以主控制器的输出为输入，以渠池上游闸门开度为输出。这种水位-流量控制方式实施后，通过自适应功能，可有效消除水位变化对冰盖的不利扰动，并降低上游渠池运行对下游渠段的不利影响。

4 结论

通过本文对克孜河南岸输水干渠渠道冰期水流运动特性的分析表明，下游常水位控制状态下，沿程输水流量和上游渠首水温是影响渠系水冰盖形成及水流运动形态的主要因素，为此必须加强对渠道取水水温及输水力量的调节与控制。此外，在减少冰盖形成区段输水流量时，如果上游无冰盖渠段分水口的流量未发生较大变化，则渠首流量将减小，冰盖形成时间延长，为此必须通过合理的水位流量控制，将流量调整前后的冰盖形成范围控制在同一渠池范围内，以保证渠道运行安全和输水流量的最大化。