0 引言

　　高山滑雪起源于阿尔卑斯山地域，故又称之为“阿尔卑斯滑雪”,被誉为“冬奥会皇冠上的明珠”,是一项将速度和技巧完美结合的雪上运动，国家高山滑雪中心是国内第一座按冬奥赛事标准建设的高山滑雪场馆，成功举办了北京2022年冬奥会和冬残奥会高山滑雪所有项目的比赛^[1]。2015年国际奥委会在评估报告中提出，延庆和张家口赛区的年度降雪量小，奥运赛事应依靠人工造雪^[2]。本文主要介绍了国家高山滑雪中心的人工造雪系统设计概况，对高山滑雪项目的人工造雪系统设计流程及设计重点进行了梳理与总结。高山滑雪项目的造雪工艺设计目前国内并无针对性的规范及标准，相关设计及建设资料也较少，本文旨在为国内同类型项目的造雪系统设计提供参考与借鉴。

　　1 国家高山滑雪中心项目概况

　　国家高山滑雪中心位于北京市延庆区张山营镇小海坨山南麓区域，是北京2022冬奥会海拔最高的场地，海拔最高点为2 198 m。小海坨山地处温带大陆性季风气候区，为典型的山地小气候区，冬冷夏凉，冬季严寒干燥多风，山顶极端气温可达-37 ℃;冬季平均积雪深度为14.6 cm; 年平均相对湿度为55%,最低相对湿度为34.6%;冬季山顶平均风速最大为22.6 m/s。当地气候条件十分恶劣，而且场馆区域环境和生态敏感性较高^[3],同时以山石为主的地质条件也给项目的设计与施工带来非常大的难度。

　　国家高山滑雪中心占地面积约432.4万m²,总建筑面积约43 000 m²,包括山顶出发区、中间平台、竞技结束区、集散广场等配套设施，一共设计7条雪道，在冬奥及冬残奥会期间举行了滑降、回转、大回转、超级大回转等比赛项目，在冬奥会上产生了11枚金牌，在冬残奥会上产生了30枚金牌。

　　2022年北京冬奥会赛后，高山滑雪中心将进行四季运营，雪季时期将继续举办高山滑雪赛事，为专业滑雪队提供训练场地，并向较专业的滑雪大众爱好者开放；非雪季时期作为山地观光和户外运动场所，进行山地越野跑、自行车、滑索、攀岩等多种山地探险活动。

　　2 造雪设备选型及布置

　　2.1 造雪条件与造雪原理

　　天然雪的形成原理为：自然界的水蒸气在过饱和状态下，凝结在各种小颗粒上形成小液滴也就是云，这些小液滴随着温度的降低而凝结成为小冰晶，也就是成雪的晶核，随着晶核的下落，周围的水蒸气不断地凝结在晶核上而逐渐长大飘落下来形成雪花。

　　室外各种人工造雪设备的工作原理基本相同，造雪高压水经过造雪机喷嘴后形成雾化的小水滴，而少量的高压水与压缩空气以一定比例混合，通过“核子器”形成晶核，微小的晶核与雾化后的小水滴在空气中结合，当室外环境达到良好的成雪条件^[4],就形成了雪花，在雪花飘落过程中，雪花与水雾继续结合而逐渐变大，最后借助风力或者风扇动力落在地面上，再进行下一步的推雪、压雪等工作。但人工造雪因下落的过程短，晶核没有足够的时间凝结变大，人工造雪形成的大多是很小的六边形且没有分支，肉眼很难观测出其形态。而成雪条件与室外干球温度、相对湿度、风速等多种因素相关，室外干球温度在-2～3 ℃之间可以成雪，通常在室外干球温度-2 ℃以下，会获得较好的雪质。

　　以炮式造雪机为例，人工造雪原理示意图见图1。

　　

　　图1 人工造雪原理示意图   

　　 

　　天然雪因为其六边形分支的天然结构，雪质地较为松软，其密度一般不会大于200 kg/m³,而且在冰晶之间充满了空气，很难被压实，无法满足国际赛事要求，因此人工造雪是必要的。

