高纬度地区明渠冰期输水通常可采用两种方式，其一是冰水两相流输水，其二是冰盖下输水。冰水两相流输水方式存在的问题相对较多，如渠道内的流速不能太低，通常在1．5m/s以上，以防止形成冰盖;渠道必须顺直，不能有狭窄段，以避免出现冰塞和冰坝;需要设置排冰闸和排冰通道，极端气候条件下，排冰压力大。因此，冰水两相流输水一般用在小型输水系统当中。对于大多数高纬度地区明渠输水系统而言，人们通常采用冰盖下输水方式。由于冰盖是热的不良导体，当明渠中形成稳定的冰盖后，水体可以在冰盖下输送，控制得当时，不易出现冰塞和冰坝等冰害，且不需要经常性地排冰和捞冰，减少了明渠冰期运行维护的工作量。以哈萨克斯坦境内的额尔齐斯—卡拉干达运河为例，该工程全长458km，通过22级泵站梯级扬水，冬季设计流量46m3/s，相应水深3．0m，目前冬季实际平均输水量15m3/s，冰盖厚度1．3m左右，自1974年建成，已安全运行30多年，没有发生冰塞、冰坝等重大的冰害事故［1］。

为满足水资源配置的需要，近30年来，我国高纬度地区兴建了大量调水工程，如引黄济青工程、京密引水工程、引黄济津应急调水工程、引滦入津输水工程、胜利油田引黄渠道等，在明渠冬季输水的水流流量控制、输水运行方式等方面积累了一定的经验［2］。如明渠冬季输水时采用“高水位、低流速、冰盖下输水”的运行方式，输水初期，利用高水位、低流量方式输水，促进冰盖的形成，冰盖加厚加固后，适当增加输水流量［2］，提高冰期的输水能力。实际观测表明，在水深大于1．5m，流速小于0．6m/s的条件下，水面可形成稳定冰盖［3］。南水北调中线工程修建后，我国学者对明渠冰期输水能力开展了系统研究，形成了明渠冰期输水运行的综合成套技术。文中简要阐述明渠冰期输水方面的研究成果，并提出今后的主要研究方向。

1 明渠冰期输水运行方式

明渠冰期输水过程中，渠道中存在着冰凌、冰盖的生消演变，冰凌的生长和冰盖形成过程中，渠道的阻力逐渐增加，相同输水流量情况下，水位不断壅高;冰盖消融过程中，渠道的阻力逐渐减小，相同输水流量情况下，水位逐渐降低。确保冰盖的稳定，实现冰凌、冰盖就地生消(通常限制在沿线各渠池内)是明渠冰期输水方式研究过程中考虑的主要目标。

1．1 明渠冰期输水能力

明渠冰盖下输水的最大能力与冰盖的生消特性密切相关。渠道输水系统与河流系统最大的差异是，渠道沿线设置一系列的节制闸以控制水流的运动，实现按需分水。节制闸将渠道分为一系列串列渠池，而在渠池中，冰凌的生消过程与河冰类似。在冬季输水过程中，渠池中生成的冰凌顺流而下，遇到障碍，就会聚集堆积，并向上游推进，最终形成冰盖。

明渠冰期输水过程中，确保冰盖的稳定和就地生消是实现冰期安全输水的关键，而冰盖的稳定生成与冰盖前缘水流弗汝德数的大小密切相关。研究发现冰盖前缘水流弗汝德数的大小决定了上游来冰是否会在冰盖前缘下潜以及冰盖向上游的推进模式。当冰盖前缘水流弗汝德数小于第一临界弗汝德数时，冰块不发生翻转、下潜，冰盖以平铺上溯的模式发展(又称平封)，冰盖的厚度约等于冰块的厚度，冰盖下表面比较光滑，冰盖的糙率也比较小。沈洪道等通过对Saint Lawrence河上游的现场观测建议第一临界弗汝德数为0．05～0．06。当冰盖前缘的弗汝德数大于第一临界弗汝德数时，单一冰块的并列推进将不可能维持。这时冰盖将以水力加厚的方式向前推进(又称立封)，冰盖下表面相对粗糙，对水流的阻力也较大。这种冰盖推进方式下，水流条件满足:

