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。     

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。     

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。     

动水结冰与消融过程试验研究

冰凌是冬季高寒地区一种普遍存在的自然现象,研究其生消演变及其运动规律对防治冰凌灾害具有重要意义。通过设计环形水槽试验装置,针对不同流速和气温在恒温恒湿实验室做了6组试验,对水体结冰期、封冻期和解冻期的试验数据进行分析,对比动水结冰生消演变过程与静水的差异,探究了水体结冰、冰厚演变机理以及在冰盖增长和消融期间水温的变化过程。基于热力学理论,通过分析结冰期历时、结冰期水体总热量的变化、冰花覆盖率、水气热交换、冰气热交换的相互关系,建立了静、动水体结冰期历时的算法。     

南水北调中线总干渠冰情预测模型参数敏感性分析及率定

南水北调中线工程黄河以北总干渠冬季由于受气温的影响,将有不同程度的冰情产生,总干渠将处于无冰、流冰、冰盖下输水等多种复杂运行状态,运行不当则可能发生冰塞、冰坝危害。为了更准确地预测冰情,文章利用详细热量交换法对不同条件下渠道内一维冰盖生消进行数值模拟,根据2012年冬季的冰清观测结果以均方根差最小的原则率定模型参数。随后通过改变反射系数α、云量C、虚拟冰盖厚度Δh、风速Va、折减系数Cc及Ce、初始水温等分析冰盖厚度对于模型参数的敏感性。仿真结果显示,模型参数中反射系数α、虚拟冰盖厚度Δh这两个参数对冰盖厚度影响较大,气温数据中云量C对冰厚结果影响较大,且在高云量区域敏感性为极敏感,这些规律可以为寒区渠道系统冰情预测模型的开发及率定提供参考。     

应用CE-QUAL-W2模型模拟输水明渠冰盖的研究

以宁夏吴忠地区金积供水工程输水明渠为例,应用CE-QUAL-W2模型(二维纵向垂向平均水动力学和水质模型)进行了输水明渠冰期冰盖生消模拟的可行性研究。在此基础上,计算了南水北调中线京石段典型气温过程中不同入流量和水深条件下的冰盖发展过程,同时对模型参数进行了敏感性分析,研究结果表明:气温、入流量、水深、光遮蔽系数和风剪切系数对冰情有不同程度的影响。     

CE-QUAL-W2在输水明渠冰盖计算上的应用

以宁夏吴忠地区金积供水工程输水明渠为例,验证了垂向二维模型CE-QUAL-W2模拟输水明渠冰盖生消的可行性。在此基础上,构建了南水北调京石段输水明渠冰盖模型,模拟了典型气温过程中冰盖在不同输水流量及入流温度条件下的发展过程,模拟结果表明以上因素对冰情的发展有不同程度的影响。     

南水北调中线冬季冰情变化特征及输水能力提升策略研究

南水北调中线工程冰期输水能力受限已成为制约工程安全运行和社会效益发挥的巨大障碍。认识和辨析通水以来中线干渠冬季水温冰情演变规律及影响机理,是中线干渠冬季输水能力提升亟需解决的关键问题。本文基于2011—2023年中线干渠连续12个冬季的气象、水力、冰情等原型观测资料,分析了中线干渠水温冰情时空分布本底和特征规律,明晰了影响中线干渠冰凌生消的关键因素,针对性提出了冬季输水能力提升的相关应对策略。分析表明：通水以来冰情发生的范围和时间相比理论预想偏小、偏短,冰凌影响区为七里河倒虹吸至北拒马河暗渠段,冰塞风险区为滹沱河倒虹吸至北拒马河暗渠段,多年平均冰厚15 cm,历史极端冰塞厚2.9 m,冰凌壅水最高值0.73 m;干渠冬季水温由南向北递减,依次出现岸冰、流冰和冰盖,日均气温转负后相应的断面平均测量水温在2.5、1.0和0.25 ℃左右,且沿程水温下降速率与流量和气温呈负相关,即增大输水流量可减缓水温下降速度;影响冰凌生消的关键因素是气温、流量、太阳辐射和风速,典型年如2016年的严重冰情与1月低累计负积温、大输水流量和短时寒潮叠加有关,漕河等渡槽失温快产冰量大与风速密切相关。基于上述分析,未来可考虑结合气象、水情、冰情实时监测和智能预警预报,建立水温-水量-水力协同调控和动态调度技术体系,重点从缩短冰期输水时长、降低冰情影响范围、优化关键控制指标和挖潜渠道防冰塞性能等多方面全面提升南水北调中线工程冬季输水能力。     

万家寨引黄南干连接段天然河道冰期输水

冰期河道输水的关键是解决河道中的冰凌问题。本文结合冰期输水，重点分析河水的形成条件及冰情形态演变，探讨冰盖形成过程，冰期河道输水能力计算，冰期输水措施及对策等。引黄南干连接河道输水段总长６９ｋｍ，河床冰面宽５０－１００ｍ，多年平均最大冰厚０．５３ｍ，封冻期约两个月，最终引水流量２０．５ｍ＾３／ｓ。     