　　本届冬奥会及冬残奥会的全面造雪工作在2021年11月15日开始，75 d时间完成了赛道造雪、“冰状雪”制作等全部赛前准备工作，这与国家高山滑雪中心优越的地理、气候条件有关。气象站数据统计显示，冬奥会造雪期间平均气温低于-4 ℃,满足人工造雪要求^[5]。另外，造雪用水的温度宜低于5 ℃,如果高于5 ℃,为保证雪质则需要开启冷却系统。在整个冬奥会人工造雪时段室外空气环境基本满足以上造雪条件。风力风向的影响也比较重要：顺风条件下，造雪面更广、造雪效果更好；逆风条件下，造雪机喷出的水蒸气可能会反吹向造雪机，造成一定损耗；风力太大的情况下，造的雪飘得太远，也会影响有效的造雪效率。

　　2.2 造雪设备参数

　　室外造雪设备按照外形可分为炮式造雪机和枪式造雪机。炮式造雪机根据安装形式又可分为塔式雪炮、升降塔式雪炮、移动式雪炮、悬臂式雪炮4种类型，其中塔式雪炮、升降塔式雪炮、悬臂式雪炮为固定式雪炮；枪式造雪机根据安装形式可以分为移动式雪枪和固定式雪枪2种类型。

　　塔式雪炮可以实现雪炮左右转动和上下摆动；升降塔式雪炮还可以将雪炮降低至不同高度，方便进行设备检修维护；移动式雪炮由于其移动支架结构形式特点，除了具有塔式雪炮的自由度，还可以通过移动支架上的刀闸，进行造雪机手动转动；悬臂式雪炮可以实现悬臂左右转动、悬臂上下提升等功能。升降塔式雪炮、悬臂式雪炮由于造雪机安装位置高，相比于塔式雪炮和移动式雪炮有更大的喷雪射程。移动式雪炮适用于地势平坦、方便运输区域，在该项目中，广泛用于技术道路、回村雪道等区域造雪；固定式雪炮适用于地势险峻、不方便运输区域；悬臂式雪炮尤其适用于较大区域造雪，在该项目中，广泛应用于训练道、赛道等区域。

　　枪式造雪机相比于炮式造雪机，产雪量、喷雪射程、抗风能力等性能均有所降低，但设备投入成本较低，适用于覆雪量少、风力较弱、雪道狭窄的造雪区域；炮式造雪机具有体积大、耗电量大、产雪量大、抗风能力强等特点，适用于大面积快速造雪，其适用的水压范围较大，承压能力较高，一般不需要系统额外配置减压装置。不同造雪设备的主要技术参数见表1。

　　由表1可以看出，用水量、用水压力、喷雪射程波动范围均较大，可见造雪设备的可调节性较强，而且各设备参数之间互相影响：造雪设备在水流量、水压一定的前提下，在成雪范围内进行压缩空气压力的调节，随着压力的升高，成雪密度会变小，而雪量会变大；如果是在压缩空气压力一定的前提下，在成雪范围内进行给水压力的调节，在造雪设备承压范围内，随着给水压力的升高，雪量也会变大，造雪设备可以根据需要设置成雪密度，范围约为300～800 kg/m³,国家高山滑雪中心项目中的竞赛道、训练道、技术道路要求雪密度控制在590 kg/m³,景观要求雪密度控制在300 kg/m³。

　　表1 造雪设备的主要技术参数 

　　 

　　 

	用水量/(m3/h)	用水压力/MPa	喷雪射程/m	用电量/kW	仰角/(°)	转动角度/(°)
移动式雪炮	12～40	0.8～4.0	50～70	24.5	0～45	0～360
塔式雪炮	12～40	0.8～4.0	50～70	24.5	0～45	0～300
升降塔式雪炮	12～40	0.8～4.0	50～80	24.5	0～45	0～300
悬臂式雪炮	12～40	0.8～4.0	50～80	24.5	0～45	0～360
固定枪式造雪机	3～15	1.5～6.0	20～30	4.5	15～30	0～360

　　 

　　 

　　 

　　另外水质对造雪也有一定影响，不同的造雪设备对水质要求也不尽相同，国家高山滑雪中心应用的造雪设备对水质要求如下：水质不低于4类地下水水质；pH值为6～9;无肉眼可见物；浑浊度≤10度；无臭味；总硬度(以CaCO₃计量)≤550 mg/L;溶解性总固体≤2 000 mg/L。

