大清河系观测河段及南水北调中线方案冰情计算分析

 为研究南水北调中线方案总干渠冰期输水问题，通过对大清河系冰情分析、水位水温验证计算及冰情影响计算表明：建立的一维非恒定水力学和水温数学模型可行且验证精度较高；观测河段无冰盖时糙率为002～003，有冰盖时糙率增加到003～004；假定不出现冰情，观测河段水位将下降01～04 m，过流能力将提高30%～65%。总干渠与大清河冰情对比分析表明：冬季冰期输水期间，总干渠可以不考虑岸冰和底冰，并且难以形成静态稳定冰盖，水内冰、水面流冰、冰塞和冰坝的出现和存在将不同程度上影响总干渠的糙率、水位和输水能力。     

河道冰盖输水过流能力分析

冬季输水河道形成冰盖后，湿周增大，水力半径减小，加之冰盖底面糙率的影响，致使河道过流能力减小。依据河北省大清河系南拒马河、大清河、白沟引冰期输水观测成果，计算了不同河段水盖糙率，分析了冰盖对河道过流能力的影响，以及试验河段冰盖糙率的变化范围和冰盖对河道过流能力的消减幅度，为冬季河（渠）道冰盖输水提供了参考依据。     

河道冰盖输水过流能力分析

冬季输水河道形成冰盖后,湿周增大,水力半径减小,加之冰盖底面糙率的影响,致使河道过流能力减小。依据河北省大清河系南拒马河、大清河、白沟引河冰期输水观测成果,计算了不同河段冰盖糙率,分析了冰盖对河道过流能力的影响,以及试验河段冰盖糙率的变化范围和冰盖对河道过流能力的消减幅度,为冬季河(渠)道冰盖输水提供了参考依据。     

冰情模型中不确定参数的影响特性分析

数学模型中参数的不确定性直接影响到模拟结果的不确定性。以南水北调中线工程冬季输水为例,根据实测和设计资料,采用自主开发的大型长距离调水工程冬季输水冰情数值模拟平台,重点分析了冰情数学模型中单一参数（冰期冰盖糙率、大气与冰盖的热交换系数）的不确定性对冰期冰盖形成、发展、消融和水位、流量等要素的影响,并计算给出了一般规律。研究表明,初始冰盖糙率的不确定性对典型年冰期水力学要素的变化过程影响较大,主要反映在沿程各计算断面的水位、流量波动以及结冰期冰盖前缘动态发展模式上,而对冰情范围及与冰相关的变量变化过程无影响。大气与冰盖的热交换系数的不确定性直接影响到最大冰盖厚度的模拟结果,而对冰盖的发展规律影响不大。建议及早准备开展中线工程冰期输水原型观测工作,对上述不确定参数进行率定。     

南水北调冰期输水原型观测与研究

为研究南水北调中线总干渠冬季输水冰情产生、发展变化规律以及可能发生的冰害对输水工程的影响,我处于1994－1997年连续3个冬季在引黄入冀总干渠,大清河系北支南拒马河、大清河、白沟引河的部分河段进行了冰期输水原型观测,并取得了一定的成果,为中线总干渠的设计和管理提供参考和借鉴。     

融冰期加厚冰盖糙率物理模型试验研究

流凌期输水能力可能成为制约输水工程冰期输水能力的瓶颈,而流凌期允许冰凌下潜,采用加厚冰盖下输水方式运行可以有效提高工程输水能力。加厚冰盖糙率的合理选择直接影响加厚冰盖形成后渠道水位和过流能力计算的正确性,但是加厚冰盖的糙率受到多种因素的影响,见刊的实测资料中,其糙率分布范围很宽。现以冻结模型冰为试验材料,以南水北调中线工程总干渠为原型,通过物理模型试验研究得到:输水渠道融冰期加厚冰盖形成初期糙率约为0.029,以供南水北调中线工程冰期输水调度和冰害防治提供参考。试验研究同时表明:水力加厚冰盖底面的最大水流弗劳德数取值0.09是合适的;力学加厚冰盖前缘都是水力加厚类型的,其长度大约与水面宽度相近;力学加厚冰盖形成和发展的过程是这样的一个循环:前缘发展→推挤增厚→前缘发展。     

南水北调冰期水原型观测与研究

为研究南水北调中线总干渠冬季输水冰情产生、发展变化规律以及可能发生的冰害对输水工程的影响，我处于1994－1997年连续3个冬季在引黄入冀总干渠，大清河系北支南拒马河、大清河、白沟引河可段进行了冰期输水原型观测，并取得了一定的成果，为中线总干渠的设计和管理提供参考和借鉴。     

北方河流冰期水流阻力分析

本文通过由流速分布推求冰期河道冰盖糙率系数,提出了由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法,同时考虑冰盖影响区与河床的流速分布,确定最大流速位置,阐述了冰盖对水流的阻力是研究河道冰情演变及其运动规律的依据.并对河道冰期形成冰盖,其阻力使河道水位升高、过流能力降低、水位流量关系改变.流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法进行了分析.为北方地区基层测站的冰期测验工作提供参考.     

