三道营水文站冰情对水位流量的影响

宋 飞

(河北省张家口水文水资源勘测局，河北 张家口 075000)



三道营水文站冰情对水位流量的影响

宋 飞

(河北省张家口水文水资源勘测局，河北 张家口 075000)

三道营水文站地处密云水库上游，为海河流域潮白沙水系黑河控制站，集水面积1600km2，结冰期从当年11月至次年3月，约占全年时间2/5，冰期径流量占多年平均径流量的1/4。文章通过对多年实测资料的分析，掌握黑河三道营水文站河道冬季的结冰过程和次年春天消冰开河过程，并就河道结冰的变化过程对于水位流量的变化规律进行了初探。

三道营水文站；冰情；水位流量；影响；建设

三道营水文站位于河北省赤城县与北京市延庆区的交界处，地处密云水库上游，设立于1959年，为海河流域潮白河水系黑河控制站，集水面积1600km2。黑河流域基本呈长条形，西北高，东南低，属深山区，高山耸立，山势陡峻，沟壑狭窄，相对高差大。三道营水文站测验断面河床由砂卵石组成，断面控制性良好。结冰期从当年的11月份开始至次年的3月份结束，约占全年的2/5时间。冰期径流量占多年平均径流量的1/4。黑河由西北向东南在北京延庆区汇入白河后注入密云水库，从黑河源头老掌沟到中游喜峰砦段为季节性河流，只有在汛期有山洪汇入，枯季基本河干。枯季水量的主要来源是河北省赤城县东万口乡的暖水泉，约占枯季总水量的70%，其次是该泉眼下游山涧的小股泉水。

经分析1991—2015年的流量资料，分别选取了有代表性的50组冰期流量资料和畅流期流量资料进行分析，对黑河结冰对水位流量变化规律有了粗浅的认识。

1 结 冰

当气温降低到0℃以下时 ，由于河中水流的紊动，不仅使河水表面一层变冷，而且让全部水流变冷。河水是黏性液体的紊动流，其内外阻力的做功消耗转变为热能。当水流的摩擦阻力转变的热量正好抵消热量损失时，即便气温降至0℃河水也不会结冰。以三道营站为例：当河道流量<2.00m3/s时，气温降至-5℃时河水有可能结冰，但河道流量>4.00 m3/s时，有时气温降至-10℃河水也不会结冰。即当水流的摩擦阻力转变成的热量已不足补偿热量的损失时，就会由结冰释放出的热量来补偿，这样河水就会结冰。三道营结冰主要有岸冰、水内冰和冰盖3种形式。

1.1 岸冰

由于岸边的水流速度小，水流摩擦阻力转变成的热量小于河心中泓，加之岸边沙石的比热小于水，吸热放热快，当气温降至0℃以下时河道最先在两岸出现结冰现象，即岸冰。

1.2 水内冰

当气温降至0℃以下时，由于河水的紊动流和摩擦阻力热量损失，使水流形成过分冷却，加之河底沙石的比热是水的1/415倍，故而放热快，使河底水温比过分冷却的水温还低，而河底因沙石的阻力使得河水的流速减小，水在河底的沙石上形成结晶，结晶所释放的热量被水流带走，河底结晶增多，底流速减小，这样就在河底形成了一层海绵状冰团，即水内冰。

1.3 冰盖

在河道出现岸冰和水内冰的同时，河水的表面由于水的过分冷却也形成结晶，漂浮在表面即为流冰花，气温很低时流冰花增多，使得河水表面流速减小，冰花冻结在岸冰上，使岸冰逐渐加宽形成固定的冰盖，最终使得河面封冻。封冻以后由于冰的覆盖，水流不直接受气温的影响。但冰盖随着气温的降低而逐渐增厚。河道封冻后，由于下游冰下堵塞导致水位抬高，水从冰裂的缝隙冒出，形成冰上水，冰上水遇冷结冰，使冰层厚度增加。

2 冰对水位流量的影响

2.1 初冬到封冻期前

每年11月，当气温降至0℃下，河道产生岸冰，三道营河道在枯季主要补给是水量较稳定的地下水，由于结冰造成损失，所以初冬时水量减小。这个时段河水受气温日变化的影响较大，一般在上午8时水位低流量小，日最高水位和流量出现在14时或20时。当形成固定岸冰后，随着气温的下降，每日8时前河水过分冷却而产生水内冰，这个时期的8时水位高流量小，而14时或20时的水位低流量大。当阴天时由于空气湿度增大气温的日变幅减小，河水失去过分冷却的条件，而不产生水内冰，所以水位不随气温的日变化而剧烈变化，水位流量的日变化较平缓。当寒流侵袭时，气温连续下降，岸冰增厚加宽，过水断面减小，水位逐渐升高，流量则逐渐减小。