少资料条件河渠冬季冰情过程模拟研究

针对天然河道开展冰情过程数值模拟普遍存在的河道断面资料、水文和气象资料缺少的难题,本研究提出了时均气温和时均太阳辐射计算方法和支流流量的动态分配方法,即根据实测日最大气温、日最小气温和日净太阳辐射率定出关键影响参数,模拟出给定气象站的时均气温和时均太阳辐射的变化过程;通过上游流量向下游传播过程的特征分析,推演出缺少支流流量条件下河道区间支流流量分配的合理比例。将本文方法应用到黄河内蒙河段冰情过程模拟计算中,模拟的巴彦高勒冰盖厚度值和冰盖前沿的发展同实测值吻合良好。本研究成果可应用到少资料条件下江、河、渠道冰情演变过程的数值模拟中,为天然河道冰情的准确模拟提供方法支撑。     

大庆水库冰表面温度特征及其在冰工程实践应用方法探讨

根据冰面热平衡方程并以大庆红旗泡水库冰面观测的气温、太阳辐射、风速、相对湿度、冰厚数据以及水库附近安达气象站记录的云量、湿度和海平面气压数据,求解了2009/2010年度冬季的冰表面温度,并分析了冰表面温度特征及其同太阳辐射之间的关系、同气温、风速之间的响应关系。在此基础上,就传统考虑的抗冰工程设计所需的设计冰表面温度进行了评估;就日益增加的安全用冰工程设计所需冰表面温度取值也给予定量讨论;对气候变化下的冰内和冰下水体生态适应问题所需的冰面温度日内变化速率和开河期冰凌爆破所需冰表面温度的取值也进行探索。尽管受国际气象资料观测规定的限制,历史资料的应用存在利用接近观测时刻资料的事实,但仍然期望这些分析和讨论能够推动科学地、更广阔地应用冰表面温度。     

雪覆盖下冰盖的热力增厚和消融

雪覆盖下冰盖的热力增厚和消融是急需研究的问题,对于冬季降雪频繁地区开河预报、冰凌洪水风险分析具有重要的实用价值。基于雪盖和冰盖的热力条件是准稳态假设,建立了冰盖热力增厚和消融速率与雪厚、冰厚、大气传递给雪面的净热通量和水体传递给冰底面净热通量的函数关系,包括：太阳辐射、反射和透射,雪面和大气的长波辐射,雪面蒸发-对流,河床地温等因素。提出了雪面温度和冰盖垂向温度分布的理论公式及冰盖热力增厚和消融发展过程的数值计算模型。最后,以黑龙江漠河段实测的冰情为例,验证了所提冰盖热力增厚和消融数学模型的实用性,并分析了一些重要参数随时间的变化特点。     

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。     

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。     

水库淡水冰的晶体和气泡及密度特征分析

对黑龙江红旗泡水库的淡水冰生消过程实施现场观测。分别在冰快速生长期、稳定生长期和融冰期取样,观测其冰晶体、冰内气泡形态及尺寸,并测试冰表观密度,获得了3个冰阶段冰样由表至底的冰晶类型、晶体等效直径、冰内气泡宏观形态、气泡尺寸及百分含量和冰密度。结果表明,冰上层为粒状晶体,中下层为柱状晶体,平均粒径随冰深度增加而增大,但冰晶体不随时间变化;冰生长时冰内上层气泡呈球体,百分含量较高,中下层呈圆柱体,百分含量较低;伴随冰的生长和消融,冰内气泡的尺寸和百分含量呈“变化”势态,而冰密度随冰内气泡百分含量的增加而降低。     

冰下爆破预防冰坝的理论探索及实践

把冰、水、热动力学理论与爆破效果相结合,提出了在冰坝易发点沿深泓线实施冰下爆破形成温度场预防冰坝灾害的理论,包括:爆破时间的选择,爆破孔的布置,爆破效果的估计,温度场水温及下游冰盖下水温的影响长度和冰盖融化速率的计算。黑龙江开江期冰下爆破的实践表明,爆破坑平均直径随炸药量的增加而增加,但在炸药量超过18 kg时,爆破坑平均直径随炸药量的增加变化不大;根据实测单位炸药量破碎的冰盖体积的效果,建议冰下爆破预防冰坝的单孔炸药量应不超过9 kg,包括冰盖厚度超过1 m的情况。     

实测冰-水侧向界面热力学融化速率

在融冰期的乌梁素海人工挖凿开敞水域以模拟浮冰-水道系统,连续观测冰-水侧向界面的热力学侧向融化。根据实测数据,分析冰-水侧向界面的形状变化和影响融化速率的因素。结果显示,冰-水侧面中部形状近似直线,下部呈圆弧状,上部受气温影响向内或向外倾斜。气温是影响融化速率的主要因素,平均气温越高,融化速率越大。风速越大融化速率越低,既表现在高风速与低气温往往同时出现,又表现在风速加速了水体蒸发而降低水温。风拖曳表层水体运动,加速迎风侧水体的热量对流,降低水温,降低融化速率;通过二元回归分析建立融化速率、气温和风速之间的关系的相关关系。     

冰上石笼自然沉排的冰热力学和力学理论及应用

为了有效实施冰上石笼的自然沉排,2020—2021年冬季在黄河什四份子弯道开展了现场试验.综合该冬季气象资料、石笼沉排周边冰面变形观测资料、实测冰厚资料以及以往冰力学成果,得到黄河什四份子石笼自然沉排试验期间的冰-水界面热通量9.06 W/m2和冰层长期载荷下承载力衰减系数0.08,构建包含冰厚、冰温和衰减时间的冰层承...