水冰雪反照率参数化通用模型

对于气候寒冷、降雪频繁的冰封河湖,冰盖和雪盖的反照率对气候和冰厚变化有很大影响。应用Fresnel理论得出纯水和纯水冰可用相同反照率公式计算的结论。基于现有的原型观测资料,提出了水冰反照率参数化通用模型。在此基础上,借鉴CCSM3雪冰日平均反照率参数化模型,提出了水冰雪反照率参数化通用模型。该模型考虑了纬度及地球自转和环绕太阳运行的规律,具有很好的普适性。计算分析表明,纬度和日期对水冰雪日平均反照率有很大影响,反照率大小随日期或月份变化,纬度越高,反照率越大。与冰厚对反照率的影响相比,太阳高度角随纬度和日期变化产生的影响大得多。水冰雪反照率参数化通用模型计算结果与原型观测结果的对比证明,两者吻合较好,而现有常用以冰厚为依据的反照率模型计算结果远远偏离观测结果。     

水塘静水冰生消原型研究与数值模拟

为研究静水冰生长消融规律,2014年11月中旬至2015年3月中旬在内蒙古托克托县南湖水塘进行不同时段、不同水深静水冰生消的原型试验,通过试验观测得到冰盖厚度、水温和冰温随时间及气温变化过程。根据对水塘静水水体结冰和融化物理过程的分析,建立水温及冰盖生长、消融相互作用的耦合模型。结果表明:气温是静水冰盖生消的主要影响因素;在冰盖演变过程中,水深对其影响较小,仅对结冰后期冰厚及冰盖完全消融时间有所影响;表层水温受气温影响明显,深层水温受影响较小;冰面温度与气温变化同步。基于已有的数学模型,加入野外观测边界条件及气-冰-水三态热交换公式,模拟水温及冰盖生长和消融过程,发现冰厚和水温的计算值与实测值基本吻合,差值在波动允许范围内,此结果深化了对静态水域冰盖生效机理的认识。     

黄河内蒙古段冰盖厚度模拟

基于原型观测数据对黄河内蒙古段的冰盖厚度进行模拟,通过引入Colburn类比法计算冰盖下的热通量,在热力学方程中引入河流流量、水流流速、水位河道坡降、冰盖糙率等因素,改进基于Stefan公式的度日法冰厚计算模型。采用巴彦高勒至头道拐河段4个测站的原型观测数据率定该冰厚计算模型的相关参数,并通过气温、水温数据进行冰厚计算。结果表明：改进后的冰厚计算模型在计算结果的精度上达到1.97％,相比于Stefan模型的14.99％、统一度日法模型的4.77％、动水冰厚辐射冰冻度日法模型的14.98％,精度上有所提升,冰厚变化趋势与现场原型观测趋势一致;根据累积气温值与气温序列特征分析2006—2017年的头道拐测站气温数据,提取冬季累积气温值最大的2009—2010年进行冰厚计算,模型计算结果精度为734％。[JP]改进模型在正常天气条件和极端天气条件下的冰厚计算结果均保持较高的精度,研究结果可为极端天气条件下研究区的冰厚计算提供理论依据。     

太阳辐射和地温对冰盖下水温的影响

太阳辐射可以透射穿过雪盖和冰盖与地温一起影响冰下水温的变化,加剧冰盖底部的融解和冲蚀,使得冰盖更易于崩溃开河。基于现有理论和原型观测研究成果,建立了描述太阳辐射在雪盖、冰盖和水体中的透射和吸收规律的数学模型;利用观测数据回归分析的方法,提出了太阳辐射可见光在水体中消光系数的参数化模型;然后研究了冰下水温的变化与太阳辐射和地温的函数关系。研究证实,冰下水温随太阳净辐射和地温的增加而升高,随雪厚和冰厚的增加而下降,并且与水体与冰盖的热交换系数成反比。此外,太阳辐射的透射可能使得开河期冰盖糙率不是减小,而是增大。     