2.2 封冻期

气温连续下降岸冰增厚加宽，断面流量减小，水位逐渐抬高。由于气温下降，泉水从地下涌出后，流经一段距离后会结冰，这样就造成了流量减小水位下降，当水位下降到离开冰底后，冰在自身重力作用下下沉，过水断面突然减小，待到气温回升后水量增加水位急剧上涨。当气温恢复到降温前的温度时，流量也基本恢复到原来的水量。形成固定冰盖后，当没有寒流侵袭时，流量则不依水位的升降而增减，趋于基本稳定。当寒流侵袭时，气温降至-15℃以下，使得水源处的泉水涌出后立即结冰，会造成水位流量的连续下降。当大风天时，虽然气温高于-15℃，由于泉水散热快也会使泉水涌出后很快结冰，不能及时汇入河道，造成流量暂时减小，当风进入冰盖下，水的压力增大，流速加快而导致水位下降。当气温回升或大风停止后流量又恢复正常。冰盖在开河前，由于气温上升至0℃以上，流出的泉水受太阳辐射温度增高，冰盖受到高于0℃的河水冲刷而厚度减小，过水面积增大水流顺畅，水位则不断降低。

黑河流域大致是西北东南流向，下游气温高于上游气温，下游冰盖底受到高于0℃的河水的影响会比上游先开河，下游冰薄断面通畅，从断面流走的水量大于基流与融冰水量之和，造成水位连续下降，流量逐渐减小。气温继续升高，融冰水量增加，当基流与融冰水量之和等于流走的水量时则流量趋于稳定。

2.3 开河的岸冰期

初开河时，每天8时的气温低于0℃，也会出现水内冰，造成每日8时水位低流量小，日最高水位和流量出现在14时或20时。当气温上升后，每日的气温不能使河水过分冷却时，没有水内冰产生。这个时期水位流量的变化基本与封冻前的岸冰期相同。

3 结冰水位流量关系的影响

结冰对于水位流量关系很复杂，主要是对过水断面、比降、糙率、K值、水位改正数的影响。

3.1 结冰对过水断面的影响

冰期与畅流期水位相同时，因水浸冰占了一部分面积，所以冰期过水断面面积比同水位畅流期小。即：冰期过水断面面积+水浸冰面积=同水位畅流期过水断面面积。

由于冰期河道流量减小，冰固结在两岸上，虽然冰的密度小于水的密度，但是水位升高时，水的浮力不足以使冰盖上升；水位下降时，冰在重力作用下也不会使整个冰盖统一下降，故而水浸冰的面积随水位的升降而增减。当水位明显下降(水面完全离开冰底)时，冰盖的重力大于(失去)河水的浮力，冰盖会局部下沉，这样又使得有效过水断面面积随水位的下降而减小。综上所述，冰期过水断面面积总是比同水位畅流期的断面面积小。

3.2 并对糙率的影响

结冰后河道出现岸冰和水内冰，增大了水流的阻力，封冻后水流形如管流，湿周增加近乎一倍，也增加了水流的阻力，所以同样过水断面面积的河道冰期与畅流期相比，糙率增大很多。

3.3 结冰对于水面比降的影响

当河道上下游结冰情况一致的情况下，结冰对于水面比降的影响不大，但一般小于同水位的畅流期比降。当下游断面发生冰坝或冰塞时，下游的水位升高造成水面比降减小，如果上游发生冰坝或冰塞时，水面比降情况则相反。这样便增加了冰期水位流量关系的复杂性。

3.4 对于结冰期与同水位畅流期K(K=S0.5/n)值的分析

本次分析中选取了有代表性的50组冰期施测数据和50组畅流期实测数据进行分析。用曼宁公式:

(1)

式中：S为水面比降；n为糙率；R为水力半径；h为平均水深；V为平均流速。

分别计算出冰期值K冰和畅流期值K畅值。

(2)

冰期平均水深与畅流期平均水深相比，均随着水位的升高而增大。冰期因受冰层覆盖，水浸冰的面积随水位升降而增减，故而水道断面面积变化缓慢，但当水位很低时，冰期的断面面积近似等于畅流期的断面面积。

