南水北调背后的科技密码

作者:科技日报

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◎许安强 朱文君 科技日报记者 唐婷

据新华社报道,5月13日下午,习近平总书记在河南省南阳市淅川县考察南水北调中线工程。

中线工程全长1432公里,累计调水逾380亿立方米,惠及沿线20余座大中城市约7900万人,一路北上的南水正在改变北方的模样。

南水北调背后的科技密码

图片来源:央视网

全线自流,穿越黄河,冰期输水……每一道技术难题的迎刃而解,都是无数水利人心血与智慧的结晶。让我们从源头走来,看看一渠清水北上背后的科技力量。

大坝“长高” 清水自流

要想一渠清水自流北上,让库区大坝“长高”是第一道难题。

丹江口库区位于湖北、河南交界处,是南水北调中线的水源地。实现南水自流进京,需要增大库容。

坝高水涨,才能使大坝在满足防洪、发电、通航的基础上,肩负起清水北上、润泽沿线的重任。

按设计要求,要对丹江口大坝加高14.6米,坝顶高程从162米增高到176.6米,正常蓄水位从157米抬高到170米。

南水北调背后的科技密码

丹江口水库,南水北调中线工程水源地。始建于1958年,横跨鄂豫两省,库区主要分布于河南省淅川县和湖北省丹江口市境内。总面积1050平方公里,水质优良,有“亚洲天池”之称。图片来源:央视网

在一座服役近40年的老坝上重新浇筑“新坝”,难度不亚于新修一座大坝。在混凝土坝体上贴坡加厚、加高,新老混凝土在外部气温作用下,会产生排他反应,对结合面和坝体应力产生影响。

如何让新老混凝土“永结同心”,并且“血肉相连、健康成长”,这是加高工程遇到的关键技术难题。对此,国家科技支撑计划项目“丹江口大坝加高工程关键技术研究”课题组进行了科研攻关。

为确保加高工程万无一失,长江设计院先后进行了多次新老混凝土结合试验,并借鉴国外已有的成熟经验,提出了以直接浇筑为主,在竖直接合面采用人工补凿键槽,溢流坝段堰面采用宽槽回填为辅的总体方案。

自2005年开始,大坝加高壮举历时近8年终于完成。升级改造后的大坝加高到176.6米,水库正常蓄水位抬高到170米,与北京形成约百米落差,保障南水自流北上。

隧洞穿黄

江水不犯河水

南水北上,黄河郑州段是必经之地。

如何保证江水穿过黄河时互不相扰,不与黄河水发生水体交换以确保水质不受影响,复杂地质条件下中线穿黄隧洞工程关键技术研究功不可没。

经过反复比选,在郑州荥阳孤柏嘴处黄河河床底部开凿两条长达4250米的穿黄隧洞的方案被采用,实现南水由此穿越黄河北上。

南水北调背后的科技密码

这是2020年9月15日在河南郑州荥阳市境内拍摄的南水北调穿黄隧洞进口南岸明渠(无人机照片)。新华社记者 郝源 摄

如何从黄河底下复杂的地层中开凿出数千米的隧洞?如何在承载内外水压的情况下保证隧洞不漏水……作为中线工程最具技术难度的单项工程之一,穿黄工程被称为南水北调中线的“咽喉”工程。

为保障穿黄工程的顺利实施,国家科技支撑计划项目“复杂地质条件下穿黄隧洞工程关键技术研究”课题组提供了有力的技术支撑,先后解决了包括抗震在内的13项关键技术难题。

穿黄隧洞采用双线平行布置,两洞相距28米。隧洞内径7米,开挖直径超过9.2米,深埋于黄河河床下23至35米深。据介绍,这是我国第一次采用大直径隧洞穿越黄河,也是我国水利界第一次采用泥水平衡盾构机在软土地基中进行水工隧洞的掘进施工。

国内最深的调水竖井、国内穿越大江大河直径最大的输水隧洞、国内水利工程最深的盾构始发……让江水不犯河水的穿黄工程创下了多项国内水利工程之最。

冰期输水

迎寒而上

南水北调中线总干渠长1432公里,沿途地域气候差别很大,北方地区冬季气温较低。隆冬时节,一旦流水结冰,是否影响渠道输水进程?

南水北调中线工程设计时,充分考虑了黄河以北地区冰期输水问题,针对结冰期、冰封期、化冰期三个阶段的输水,进行了详细论证和水力学控制方法研究。

在冰期输水期间,在具备形成冰盖气温条件的渠段,控制沿线节制闸,调整渠道水位和流速,使渠道形成稳定冰盖,冰盖下面可继续输水。

对不能形成冰盖的渠段,则通过设置拦冰索,使冰块拦截在建筑物(如:倒虹吸、隧洞、渡槽等)前。同时,各节制闸处设置了防冰冻设施,沿线配备了一定数量的破冰设备。

如果遇到长时间、大范围的极端寒流天气,可能遇到什么后果,该如何应对?专家指出,对总干渠运行的影响,主要在于可能进一步降低此期间的渠道输水能力以及可能带来渠道衬砌板的冻胀破坏,为此可通过进一步抬高渠道运行水位来提高渠道输水能力并达到蓄水保温的效果。

在2020-2021年冰期输水突发冰情过程中,南水北调中线工程首次应用了冰情观测信息化平台,及时准确发布冰情信息,实现了冰情信息及时传递和冰情预测提前预警两个功能,保障了冰期输水工程的安全调度与平稳运行,提升了工程冰期输水能力,破解了冰期输水的难题。

2020年5月9日至6月21日,通过优化调度,中线一期工程首次以420立方米每秒设计最大流量输水,并借机向沿线39条河流生态补水9.5亿立方米,提升了华北地区地下水超采综合治理成效,验证了工程大流量输水能力,集中检验了工程质量和运行管理水平。

水利部南水北调工程管理司司长李鹏程表示,“十四五”期间,将聚焦“南水北调高质量发展”这一主题,在加强南水北调东中线一期工程运行管理,确保工程安全平稳运行,保障供水、工程和水质安全的基础上,不断提升工程综合效益。加快数字南水北调建设,通过数字化、智慧化工程建设,实现工程运行管理预报、预警、预演、预案现代化。推进东中线后续工程建设,深化西线工程方案比选论证,进一步优化我国水资源配置格局,为确保国家水安全提供坚实支撑。

来源:科技日报

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