静动水冰厚生长消融全过程的辐射冰冻度-日法预测研究

冰厚计算的传统方法冰冻度-日法具有两个缺点：（1）无法实现对冰盖消融过程的模拟;（2）公式中含有经验参数,需经实测数据校核后,计算结果才较为准确。针对以上两个问题。本文在深入研究不同水流条件下冰盖生长、消融机理的基础上,提出了静水、动水冰厚预测的辐射冰冻度-日法。采用统一的公式描述冰厚生长、消融的全过程,并通过对胜利水库和松花江冰厚生消过程的计算验证了算法的正确性。计算公式中没有经验参数,物理意义明确,适用范围广;静、动水冰厚辐射冰冻度-日法揭示出：（1）冰厚的生消演变主要是气温、辐射和水温综合作用的结果;（2）静水冰厚和动水冰厚生消机理的差别在于水温对静水冰厚的影响极小,可以忽略,而对于动水冰厚则极为重要;（3）辐射是冰厚消融的根本性原因。     

水塘静水冰生消过程及冰盖演变的原型试验

为研究静水冰生消过程及冰盖演变规律,于2014年11月中旬至2015年3月中旬对内蒙古自治区托克托县南湖水塘的冰情变化进行原型试验,研究不同时段气温、不同水深对静水冰生消过程、冰盖演变及水温分布、冰面温度的影响。试验结果表明:气温是影响静水冰情的主要因素,在冰盖增长期,冰厚与累积日均负气温线性相关;冰盖不稳定变化期和消融后期,冰厚及冰盖增长率主要受时段气温影响;水深对最大冰厚和冰融化消失时间有影响,对冰盖演变过程的影响不明显;气温变化对表层水温的影响较大,对深层水温的影响相对较小;冰面温度与气温变化同步。     

用气温和冰厚修正黄河冰内雷达波速的物理机理和参数化

黄河平封冰和立封冰中冰晶体间以水膜形式存在有未冻结的自由水和非自由水,其含量随冰温变化。理论上冰内雷达波速取决于冰体自身的晶体结构和组分,但冰内未冻水含量可对其产生明显的影响;冰内未冻水含量取决于冰温,冰温又受控于气温、辐射和冰厚。分析了黄河什四份子2020—2021年冬季气温和雷达探测冰厚数据,发现气温主导的未冻水含量变化是影响雷达准确探测平封冰厚度的首要因子。通过确定黄河冰-水界面热通量,并引入含有气温、辐射、风速、云量的一维冰热力学模型,结合13个钻孔实测冰厚,计算了与雷达探测冰厚时刻一致的1251个热力学模拟冰厚。在此基础上,分别获得了气温升高过程和降低过程中粒状冰、柱状冰内雷达波速受气温影响以及受气温和冰厚联合影响的统计关系。最终确定将气温和冰厚对雷达波速联合影响的统计关系作为平封冰雷达波速动态修正的参数化方案,依此将固定式雷达冰内雷达波速由常数更换为函数,从而提高了平封冰雷达冰厚探测的精度。根据黄河存在非冻结冰花和堆积碎冰块,建议开展不同类型冰厚探测研究。     

遮帘式板桩码头变形机制有限元分析

遮帘桩作为新型的支护结构作用在板桩码头结构上,造成常规板桩码头结构发生变形,现有的理论计算方法还不能完全反映其变形机制。借助ABAQUS通用有限元软件,结合工程实例,进行了二维及三维数值计算,计算结果表明:①对比数值计算结果与原型观测试验,模拟的结构变形与原型观测结果相仿,前墙上水平位移沿深度方向呈抛物线变化,而遮帘桩、锚碇墙上水平位移沿深度方向大致呈线性分布,竖向沉降与原型观测结果相似;②比较三维模型中间桩、边桩断面和原型观测上水平位移,前墙受遮帘桩影响,存在明显的遮帘效应。     

寒区水塘冰盖生长和消融分析

冰盖厚度是冰工程研究中最重要的特征参数之一。为明晰寒区静冰生长和消融的过程,准确计算冰盖厚度,通过分析影响静冰生消的各热力过程,建立了生长期和消融期冰厚计算的热力学模型,采用黑龙江省青花湖8号水塘的冰情观测数据对冰厚计算模型进行了验证,并分析了塘冰温度链观测数据。结果表明:提出的冰厚计算模型可用于精确预测冰盖厚度的生消过程;通过回归分析得到了表面冰温随气温和风速变化的表达式;冰层内的冰温变化与气温波动存在一定的响应关系,且随着冰深增加,冰温波动幅度减小;在冰盖生长期,冰下水体持续降温,随着水深的增加,水温变化速率逐渐减小;在冰盖消融期,水温先缓慢回升随后快速升高,最大升温速率可达0.13℃/d。研究成果可为寒区静冰生消分析及冰厚计算提供科学依据。     