由于冰期的水道断面面积随水位的变化不大，水面比降、糙率的变化也不大，流量也比同水位的畅流期变化幅度小，所以K冰与K畅相比，随水位的升高，K畅值的增大速度快。

K冰、K畅、h冰、h畅之间的关系

(3)

经分析计算：K冰=0.63aK畅(a=h畅/h冰)

当水位很低a=1时，K冰=0.63K畅。即水位很低时，冰期与畅流期的水道断面面积相近，但冰期形如管流，湿周增加一倍，则h冰2/3≈(h畅/2)2/3。所以当h冰=h畅时，K冰=0.63aK畅在理论上是符合水利学公式的。

3.5 冰期水位Z和水位改正数Δh的关系

稳定封冻期的Z-Δh关系线的斜率，变化幅度不大，而且历年的关系线大致是平行移动的。这是因为枯季以地下水为主要补给源，流量稳定，水位的变化主要是因为上下游河段冰塞造成水流不畅，局部河床暂时储蓄水量而引起的流量变化所致。Z-Δh关系线右移是因为水位下降引起冰盖局部下沉，有效过水面积减小，Z-Δh关系线就向右平移，如遇气温回升，冰盖受到高于零度的河水冲刷变薄，有效过水面积增大则Z-Δh关系线就向左移动。

岸冰期间的水位Z和水位改正数Δh关系。初冰期，岸冰占水面宽的比重很小时，岸冰的宽度和厚度增加缓慢，水位改正数不随水位的变化而变化，但随岸冰的厚度增加而逐渐增加。随着气温下降，每日8时前出现水内冰时，水位改正数为负值且逐渐减小(开河后岸冰期递增)。岸冰期遇寒流侵袭时，岸冰的宽度和厚度增加较快，水位逐渐增高，其流量随水位升高而减小，改正数为负值且急剧减小。

4 结论与建议

以通过分析三道营站的资料，黑河在没有人工控制的情况下，补给源主要靠地下水补给，冰期的流量变化是比较稳定的。能引起流量变化的主要原因是：结冰损失(使水流变成固态而暂时储存)；测验河段上下游因生成冰塞、冰坝而造成的局部河槽流量的暂时储蓄；因下游先开河，下游河道畅通，从断面流走的流量大于水源和沿途融冰水的补给量。

由于结冰将河道水流固定在断面的一定起点距上，即使是洪水期水流经常摆动的河道冰期也不摆动了。所以一般河道冰期的水位流量变化是有一定规律可循的。掌握了冰期流量的变化规律，视气温的高低，岸冰的突变、水内冰的有无、寒流的侵袭、冰盖的下沉来施测流量，就能控制好流量的变化和水位-水位改正数的变化转折。

由于冰期气温很低，有时因实际测速时动作缓慢，流速仪出水便结上冰晶，使测得的流量不准且不易发现。这样因冰期测流困难而造成的人为误差往往超过流量的实际变差，就很难求出冰期水位流量的变化规律。只要加强冰期测验，坚持好四随，冰期的水位流量的变化规律还是能够求得的。

[1]中华人民共和国国家质量监督检疫总局、中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50179—2015河流流量测验规范[S].北京：中国水利水电出版社，2016.

[2]中华人民共和国水利部.SL247—2012水文资料整编规范[S].北京：中国水利水电出版社，2013.

Impact of Sandaoying Hydrological Station Ice Regime on Stage-discharge

Song Fei

(Zhangjiakou Hydrological and Water Resources Investigation Bureau Hebei Province, Zhangjiakou 075000, China)

The Sandaoying hydrological station is located on the upstream of the Miyun reservoir, being the control station of Heihe river belonging to Chaobai river water system in the Haihe river basin with the water-collection area of 1600km2, the ice period is from November to March next year, accounting for 2/5 of the year and 1/4 of the mean annual runoff. By analyzing the over-year data observed, the paper grasped ice freezing process in the river course of Saodaoying hydrological station in winter and the ice break-up process, and explored primarily the stage-discharge changing law due to the changing process of ice-freezing in river course.

Saodaoying hydrological station; ice regime; stage discharge; effect; suggestion

1007-7596(2016)10-0043-03

2016-09-19

宋飞(1983-)，男，河北安国人，工程师，研究方向为水文与水资源。

P332.4

B