 

考虑到竖井开挖过程中不需要考虑边界以外的地质条件，所以建模时需要规定三维竖井模型的边界。一般情况下，地下工程模型建模时模型边界通常取距离洞径各方向的3D～5D。该竖井模型取竖井往外扩展5D为本模型的计算边界。竖井底部往下扩展50 m，竖井模型最终选取的尺寸为184 m×30 m×148 m。竖井三维模型见图2，有限元网格划分见图3。

沈洪道、孙肇初等学者经现场观测认为，第二临界弗汝德数为0．09左右［4］，［5］。黄河的刘家峡、盐锅峡河段的原型观测结果表明第二临界弗汝德数为0．09。引黄济青工程经过多年的运行实践，确定渠道冰期输水过程中水流的弗汝德数应小于0．08［6］，京密引水工程［3］将弗汝德数小于0．09作为渠道冰期运行的控制条件之一。可见，要实现冰盖下输水，在冰盖形成期内渠道水流的弗汝德数应小于0．08～0．09。穆祥鹏等［7］在分析南水北调中线工程冰期输水特性的基础上，提出了冰盖下输水的控制措施，建议冰盖形成期渠道各断面水流弗汝德数应小于0．08，以确保明渠冰期输水安全。

在冰盖的生成和消融过程中，渠道的输水能力可根据水流弗汝德数的控制指标(0．08～0．09)确定。值得一提的是，根据京密引水渠原型观测的结果，有些学者建议将水流流速也作为冰期输水的控制指标，即建议冰期输水过程中水流流速不超过0．6m/s。水流弗汝德数作为一个无量纲指标，反映了冰盖生成过程中冰凌下潜和冰盖生成方式的特性，也综合反应了水流流速和水深的作用。而京密引水渠仅是一个案例，没有普适特性，因此，仅给出水流弗汝德数控制指标是适宜的。

明渠冰期输水控制包括节制闸的控制和冰情控制2个方面。节制闸的控制应适应冰情变化对渠道水流运动的影响;冰情控制包括扰冰、捞冰和排冰等。由于拦冰效果好坏直接影响冰盖的稳定，因此，这里仅仅分析明渠中的拦冰问题。

2.推进加强“管”。对纳税人大力推行实名制办税，分行业分片管理；对外来建筑行业实行台账式管理和实地核查；对重点企业实行分级分类管理。对纳税信用等级C级以上企业推行网上发票认证、网上申报、银行自动扣缴税款，并在网上实行跟踪管理。

在稳封期，随着水流不断地冲刷冰盖的底表面，冰盖对水流的阻力作用会逐渐减弱，渠道的综合糙率随着输水时间的增加而减小。前苏联卡切夫河道的观测结果表明，河道封冻10～20d，冰盖糙率为0．03～0．05，封冻 40～50d 时，冰盖糙率为 0．02～0．04，封冻 80～100d 时，冰盖糙率为 0．013～0．02［6］。人工渠道原型的观测结果表明，冰盖形成初期的糙率一般为0．01～0．03，冬末冰盖糙率为0．01左右［2］。由于冰盖糙率随着输水时间的延长而减小，理论上讲在渠道冬季输水过程中，可逐渐增加输水流量，但是，考虑到冰盖糙率未知，增加多少输水流量不易确定。此外，增加输水流量若控制不当，有可能造成冰盖的破裂，并诱发不必要的冰害，因此，建议渠道冰期输水过程中，保持输水流量不变，以策安全。

1．2 明渠冰期运行方式

根据渠道运行过程中控制指标的不同，渠道的运行方式可分为上游常水位法(闸后常水位)、下游常水位法(闸前常水位)、等容积法和控制容积法等［8］，不同的运行方式其适用范围也不同。对于渠道冰期输水而言，渠道的运行方式必须与渠池内冰盖的生消特性相协调，才有可能维持冰盖的稳定，避免冰凌灾害的发生。