利用水位变化的黑龙江开河方式和开河日期预报

天然河道发生武开河时容易产生冰塞冰坝,造成凌汛灾害。在分析破冰水位和实测日水位的基础上,提前准确预报开河方式和开河日期并及时采取相应防范技术,是防凌减灾的一项重要非工程措施。基于冰盖挠度破坏原理,在利用水位变化判断开河模式的研究基础上将一维冰厚模型的度日法进行优化,计算河道冰厚变化,预报2015—2018年黑龙江开河方式及开河日期。结果表明:开河日期预报除2017年预报值和实测值误差1天,其余年份均完全相同;开河方式预报除因2018年开河水位过低导致水动力不足影响到预报的准确度外,其余年份预报值和实测值相同。     

冰水情一体化双频雷达测量系统

针对单频雷达在冰厚和水深同时测量中的缺点,提出了以100 MHz和1500 MHz雷达为基础的冰水情一体化双频雷达测量系统,并通过RTK系统实时采集测点的经纬度坐标。该系统通过交替工作周期为15 ms的分时工作来避免不同频率雷达间的相互干扰,利用冰厚和水深综合探测时在时间上表现为相邻道号数据振幅稳定、渐变的特点,采用相关性层位追踪算法提高测量的准确性。在我国纬度最高的黑龙江漠河段,通过21个水深和19个冰厚测点与传统观测方法进行了对比验证,并通过原型观测应用支撑了黑龙江龙岛码头河段春季的防凌爆破。结果表明基于双频雷达的冰水情一体化系统可大幅提高冰水情野外原型观测的效率,为长河段的冰厚、水深测量提供新的手段。     

张峰水库大坝坝体应力应变参数反演计算

本文首先对张峰水库大坝原型沉降观测资料进行进一步分析,按照与数值计算进行对比的思路进行重新整理;然后建立数值计算模型,采用初始参数进行坝体各分级情况下变形场计算;再将计算结果与原型观测资料进行对比,不符合时采用优化方法调整参数,直到计算结果与原型观测资料基本相符为止。     

萨彦舒申斯克水电站坝基应力应变状态对渗流参数的影响

为评价萨彦舒申斯克水电站复杂的应力应变状态对坝基渗流参数的影响 ,对坝基进行原型观测 ,并根据原型观测的结果 ,对几个坝段行了相似模拟分析计算。     

汤旺河五营站开河日期预报方法分析

根据影响河流解冻开河因素的组成和作用机理等情况,选择实例原始观测数据,利用基层水文部门现有分析手段,采用回归方程模型法对实例测站的开河日期进行了历史拟合预报分析,对该流域河流开河日期预报工作做了初步尝试。经实例计算分析,预报结果合格率满足相关规范精度要,。最后,根据实际工作需要和预报模型的特点,提出了在模型使用中须要注意的问题。     

张家口市区河道最大冰厚预测

分析最大冰厚的影响因素及计算方法,以累积日平均负气温为基础,对张家口市区河道最大冰厚进行预测,计算成果与实际观测资料相比精度较高,可以作为张家口市区河道最大冰厚推求的依据。     

基于数据同化校正参数的河流磷迁移估计研究

通过磷迁移数学模型合理估计磷在河流中的时空分布,对防治水体富营养化,抑制水华暴发具有重要的科学和工程意义。数据同化方法可以将模型和观测两种研究手段有机地结合起来,将观测数据融入模型,优化模型状态变量,校正模型参数,进而提高数学模型的模拟预报精度,并依托物联网技术将传统数学模型发展为实时数学模型。本文将粒子滤波数据同化算法引入到水动力-泥沙-磷迁移模型中,以实测的断面磷含量作为观测数据,在观测时刻优化磷含量估计结果,同时校正模型参数磷相平衡分配系数Kd,构建了水动力-泥沙-磷迁移模型同化系统。将其应用于长江上游寸滩至坝前河段的计算结果表明,所构建的同化系统在真实的河流中计算效果良好,可以有效地优化更新状态变量各相磷含量浓度,并反演出模型参数Kd随水沙水环境条件变化的动态变化过程,同化之后模型模拟预报磷输移过程的精度显著提升,为水质实时模型打下基础。     