河北省冰期调水水文特性分析

在北方冬季跨流域调水中,水流在年底至次年初发生结冰现象。输水河道在此期间,经过岸冰、冰花、溜冰、冰盖等冰情,造成河道输水水位抬升,流量变小,输水能力减低,且水位流量关系复杂。调水河道在冰寒加剧和高水位运行下,个别河段甚至出现冰塞、冰坝等冰灾现象,直接威胁到河道堤防安全,增加了输水管理的难度。研究分析冰期水流变化规律,对冰期输水监测及调度管理具有重要意义。     

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。     

伊丹河输水河道封冻期冰情演变数值模拟

根据水动力学、热力学、河冰水力学及固体力学等基本理论,针对吉林省伊丹河输水河段具体特征,建立了伊丹河的河冰数值模型,并应用1958—1988共30年的水文、气象资料对该输水河段进行了数值模拟及分析。结果表明,伊丹河输水河段冰期封冻形式为平封,可形成稳定冰盖从而实现冰期冰盖下输水,且满足冰期正常输水的要求。     

A Modified Muskingum Flow Routing Model for Flood Wave Propagation during River Ice Thawing-Breakup Period

During the period of river ice thawing and breakup process (termed as “ice cover thawing-breakup”), vast amount of water stored in ice-covered river reach will be released comparing to that under open flow condition. The flow routing process during river ice thawing-breakup period will be different from that under open flow condition, since water stored in and channel from ice thawing-breakup process and flow routing process are very complicated. If the flow routing process during river ice thawing-breakup period can be predicted, it will very important for flood protection in the downstream river reach. In present study, water released from ice cover thawing process is considered as the lateral inflow to the channel flow during propagation process of flood wave from upstream to downstream. A model for the flood routing process during river ice thawing-breakup period has been developed based on the Muskingum hydrologic method. Using the modified Muskingum model, the routed outflow hydrograph has been determined along the Baotou Reach of the Yellow River during river ice thawing-breakup period. Results showed that the simulated hydrographs using developed model agree well with those of field measurements.

     

Comprehensive two-dimensional river ice model based on boundary-fitted coordinate transformation method简

River ice is a natural phenomenon in cold regions, influenced by meteorology, geomorphology, and hydraulic conditions. River ice processes involve complex interactions between hydrodynamic, mechanical, and thermal processes, and they are also influenced by weather and hydrologic conditions. Because natural rivers are serpentine, with bends, narrows, and straight reaches, the commonly-used one-dimensional river ice models and two-dimensional models based on the rectangular Cartesian coordinates are incapable of simulating the physical phenomena accurately. In order to accurately simulate the complicated river geometry and overcome the difficulties of numerical simulation resulting from both complex boundaries and differences between length and width scales, a two-dimensional river ice numerical model based on a boundary-fitted coordinate transformation method was developed. The presented model considers the influence of the frazil ice accumulation under ice cover and the shape of the leading edge of ice cover during the freezing process. The model is capable of determining the velocity field, the distribution of water temperature, the concentration distribution of frazil ice, the transport of floating ice, the progression, stability, and thawing of ice cover, and the transport, accumulation, and erosion of ice under ice cover. A MacCormack scheme was used to solve the equations numerically. The model was validated with field observations from the Hequ Reach of the Yellow River. Comparison of simulation results with field data indicates that the model is capable of simulating the river ice process with high accuracy.     

Numerical simulation of mechanical breakup of river ice-cover

Ice jams and ice dams in rivers will cause significant rises of water levels. Under extreme conditions, the ice flooding during winter or early spring may occur. In this paper, by considering the fluid-solid coupling effect caused by the water and the ice cover, the mechanisms of the mechanical breakup of the river ice cover are studied. A formula is obtained for determining whether or not the mechanical breakup process would happen under the hydraulic pressure of the flow. Combined with the hydraulic model under the ice covered flow, a numerical model is built and the interaction between the discharge, the hydraulic pressure under the ice cover and the date for the mechanical breakup of the river ice cover is simulated. The simulated results of the dates for the mechanical breakup of the river ice cover agree very well with the field observations of the breakups of the river ice cover in the Hequ Reach of the Yellow River. Therefore, the numerical model might serve as a good preliminary step in studying the breakup of the river ice-cover, evidencing many important parameters that affect the ice-cover process.     