如前所述，渠冰生成过程中，流冰首先在拦冰索前聚集堆积，当拦冰索能将流冰拦住时，堆积的冰层向上游推进，进而形成冰盖。由于冰盖的阻水作用，在冰盖的形成过程中，如果保持渠道输水流量不变，则渠池内的水面线将以拦冰索处为轴心向顺时针方向旋转，即拦冰索处水位不变，上游水位逐渐上升。在整个冰期输水过程中，冰盖的糙率也会发生变化，因此，渠池内的水面线在输水过程中也会绕拦冰索进行旋转，旋转的幅度与冰盖糙率的变化大小有关。在实际工程中，拦冰索一般布设在节制闸前，因此，明渠冰期输水过程中，若保持节制闸闸前水位不变，则该运行方式有利于冰盖的稳定和冰期的输水安全。保持节制闸闸前水位不变的运行方式是下游常水位法，或闸前常水位法，所以，渠道冰期输水过程中，最理想的运行方式是闸前常水位法。

  

图1 不同时期受冰盖影响的水面线情况

以南水北调中线总干渠最北端的坟庄河节制闸～北拒马节制闸之间的渠池为例进行分析。该渠池全长25．23km，假定渠道糙率为0．014，冰期整个渠池全部结成冰盖，冰盖形成初期的冰盖糙率为0．03，冬末的冰盖糙率为0．01，则根据Sabaneev公式，冰盖形成初期的渠道综合糙率为0．0227，冬末的渠道综合糙率为0．0121。设渠道输水流量为30m3/s，闸前水位为设计值60．3m，则不同时期受冰盖影响的水面线情况如图1所示。由图1可以看出，受冰盖及其糙率变化的影响，渠道水面线以闸前控制水位点为轴，出现不同程度的壅高，且渠池首断面是水位壅高最大的断面。初冬冰盖刚生成时，冰盖糙率较大，水位较无冰盖时最大壅高1．033m;冬末冰盖糙率减小，水位又从最高值下降0．799m。显然，采用闸前常水位方式运行不仅有利于冰盖的生成，也有利于冰盖的稳定。此外，从计算中可见，冰期运行过程中，渠池内的槽蓄量发生了很大变化，因此需要采取一定的水力控制方法来应对冰期渠道糙率变化带来的水力影响。

2 明渠冰期输水控制方式

标准包含适用范围、规范性引用文件、术语和定义、仪器设备的技术参数、试剂材料、检测步骤等六章内容，另附有4个资料性附录（孵化用水、用具及废弃物处理；尼龙绢袋和筛子制作；毛蚴孵化观察时间；毛蚴与水中原生动物鉴别）以充分解释，便于技术规范。标准内容简要分述如下。

2．1 明渠冰期输水控制算法

冰盖生消和冰盖下输水过程中，渠道的综合糙率会发生较大的变化，若渠道冰期运行过程中不加调控，则渠道中的输水流量会发生较大的变化，各渠池内的水位和流量也会发生大幅度的波动［9］，不仅不利于明渠安全输水，也不能满足用户的输水需求。

节制闸的控制策略与渠道的运行方式密切相关。对于闸前常水位运行方式而言，由于渠池蓄量变化趋势与需要变化的趋势刚好相反，渠池的响应速度很慢，渠池的恢复性能较差。以渠池出流增加为例，当下游节制闸流量增加时，渠池内的蓄量将减小;但是在闸前常水位运行方式下，渠池流量增加时，渠池内的水面线将绕下游节制闸的控制点顺时针旋转，即要求蓄量增加。这种渠池蓄量变化与需求的不一致，导致闸前常水位控制难度增加。提高闸前常水位的控制速度是提高闸前常水位运行灵活性的关键。

一是积极争取财政对新型职业农民培育的扶持力度。二是促进新型职业农民的政策发展和制度设计。加大政策性农业保险的覆盖范围和补贴力度，将现有扶持家庭农场、专业生产的各项政策落实到新型职业农民头上。三是加强与信贷部门沟通，争取在创业资金上有所突破，从简化贷款手续，减免或降低贷款利息等方面着手，帮助新型职业农民规避自然风险和市场风险。

水位-流量串级控制算法为

 