三峡等工程导流的模型与原型观测成果比较

叙述了三峡等工程导流模型试验和原型观测结果的比较。文中就三峡等工程50年来模型试验与原型观测对一些水流要素如水位、流量、水面线、动水压力、流速、流态、主流位置、回流范围、波浪、水跃形态、船舶行驶等一一作了比较。结果表明,计算、模型与原型的成果基本一致,在流速、流态、回流、泄流量、水位等方面模型能复演原型,对受比尺影响复演有困难的（如水浪、水雾、冲坑形状等）也作了阐述。     

气温变化对黄河封河期冰厚的影响分析

为分析黄河封河期气温变化对河冰厚度的影响,基于冰与水的导电特性差异性原理,建立了冰情自动监测系统,于2014年对黄河三湖河口水文站、包头水文站、头道拐水文站和万家寨水库库尾河段4个监测点封河期气温与冰厚进行了连续自动监测。监测结果表明,三湖河口水文站与头道拐水文站监测得到的数据客观上反映了负积温同冰厚的关系,引入斯蒂夫模型,建立了黄河封河期负积温变化与冰厚变化的经验关系式。     

基于Max-Stable模型的海河流域气候极值变化特征

为了解在全球变暖的背景下海河流域对气候极端事件的响应,基于海河流域1961-2016年气温与降水数据,使用RClimDex模型、MK趋势检验、Max-Stable模型对海河流域气候极值进行建模分析,研究海河流域气温极值、降水极值不同重现期的时空分布、变化特征。结果表明:海河流域温度极值TXx在空间上表现出从北向南递减趋势,值域为30～40℃,其中36～40℃占大部分地区。TXx在南方呈降低趋势,北方呈上升趋势。降水极值RX1day空间上表现出从东南向西北方向递减的趋势,值域为50～100mm,其中60～90mm占据绝大部分区域。RX1day整体呈下降趋势,其中渤海地区RX1day下降趋势最大。海河流域GEV模型拟合结果表明,海河流域气温极值主要受纬度、海拔影响,随纬度、海拔增加而降低,其变化波动为北方强于南方。降水极值RX1day受海拔和经度影响较大,主要表现为随海拔增大而下降的空间分布,其次表现为随经度变化由西向东递增的空间分布,其变化波动随海拔升高而降低。通过Q-Q百分位图、非参数极值系数θ、GEV与Max-Stable参数和重现期强度散点图判定系数R2,确定Max-Stable模型可以很好地模拟海河流域气候极值,达到GEV模型同等效果。气候极值TXx与RX1day主要受到纬度、经度和海拔的影响,但距海岸距离的加入仅可以优化TXx模型的建立。2年、10年、50年、100年一遇气温极值TXx的空间分布均表现为自东北向西南递增的分布模式,高值区均分布于西南大部一带,最高温度达40～44℃。2年、10年、50年、100年一遇降水极值TX1day的空间分布主要受纬度影响,其次受经度和海拔的影响,均表现为从西南偏中向北方递减,高值区分布在西南偏中一带,最大降水量达80～200mm。     

湖冰侧、底部融化现场观测与热力学分析

为深入了解湖冰在弱水动力条件下消融的热力学过程,在融冰期对乌梁素海湖开敞水域处冰层开展侧、底部消融的原位测量,并观测了太阳辐射、气/冰/水/泥温和风等气象及水文要素。观测结果表明冰层侧壁随深度增加逐渐向内侧倾斜融化,冰层厚度逐渐减薄;开敞水域处水温和冰温均呈分层变化,上层水温和冰温日变化幅度较大。通过分析冰层侧、底部融化速率与气象及水文要素之间的变化关系,建立了用净太阳辐照度和水温来表达融化速率的参数化模型。冰底热通量是一项重要的热力学参数,基于冰底薄层的能量平衡,利用观测数据确定了开敞水域处冰层的平均冰底热通量,为11.47~135.61W·m~(-2),表明冰下水体不断向冰层传递热量。