　　2.3 造雪设备布置原则

　　2.3.1 雪道地形

　　造雪设备的选择需综合考虑雪道地形与运输条件、不同形式的造雪机特点。一般来说，布置的固定雪炮数量越多，越容易实现快速造雪，但初投资较高。雪道一侧采用固定式造雪设备较为常见，设备间距一般在60～80 m左右，但不同雪道的宽度、覆雪面积、造雪周期等要求不尽相同，需要综合考虑造雪要求和投入成本。

　　此外，根据造雪工艺及雪道地形的特点，在同一条雪道上可将不同安装形式的造雪设备组合使用。

　　2.3.2 雪道走向及风向

　　雪道一般布置在冬季主导风向的上风向，但国家高山滑雪中心的雪道分布广、地形地势差异大，一部分雪道位于山谷位置，另外一部分雪道位于山脊或山坡的位置，并且雪道的走势变化较大。通过对雪道现场逐条踏勘，根据所处地点的主导风向、雪道走向、地形地势，最终确定造雪设备沿雪道的哪一侧来布置。

　　造雪设备布置设计时，一般从雪道一端开始布置，在雪道交叉区域，需要根据每一条雪道造雪设备布置图，优化交叉区域造雪设备布置，避免交叉区域造雪设备覆雪范围过多重合。例如，J7与J10技术道路交叉区域(见图2),通过布置1台悬臂式造雪机，兼顾了交叉区域所有位置的造雪需求，提高造雪设备利用率。

　　

　　图2 雪道示意图   

　　 

　　2.3.3 赛事安全与转播

　　造雪设备的布置需要考虑赛事安全。在高山滑雪赛事中，运动员滑行速度非常快，最快能达到近140 km/h, 运动员在起跳点、拐弯点等区域容易发生失误，这些区域在比赛前需要设置多道安全网，并且这些区域不能布置造雪机点位，以防止运动员在落入安全网时撞击到造雪机或造雪机支架。

　　造雪设备的布置还需要考虑赛事转播的要求。高山滑雪赛事雪道长、落差大、运动员速度快，需要在出发区、起跳区、结束区、转弯区等位置设置赛事转播机位。为确保赛事转播效果，这部分区域在满足现场转播条件的前提下，尽量使用移动雪炮进行造雪，例如B1赛道的结束区(见图2),在完成造雪任务后，在赛事前将移动雪炮转移。

　　此外，为提高造雪工作安全系数，造雪机沿雪道布置时，尽量使相邻点位造雪机之间覆雪范围有交叉，这样如果某个点位造雪机出现故障，可以通过使用邻近点位造雪机来保障该区域覆雪工作。造雪机出水口设计便于拆改，也可以通过对故障点位造雪机出水口进行临时拆改，以便快速使用移动雪炮对该区域进行机动造雪。

　　2.3.4 造雪设备布置设计流程

　　造雪设备的选型布置设计流程如图3所示。

　　

　　图3 造雪设备的选型布置设计流程   

　　 

　　3 造雪系统设计

　　国家高山滑雪中心的雪道众多，分布在海拔900～2 198 m范围内，共计7条雪道，其中包括竞赛道(B1、C1、D2、G1)、训练道(D3、E1、F1、G2)、回村雪道和技术道路，各类赛道总长约23.1 km^[6],最大竖直落差约925 m。其中竞赛道中的B1和C1雪道落差约为900 m, 雪道长约3 000 m, 适合进行超级大回转和滑降比赛；D2雪道位于山谷区域，雪道落差约为150 m, 雪道长约470 m, 适合进行平行回转和团体回转比赛；G1雪道落差约为430 m, 雪道长约1 000 m, 适合进行大回转和小回转比赛。项目除了赛道外，还包括山顶出发区、中间平台、竞技结束区、集散广场、索道等配套设施。国家高山滑雪中心雪道示意图见图2。

　　按照赛事要求，竞赛道、训练道、技术道路及景观的覆雪要求见表2。

　　表2 赛区覆雪要求

　　 

　　 

	覆雪厚度/ m	覆雪密度/ (kg/m3)	覆雪面积/ m2
竞赛道、训练道	2.0	590	438 000
技术道路	0.5	590	399 000
景观区域	0.3	300	508 000

