基于气温链的南水北调中线工程冬季气温等级评价

寒冷区明渠冬季输水结冰是常见的自然现象。南水北调中线工程水面一旦形成冰盖其安全输水流量仅为设计流量的30%~50%,而气温是驱动冰盖形成的主要因子,如何科学评价冬季气温等级是冰期输水面临的关键问题之一。分析了沿线8座气象站1951—2021年冬季日平均气温和日最低气温数据,揭示了总干渠气温沿程和年际变化规律。基于拉格朗日质点跟踪法,结合沿线气温-水温-冰盖生成物理过程,提出了气温链概念并给出通用数学表达式。分别采用国标法、一月平均气温法和气温链法评价冬季气温等级,构建了71 a冬季气温位次。结果表明:①总干渠自南向北气温逐级下降速率为0.48 ℃/(100 km),保定站呈加速下降趋势,对冰盖生成贡献最大。②沿线冬季气温总体呈波动上升趋势,升温速率为0.37 ℃/(10 a),强暖冬出现在最近30 a,强冷冬出现在前30 a,气温的总体上升有利于减缓大范围冰盖生成。③对于冰盖生成预测,气温链法优于一月平均气温法,更优于国标法;不同时间尺度组合评价可获得更优的结果;全球持续变暖背景下,可采用一月平均气温法和北方2站6 d气温链法联合评价。④给出了北方2站6 d气温链法冬季等级的分界阈值,即强暖冬T_C≥-4.0 ℃,弱暖冬-5.7 ℃≤T_C<-4.0 ℃,正常-7.4 ℃<T_C<-5.7 ℃,弱冷冬-9.1 ℃<T_C≤-7.4 ℃,强冷冬T_C≤-9.1 ℃,长系列均值为-6.5 ℃。研究成果可更好地为南水北调中线工程总干渠冰盖生成提供新的参考基准。     

南水北调中线冬季水温分布规律数值模拟研究

水温是南水北调中线冬季输水冰情预报的重要指标之一。以中线工程总干渠冬季水温为研究对象建立一维水温数学模型,模拟不同气象冷暖冬条件与不同输水流量方案下总干渠沿线水温变化过程,揭示水温沿线时空分布规律,并在此基础上给出相关冬季输水调度运行建议。结果表明:总干渠沿线自南向北各闸站水温沿程降低,大部分工况显示冬季水温整体呈现出先下降后缓慢上升的趋势。同一气象条件下,输水流量越大,沿线水温降幅就越小,如在2013年冷冬典型年份下,陶岔渠首输水流量150m3/s时沿程降温率为0.37℃/100km,陶岔输水流量350m3/s时沿程降温率为0.16℃/100km。同一输水流量条件下,虽然气温升高对水温的提高有一定的效果,但是不同典型冬季年份降温率并没有显著相关性。建议在做好基于中短期寒潮预报的冬季输水实时调控模式研究的前提下,冬季可采取加大流速输水方案(即大流量、低水位输水),减少水温降幅,旨在提升全线非冰盖输水的可行性。     

赣县近60a气温与降雨量变化趋势研究

利用江西省赣县气象站1951年-2008年的气温和降雨资料分析了该地区全年和各季气温与降雨量变化趋势情况,结果表明:赣县近60a来气温呈现上升趋势,年均气温的倾向率为0.108℃/10a,暖冬现象特别显著;赣县年降雨量以4.6mm/10a趋势下降,但冬季和夏季降雨量有增加趋势;年内降雨量分配不均,主要集中在春夏阶段;夏季气温与降雨量变化相关性较显著,其他时段均不显著;采用Mann-Kendall趋势分析法对各时段的气温和降雨量的趋势变化进行了分析,进一步揭示了气温与降雨量多年来的变化趋势。     

长距离明渠系统反向输水冰情模拟

针对长距离明渠-闸门-泵站系统冬季反向输水可能出现的冰问题,以南水北调来水调入密云水库调蓄工程为研究对象,升级开发了调水工程冬季输水冰情数值模拟平台。根据实测气象资料和设计资料,对冰情数学模型中的相关参数进行了率定和检验。在此基础上,研究了冰期明渠反向安全输水的水力约束条件,通过模拟调蓄工程典型气温年工况下畅流期、冰盖形成期、稳封期、消融期等冰情演变过程,分析了反向输水的输水能力和冰情特性,并与正向冰期输水能力进行了对比。计算表明,通过控制抽水流量使各渠段泵吸水口拦冰(拦污)设施、倒虹吸或闸门位置处断面佛汝德数满足快速成冰的约束条件,可以保证反向输水;典型年气温下沿程冰厚略小于正向输水工况,且形成冰盖时最大水位波动为0.35 m;从冰封起始的12月中旬提前1~2周启动冬季输水运行工况较为适宜。研究成果可供决策管理部门在冰期制定北京多水源联合调度方案时参考。     