式中:ΔQi(k)，ΔQi+1(k)，ΔQN(k)为闸门过闸流量增量;ei(k－1)，eN(k－1)为闸前目标水位误差;Δei(k)，ΔeN(k)为水位误差增量;KPi，KPN为比例系数;KIi，KIN为积分系数;KD为解耦系数;i为渠池序号;N为渠池总数。

通过自动控制领域经典的Auto Tune Variation(ATV)法对控制参数进行整定［2］，可保证预设工作区间的控制稳定性与鲁棒性。副控制器采用P(比例)控制，即根据闸门过流公式计算闸门开度。

为了验证上述冰期运行控制方法，在一维冰期输水数学模型内加入控制模块，模拟南水北调中线干渠京石段在冷冬年的冰期运行情况。

采用中线干渠在冷冬年(1984～1985年冬季)的气温数据，模拟时间为11月16日至次年3月31日。京石段各节制闸前的控制水位采用设计值，输水流量为设计流量的30%。数值模拟得到的京石段沿线各节制闸前水位波动如图2所示。从图2可以看出闸前水位波动偏离目标水位的最大值在±10．0cm，最大水位波动速度为0．14m/d，满足冰盖稳定的水位控制要求。

当急性中毒患者经积极救治、病情稳定后，护士应做好患者的病情恢复管理工作，主要从康复锻炼、饮食指导方面入告知患者应摄入合理的饮食，保持营养的均衡丰富，有利于促进机体免疫功能的恢复；同时在病情恢复即开始进行康复锻炼，促进血液运行，有利于增强机体抵抗力，减少住院时间；出院时统一对患者进行健康宣教，告知其注意增强自我防护、自我保健意识等。

  

图2 京石段沿线各节制闸的闸前水位变化过程

图3为沿线各节制闸的过闸流量过程，由于沿线各分水口分水，各节制闸的过闸流量从上游到下游依次减小。从图3可以看出，在反馈控制作用下，在第30～40d，渠道处于冰盖形成期，此时由于冰盖形成使得渠道阻力增加，沿线渠道所需的蓄量增加，各节制闸的过闸流量增加，且越向上游，过闸流量增加越多。在第80～100d，上游部分渠池由于气温回暖后又遭遇寒流，上游部分渠池出现开河后的二次封冻，这几个渠池的渠首流量再次增加。在第120～130d，沿线各渠池回暖开河，冰盖融化，沿线渠池蓄量逐渐释放，会导致输水流量增加，水位上升，此时在反馈控制作用下沿线各节制闸的过闸流量相应减少，以控制节制闸闸前水位。

强大的高技能人才队伍是我国经济发展过程中的夯实基础。但是，我国现有的1.12亿技能劳动者，在从业人员总数的占比不足13%；高技能人才仅2863万，其中5%是技师、高级技师。去除现有的440万高技能人才缺口，与2009年我国高技能人才需求相比，到2015年或2020年预计增加540万或990万。数据显示人才技能结构比例不合理，高级技能人才处于严重短缺的状态，很难适应各个省市地区经济转型升级进程中对技能人才的不断需要。

  

图3 京石段沿线各节制闸的过闸流量过程

Bryce［13］通过对Erie湖至Niagara河拦冰索的实例研究发现，当流速不超过0．7m/s时，拦冰索起到很好的拦冰效果，当超过这个流速时，拦冰效果就会变差。Erie湖进入Niagara河的拦冰索，在1997年以前是木制的，初冬季节由于风的拖曳作用，直径10～20cm的冰块可直接越过拦冰索。1997年拦冰索改为直径0．76m，长9．14m的铁质浮筒。原型观测发现，在条件合适时，尺寸较小的冰块可潜入水中，随水流向下游输移，而尺寸较大的冰块则直接越过拦冰索向下游输移［14］。

2．2 拦冰索设计

设计合适的拦冰索，将流冰拦住，是实现冰盖下输水的关键。而拦冰索的拦冰效果与水流流速、水体的紊动强度、气候条件和拦冰索的尺寸等因素密切相关。目前，国内外尚无成熟的拦冰索设计方法，拦冰索的拦冰能力、拦冰索的结构设计仍是冰水力学领域的研究重点之一。