　　 

　　 

　　 

　　本文以其中1条采用多种形式造雪机的典型训练道为例，阐述造雪设备的选型与布置设计过程，该条训练道如图4所示，雪道呈近似南北、沿高程升高方向偏西走向，高差将近160 m。

　　

　　图4 训练道及造雪机布置   

　　 

　　3.1 造雪要求及造雪条件

　　冬奥会的举办时间为2022年2月4—20日，冬残奥会的举办时间为2022年3月3—13日，按冬奥组委的要求，在环境条件合适的情况下需在200 h以内、2021年12月31日前完成造雪任务。

　　据近年的相关气象数据统计，项目所在地的11月中旬至12月底，室外相对湿度在50%以下，室外干球温度满足造雪条件要求的-2 ℃,而在次年1、2、3月，室外干球温度低于-2 ℃的时长约为1 800 h, 且夜间满足造雪所需温湿度条件，因此造雪时段拟定在2021年11月中旬到12月底，经过修整塑形、安全防护、赛道冰状雪制作等流程，于次年1月底达到比赛标准。最终造雪任务如期保质保量完成，并于2022年1月28日圆满交付场地。

　　除了冬奥组委提出的造雪要求，考虑比赛过程、室外气候条件变化等因素对雪皆有一定的损耗，设计也应考虑储雪的需求，除了合理的加厚赛道覆雪以外，可在赛道顶部、中部、下部分别选取避风处、背阴处等临近赛道的位置预留造雪条件进行提前储雪。在冬残奥会的比赛时段，室外干球温度高于-2 ℃的时间占比已经接近40%,因此重点针对冬奥会及冬残奥会的重合赛道采取储雪措施，不但可以在赛前储雪，赛时在夜间也可实现人工造雪。

　　3.2 造雪覆雪量计算

　　雪道长度为409 m, 覆雪量按式(1)计算：

　　Vx1=HS         (1)Vx1=ΗS         (1)

　　式中 V_x1为覆雪量，m³;H为覆雪厚度，图4所示训练道H=2 m; S为雪道面积，图4所示训练道S=17 724 m²。

　　经计算V_x1=35 448 m³。

　　3.3 造雪设备数量选定与复核

　　造雪设备在室外干球温度-2 ℃,相对湿度50%,供水温度5 ℃,供水压力为2.0 MPa条件下选定，以上参数在造雪期间为最不利条件，考虑风力带来的损失及造雪过程中的蒸发损失，此条件下拟采用的TF10雪炮出雪量为V_x2=46 m³/h, 以此数据计算得出的造雪设备数量可满足整个造雪周期内的造雪需求。

　　造雪机数量按式(2)计算：

　　N=1.2Vx1200Vx2         (2)Ν=1.2Vx1200Vx2         (2)

　　式中 1.2为安全系数； N为造雪机数量，台；200为造雪时长，h; V_x2为单台造雪机出雪量，m³/h。

　　经计算N=4.62,取整为5台。

　　造雪时长复核按式(3)计算：

　　t1=1.2Vx1Vx2N         (3)t1=1.2Vx1Vx2Ν         (3)

　　式中 t₁为造雪时长，h。

　　雪道长度409 m, 考虑造雪机合理布置间隔，造雪机宜布置5～7台。

　　如布置5台造雪机，则造雪时长为185 h; 如布置7台造雪机，则造雪时长为132 h。故布置5台造雪机，即可满足造雪时长要求，再按实际覆雪范围核实，如图4中以造雪机为圆心的覆雪范围所示，雪基本可以覆盖整个赛道，且造雪机间距在80 m左右，满足造雪机有效射程，因此图4中的造雪机数量与布置合理。

　　3.4 造雪设备选型

　　4108B点位：位于雪道起点附近，雪道宽度约为30 m, 坡度约为11%,雪道平缓，适宜布置移动式雪炮，同时该区域与索道上站距离较近，考虑到索道的运行安全等因素，该点位适宜布置移动式雪炮，避免固定式造雪设备对索道的运行产生影响。

　　4109点位：靠近雪道上部，雪道宽度约为50 m, 坡度约为11%,雪道平缓，适宜布置移动式雪炮。该区域雪道右侧为运动员，考虑到运动员比赛安全、压雪车通行安全等因素，该点位适宜布置移动式雪炮。