寒冷地区渠道冬季运行相关因素的分析

新疆北疆地区渠道冬季运行具有冬季气温低、流冰期长、冰流量大、水流量小等特点,无论是天然河道还是人工渠道,当水温降低到0℃以下时,引水渠道内冰花和岸冰就开始形成并进入结冰期。当岸冰增长到一定宽度就会形成冰盖。由于大部分渠道工程都修建于上世纪50、60年代,受当时条件限制,均未考虑冰期运行,仅在非冰期输水。随着经济发展的要求,大部分渠道都亟需实现冬季输水。以某输水渠道为例,根据实地观测资料,分析了环境气温、水体流速、流量及水温、冰温和冰体沿程分布的情况,为渠道实现冬输水提供科学依据。     

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。     

南水北调中线京石段冰期输水规律研究

南水北调中线京石段供水工程起于河北省石家庄,止于北京的团城湖,渠道全长307km,由于沿线冬季天气寒冷,通常都会出现结冰现象。为了做好冰期调水运行工作,确保冰期通水工作的顺利进行,输水本文利用京石段四次冰期调度运行数据,在分析各输水渠段的冰情时空分布特征的基础上,提出了冰期输水调度的经验与规律,为南水北调中线工程的冰期调度运行、冰期灾害防治和冰期灾情预报提供技术支撑。     

南水北调中线冰情演变水温与气温阈值研究

南水北调中线工程冬季存在复杂的冰情,影响工程正常输水.为更好地进行冰期输水调度,需要在冬季进行南水北调中线干渠的冰情预报工作.南水北调中线冰情影响因素复杂,冰情初生和转换时气温和水温的阈值是冰情预报模型中的重要判断标准.文章通过对冰情原型观测资料的收集与整理,总结了岸冰、流冰和冰盖初生时日最低气温主要分布在:-8.0～...     

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。     

南水北调中线冬期输水气温研究

南水北调中线线路较长,从暖温带的长江流域流向半寒带的海河流域,沿途水工建筑物多,冬季冰情问题是关乎冬季生产和生活安全的重大问题.本研究根据南水北调沿途新乡及新乡以北地区50年的气象资料,分析了新乡、安阳、邢台、石家庄50年气温变化及四个气象站气温之间关系.重点分析最北端的石家庄站气温、气候特点及稳定转负日期,根椐暖冬、冷冬不同标准为冬季气候进行分类.为南水北调中线工程冬期输水提供可靠科学依据.     

南水北调中线工程输水冰情的初步分析

本文结合南水北调中线工程初步设计方案及在冬季输水运行的防凌要求，根据南水北调工程中线沿线各地区的多年气候、邻近河道冰情实测资料的统计，分析并得出了沿线各渠段地区的气候、邻近河流冰情的变化与特征。应用一维热平衡方程对三个不同气温典型年即冷年、平均年、暖年，以出库水温和邻近渠道表面温度为初始条件和边界条件，模拟干渠郑州至北京段沿程的水流温度变化，预测冰花起始时间、冰流量、冰盖形成及冰盖厚度。估算出沿程各河段主要断面过冰能力、预测各渠段的冰塞发生位置，冰盖形成及稳定性和冰下过流能力，阐明了在寒冷地区冬季输水防凌的必要条件和可行性。研究并提出了冬季输水的防凌害初步运行方案及防凌措施。     

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。     

高纬度地区渠道无冰盖输水的冰情控制研究

中国北方高纬度地区有一些渠道工程,因其建设年代早,受规划之初经济条件限制,未考虑冰期运行,仅在非冰期输水。随着经济发展,目前亟需实现冬季输水。但是受结构上的限制,这些渠道抗冰冻能力差,无法采取冰盖下输水或冰水二相流输水,通过加设保温盖板,防止渠道结冰,既可解决用水矛盾,又可节省工程改造投资,具有巨大的经济效益和社会效益。本研究根据传热学理论对加设保温盖板后的渠道水体失温过程进行理论分析,并在此基础上建立了设置保温盖板的一维渠道冰期输水数学模型,对加设保温盖板的冰期输水过程进行了模拟,分析了保温材料厚度、输水流量、出库水温等对冰期输水的影响,论证渠道冬季加设保温盖板输水的可行性。并提出了切实可行的冬季输水方案。研究成果对于冰期渠道安全输水和渠道改造都有一定的借鉴意义。     