式中，Fr为水流弗汝德数;ti和li分别为浮冰块的厚度和长度;H0为冰盖前缘水深;g为重力加速度;ρ和ρi分别为水和冰的密度;m为浮冰的空隙率;f)是冰块的形状系数，取值在0．66～1．3之间。

从计算结果可以看出，水位-流量串级控制算法能够自动调整明渠冰期输水过程中，冰盖生消所需要的蓄量变化，符合渠道冰情和水情的演变特性，不仅能保证冰期安全输水，也提高了冰期的输水保障率(冰期输水过程中，分水口分水流量维持不变)。

南水北调中线工程在2015～2016年冬季冰期输水过程中，受极端低温的影响，漕河渡槽生成的大量浮冰进入岗头节制闸上游，由于堆积浮冰量大，输水流速相对较高(事故期间，最大水流流速和最大水流弗汝德数分别是0．69m/s和0．105)，浮冰很快冲坏了木制的拦冰索，造成大量浮冰堆积在岗头节制闸前，形成了引发严重冰凌灾害的风险。所幸值班人员应对及时，避免了冰害的发生，保障了南水北调中线工程的正常供水［15］。

2010年水利部印发了《中小河流治理工程初步设计指导意见》，对中小河流治理工程水文、工程地质、治理方案与规模、工程布置等作了详细规定，指导了各地中小河流治理工程。山洪沟与中小河流治理工程各种技术要求类似。但山洪沟流域面积为一般在200 km2以下，较中小河流流域面积小。另外山洪沟相比中小河流，具有比降大、流速快、冲击力大的特点，因此山洪沟治理工程除采用中小河流治理的工程措施之外，还应重视消能与防冲，重视河床固定与平稳水流，有目的性地拦挡从上游向下游流动的巨石和林木。

冰块在冰盖前缘的下潜方式与冰块的尺寸大小有关，当冰块厚度适中时(冰厚与冰块长度比值在0．1～0．8之间)，冰块翻转下潜;当冰块的厚度与长度比值超过0．8或者小于0．1时，冰块垂直下潜。Uzuner和Kennedy［16］试验研究了建筑物(如倒虹吸或闸门)前冰块下潜的机理，分析表明:冰凌下潜是由于冰块底部流速增大引起的伯努利效应，以及冰块对水流的分流作用，从而产生向下的力矩所致。当水流对冰块产生的向下力矩超过浮力力矩的最大值时，冰凌将以转动的方式下潜。当向下的吸力和浮力作用点几乎重合时，冰凌将发生垂直运动而下潜。

朝向主要考虑东南西北是个方向，东边选百叶窗、南窗配深色窗帘、西窗选有褶帘、北边选艺术窗帘。当建筑本身处于不规则形状，使得窗户所在位置不是以上四个朝向时，则需根据实际情况考虑。

Ashton［17］对Uzuner和Kennedy试验数据进行分析，认为冰凌下潜的临界条件与冰厚弗汝德数相关，冰凌下潜的冰厚弗汝德Ft数满足:

 

式中，V c为冰盖上游流速，h为冰盖上游水深，g为重力加速度。

崔巍等［2］，［10］-［12］在深入分析闸前常水位运行特性的基础上，以现代控制论为基础，提出了水位-流量串级控制算法，并加入了节制闸下游解耦控制环节，从而大大改善了闸前水位运行的控制特性。该算法具有一定的自适应能力，能适应冰盖生消过程中，冰盖糙率变化对渠道水流运动的影响，不仅可改善控制系统的控制质量，也为冰盖的稳定和冰期的安全运行奠定了基础。

1978年，Stewart and Ashton［9］开展了淹没孔口出流冰凌下潜的特性研究，分析表明，影响冰凌在淹没孔口下潜的主要因素包括基于出口水流流速的弗汝德数、出口顶部的淹没水深和出口深度与总深度的比值。

2008年，Ashton给出了更有普适意义的研究成果。设孔口或闸门的淹没水深为H1(水面到孔口顶部的距离)，孔口的进口水深为H，则冰凌是否下潜与H1/H的比值密切相关。当H1/H＜0．15时，冰凌很容易下潜，并被水流携带进入孔口;当0．15≤H1/H＜0．33时，冰凌下潜的临界水流弗汝德数为