冰期输水研究进展

高纬度寒冷地区的河流在冬季结冰是一种普遍现象。冰块堆积，堵塞和聚集形成的冰坝、冰盖和冰塞会导敛河道阻力增加，致使卜游水位上涨，并可能造成冰期洪水，建筑物破坏，航运不畅等危害。研究河冰形成和演变规律，寻求相出的解决办法保证冰期安全输水成为许多国家关心的重要问题。国内外一些学者通过原型观测，试验和数值模拟的方法对水内冰，岸冰，底冰，冰盖和冰塞的生成和演变，封冻河道的阻力、过流能力和水位变化等有关问题进行『，研究。前苏联，加拿大，北欧等国家和地区结合河冰研究的成果，在引水工程中采取各种有效措施，达到了冬季安全引水的目的，积累了许多有价值的经验。由于河冰问题的复杂性，已有的理论成果和工程经验还很不完善．需要进一步的研究。本文对上述河冰问题的研究成果以及冰期输水的一些工程经验作简单介绍。     

冰期河流弯道冰水动力学行为研究

以黄河什四份子弯道为研究对象,基于2019-2020年度的凌情监测影像及现场试验数据,分析了河流弯道冰水动力学行为特征。结果表明:上宽下窄的河道形态是造成弯道卡冰的主要原因,流凌-封河阶段,弯顶节点工程对水流的顶托作用促进了上游回流区的形成;受弯道离心力作用,河冰聚集于河道凹岸一侧,并在回流区堆积形成冰桥,从而缩小了断面过冰面积,河道逐渐封冻;弯顶下游流速大且来冰量少,形成清沟,主流向河中发展;冰塞堆积于弯顶上游凹岸主河槽内,水流被挤压至凸岸非冰塞区,弯道主流易位;在稳封期,河道冰水动力特征基本不再变化,在解冻开河期,凸岸非冰塞区流速较大,主流区冰盖优先解冻且沿主流输移,回流区冰盖最后消融,河道主流逐渐恢复至畅流阶段,整体呈复归式。     

黄河什四份子弯道河冰生消及冰塞形成过程分析

什四份子弯道因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段易发生冰塞断面。通过对2014—2015年冬季该段野外冰情监测及水文、气象资料分析,结合Landsat8遥感影像数据解译,研究了什四份子弯道河冰生消及冰塞形成过程。结果表明,野外观测结合遥感影像解译能够准确地反映河冰的时空特性。该河段弯道凹岸处冲积岸冰及凸岸静态岸冰的生长,极大地束窄了河面宽度,降低了水流的输冰能力,而使其成为初始卡冰位置;冰盖至此向上游发展,弯道下游因来冰量减少和上下游水力坡度增大而形成清沟;受弯道径向水流方向改变及弯道螺旋流的影响,导致冰花在冰盖下主槽与滩地的交界处堆积;稳封期受气温升降变化使得冰盖表面冻融交替,冲积冰反射率增大,后期解译的遥感影像中平滑岸冰面积较初始封河期增加。     

万家寨引黄工程南干连接段汾河河道冰期输水能力及冰情分析

本文阐述了汾河干流头马营至河岔河段１９９６～１９９７年冰期沿程冰情、水温、流量变化。分析了静乐、河岔水文站在冰期受气温日变化影响的流量日变化规律。分析了１９９６～１９９７年冰情的代表性以及引黄后发生冰塞、冰坝的可能性。用历年汾河上游冰期水文资料，对历年冰期河槽储冰量进行了分析计算，探讨了河槽结冰对流量的影响，最后提出了冰期输水措施和建议。     

春季河道武开河与文开河的判别准则初探

根据春季河道武开河初始发生时的边界约束条件,提出以开河期水位增值作为河道开河方式的判别准则。对于某一特定河段,存在一个高于稳封期最高水位的水位增长值,该值可作为区别武开河与文开河的临界值,其大小近似与稳封期冰盖体最大厚度成正比。应用黄河昭君坟水文站原型观测资料对所提出的判别准则中的参数进行率定,使该准则可以用于河道武开河或文开河的判别。