赣南地区近58年来极端气候变化趋势分析

极端天气事件对人类和自然环境的影响巨大,为评估其变化趋势,采用Mann-Kendall趋势检验和线性倾向估计法分析了赣南地区1956—2013年基于气温和极端降水的8个指标的变化趋势。结果表明:①年降雨总量没有显著变化,季节性变化差异较大;②气温在年尺度和季节尺度变化一致,几乎全部站点年最高气温和年最低气温都有显著上升趋势,且秋季上升幅度最大,其最低气温最大上升幅度为每10 a上升0.39 ℃;除春季外,日温差均为减小趋势;③极端降水事件有增加趋势,年尺度上最大日降雨量和最大3日降雨量均有显著增加趋势,冬季增加趋势更加显著。本研究结果显示赣南地区气温变化趋势与全球变暖保持一致,极端降水事件也在加剧。     

南水北调中线工程冬季气温与水温关联性

为探讨南水北调中线工程中渠水温度与沿途气温之间的关系，采用等距抽样方法，从南到北在南水北调中 线节制闸中选取 7 座节制闸作为分析样本，收集统计 2022 年 11 月 15 日—2023 年 2 月 28 日所选节制闸的水温信 息和所在地的气温信息。结果表明：7 座节制闸的冬季水温变化趋势和 15?日移动平均气温变化相似；对南水北调 中线上游段水温减去沿线 15?日气温差形成的数据与下游段水温数据进行对比，计算得到的皮尔逊相关系数均在 0.95 以上，相关性显著；在冬季，跨流域调水工程从南到北（上游到下游）的 15?日移动平均气温差是反映水体热量 损失的主要表现形式。研究结果可为跨流域调水工程调整冰期输水调度策略、预防冰冻灾害提供理论依据。     

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 m³/s，北拒马河闸约为25 m³/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。     

浅议南水北调中线京石段工程冰期输水技术

南水北调中线引丹江口水库水量至北京、天津市.沿线渠道经过北方寒冷地区,渠道水体会发生结冰现象.目前,冰期输水运行是长距离渠道输水运行调度的难点,仍处于研究探索阶段.特别针对南水北调中线总干渠的冰期输水调度,至今尚未形成成熟的技术成果.2008年为缓解北京水资源紧缺状况,利用南水北调中线京石段工程临时从河北省向北京供水.本次供水经历了冰期输水阶段,并成功地实现了冰期安全输水的目标,积累了宝贵的冰期输水的调度经验,对冰期输水的调度研究有很好的借鉴作用.     

基于历法的冬季输水气象特征指标相关性研究

气象是长距离输水渠道冬季安全运行的重要影响因素,预测影响冰情产生和发展的冬季输水气象特征指标是实现渠道冬季安全高效输水的一个重点。通过探索中国传统历法在辐射、气温分析中的作用,以南水北调中线北段沿线邢台站、保定站和北京站为研究对象,对比不同历法下入冬前气温与冬季输水气象特征指标间相关性的优劣,并利用LSTM预测模型对公历、干支历和阴历3种坐标系下冬季输水气象特征指标进行预测,来研究不同历法对冬季输水气象特征指标分析和预测的影响。结果表明：阴历坐标系下入冬前气温与冬季输水气象特征指标相关性更强;采用阴历在构建气象、冰情预测模型的过程中,较公历、干支历具有显著的优越性,可显著提高预测模型的准确性。     

长江源区气温降水变化趋势及其对区域干旱的影响

长江源区是受全球气候变化影响的敏感地区。为研究气候变化对其区域干旱的影响,采用了TFPW-MK趋势检验法,对20世纪50年代以来长江源区气象站降水量、气温的变化趋势进行了显著性检验,识别了各季节和月份的变化特点,采用了标准化降水蒸散发指数(SPEI)作为反映区域干旱的指标,对年尺度、月尺度长序列变化趋势进行了分析,通过气温-潜在蒸发相关性分析,研究了降水、气温变化对区域干旱的影响。结果表明:(1)长江源区年降水量增加趋势显著,各站点年降水增加幅度平均为0.31%/a,增加的月份主要集中在4月和5月;(2)各站点年平均气温、最高气温和最低气温变化均存在显著增加趋势,平均每年增加1.55%、0.49%和0.59%;(3)月尺度气温与潜在蒸发序列间相关性较高(0.8以上),表明气温是SPEI干旱指标演变的重要驱动因素,长江源区上游(五道梁、沱沱河站)干旱呈现加剧趋势,而下游(曲麻莱站)干旱呈现减轻趋势。     

关于引黄济津保证冰期输水安全的几个问题

冰期输水安全问题是目前北方缺水地区引水,调水一个值得研究的重要问题。1981年冬季引黄济津过程中,南运河沧州地段发生了较为严重的流冰、壅冰现象,严重地影响了輸水安全。为了摸清该地区的冰情规律,确保今后冰期输水的安全,我们观测并调查了这次冰情发生、发展的过程,并结合1953年～1974年南运河捷地站有关冰情、水温、气温等观测资料