在线教育模式的完善和持续走高也证实了这个行业的发展潜力，作为互联网第一代原住民的90后用户，他们的成长期也恰是互联网在中国发展最快的时期，他们对在线课程较高的认知度，有力推动了在线教育的发展。

 

式中，V是水流流速。

由于中小制造企业的小而精的特征，多数企业都专注于某个单独细分产业。以压缩机械产业为例，空气压缩机产业是为我国工业生产提供基础能源的关键行业，需求量大，因而10年内空压机企业在我国大量产生，产生了一批专业化的单一设备生产企业。上游的配套零部件包括铸件、电机、轴承、冷却器、电控系统、压力容器、润滑系统等，也产生了大量专业化的生产企业。由于成功的中小企业大多专心某一个产品，将全部资本和人力都投在上面，效果往往也是最好的。如果能在新经济环境下搭上智能化制造顺风车，必然能极大地提升产品质量，并为“中国2025” 战略提供助力。

当H1/H＞0．33时，应采用冰块弗汝德数来判断。冰块弗汝德数为

 

为了保证冰块不被输移，冰块弗汝德数应小于3．7。

1.4 疗效评定 对照组及实验组连续治疗15 d后，分别进行耳内镜、声导抗、纯音听阈测定。疗效评定标准：治愈：症状消失，听力恢复正常，声导抗“A”型，鼓膜正常；好转：症状减轻，听力提高，但未恢复正常，声导抗“C”型，鼓膜内陷或少许积液；无效：症状无改善，声导抗“B”型，鼓膜内陷明显，鼓室仍有明显积液。治愈及好转均表示治疗有效。治疗有效率=(该组治愈数+该组好转数)/该组耳数×100%。

由式(5)可知，当H1/H=0．15时，冰凌下潜的水流弗汝德数为0．056，与冰盖前缘附近冰凌下潜的第一临界弗汝德数一致。说明当淹没深度很小时，建筑物的表面对冰凌的阻挡作用有限，冰凌的下潜完全取决于水流条件。

Ashton的研究成果适用于倒虹吸或闸门情况，但是比较拦冰索周围的流态和倒虹吸或闸门周围的流态可以发现，二者有一定的相似性，其最大的差异是，当水流流过拦冰索时，部分水体从拦冰索的孔隙中流过，部分水体从拦冰索底部流过。与闸门和倒虹吸相比，相同来流情况下，冰凌更不容易在拦冰索处下潜。当拦冰索被浮冰或其他物体完全堵塞时，其周围的流场与倒虹吸完全相似，因此，可以利用式(5)计算拦冰索的结构尺寸，且采用这种方法设计得到的拦冰索具有一定的安全裕度。

由式(5)可知，浮冰在拦冰索处下潜的临界水流弗汝德数与拦冰索的高度H1和拦冰索部位水深H比值有关，借助于该式，可以确定临界条件下(例如，水流弗汝德数取0．08～0．09)，拦污栅的高度值，即拦污栅部位浮冰不下潜时的最小拦污栅高度计算式为

 

3 结论

文中系统总结了明渠冰期输水运行控制方面的研究成果，主要结论如下:

1)明渠冰期运行应以闸门常水位方式为宜。闸门常水位运行方式时，渠池内水面线变化特性与冰凌生消过程中渠池内的水面线变化特性一致，采用闸前常水位方式运行，有利于冰盖的稳定和冰期的安全运行。

2)明渠冰期输水过程中，渠道的过流能力可根据临界水流弗汝德数确定，其值为0．08～0．09。为满足冰期的输水要求，需设置合理的拦冰设施，拦冰设施的最小高度可根据Asthon公式确定。

3)水位-流量串级控制效果与控制参数的取值密切相关。明渠冰期输水过程中，冰盖糙率变化存在一定的随机性，因此，今后应开展自适应控制研究，提高冰期输水的控制效果。

4)开展拦冰索冰凌下潜研究，为拦冰索设计规范的编制提供科学依据。

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