　　4110～4112点位：位于雪道中下部，雪道宽度约为50 m, 雪道坡度为40%～55%左右，雪道坡度较大、宽度适中，因而布置了升降式造雪机进行固定造雪(见图4)。

　　该训练道与上部相邻区域雪道之间无技术道路连通，所以在造雪过程中，该区域移动式雪炮需要在上部雪道部分覆雪后，使用压雪车进行设备运输，即：海拔高的区域首先开始覆雪，覆雪厚度达到一定要求后，使用压雪车将移动式雪炮运抵4108与4109点位进行机动造雪。针对4110～4112固定造雪机点位，待该区域具备造雪、保雪条件后，可以通过全自动造雪系统远程控制造雪机启闭及性能调整。利用固定造雪机造雪并辅以移动式雪炮机动造雪，共同保障该雪道如期、保质、保量完成造雪任务。

　　4 造雪给水系统设计

　　赛区内造雪用水主要来源于下游水库，水源通过加压泵房先提升至蓄水池及调蓄塘坝，经过初步沉淀和冷却后，靠重力自流入冷却塔泵房，然后陆续进入主加压泵房、一级加压泵房、二级加压泵房，造雪用水经二级加压泵房加压后，泵送至山顶区域，直接用于二级加压泵房到山顶区域造雪。

　　造雪给水系统包括蓄水池、加压泵房和造雪系统给水外网。

　　4.1 加压泵房设计

　　加压泵房不仅为整个高山滑雪所有雪道上的末端造雪设备输送造雪用水，还兼具控制室、值班室和休息室等功能。加压泵房的选址需要综合考虑雪道分布、雪道落差、地形条件、滑雪人员安全要求、赛事转播、管线进出路由、建筑结构形式等多种因素，经过多轮的实地踏勘及各方案的对比分析，最终国家高山滑雪中心的4座加压泵房位置如图2所示。

　　加压泵房的主要功能包括造雪用水的过滤、冷却和输送。泵房内水泵采用变频控制，根据外网造雪设备用水需要，通过水泵变频控制实现外网造雪用水终端压力和流量调节。

　　4.2 造雪给水过滤系统设计

　　为保证造雪给水的品质，在蓄水池、各级泵房及造雪设备内设置了多级过滤系统，过滤精度的要求主要是基于水源的水质及造雪设备需求而定，在国家高山滑雪中心的造雪系统中各级过滤精度如下：3 mm过滤精度主要用于过滤水源内较大杂质；1.0～1.6 mm过滤精度主要用于过滤管道内杂质，保护水泵；250～300 μm过滤精度主要用于保护造雪设备的喷嘴与核子器。

　　5 结语

　　国家高山滑雪中心从2013年作为高山滑雪备选场地，经历了2015年中国申奥成功，从2018年1月开始建设，到圆满举办了北京2022年冬奥会和冬残奥会，前后历时近9年。在“一起向未来”的冬奥主题下，本着"绿色冬奥"的理念，在各方的共同努力下，协作完成了具有里程碑式意义的中国第一个也是目前唯一一个符合冬奥会标准的高山滑雪比赛场地。

　　高山滑雪造雪工艺设计和施工，时间紧、任务重、交叉作业多，是一项原理看似简单但同时又需要考虑众多细节、反复推敲、极具挑战的任务。室外施工作业存在一定的风险，而国家高山滑雪中心雪道长、落差大、地势险峻、整体赛区从无到有，项目设计、实施中的众多影响因素均需要设计者投入更多的精力去了解现场的实际情况。其设计不但需要从设计角度满足技术要求，还需要从施工角度考虑现场的可操作性，并与多方协作进行精细化设计，诸如管线的防冻、大高差水力输送的水锤防治、外网管道的防滑移措施等设计细节，都对整个造雪系统起着至关重要的作用。但因篇幅有限，本文仅从基本设计的角度进行总体的概述，以期为类似项目的造雪工艺设计提供基本思路，并希望国内冰雪运动能够快速、稳定、长期发展。

　　本文引用格式：孙天慧，贾红星，王贺，等．国家高山滑雪中心造雪工艺系统设计［Ｊ］．暖通空调，2022,52（4）：77-81,76．