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。     

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。     

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。     

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。     

冰盖生长和消融的实验研究与数值模拟

为研究冰盖生长和消融的规律,在实验室内设计了水体结冰实验.通过实验得到冰盖厚度、水温和冰内温度随时间的变化过程.根据对水体结冰和融化物理过程的分析,建立水温与冰盖生长、消融相互作用的耦合模型.采用耦合模型来模拟水体结冰和融化过程,通过对模拟结果与实测结果的对比,发现冰厚和水温的计算值与实测值基本吻合.此结果为研究高海拔、高纬度地区封冻水库的结冰机制及冰盖下的水温时空分布提供重要理论基础.     

寒区水库冰盖形成与消融机理分析

根据对黑龙江省胜利水库冬季冰盖十余年资料的研究，考虑冰盖与大气、水的热交换过程及水库水温变化对冰盖厚度的影响等因素，建立了寒区水库冰盖生长的一维数值模型并给出了求解方法。与传统经验法相比，此模型考虑因素多，计算结果更符合实际，精度较高。同时还探讨了水库冰盖消融阶段冰压力沿深度分布规律、累积日平均气温与冰厚的关系和水库开库方式与累积气温的关系等。     

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。     

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。     

冰温度膨胀力室内模拟及影响因素试验研究

东北地区冬季气候寒冷,河渠、水库等水工建筑物在冬季由于结冰形成的冰盖会产生作用于水工建筑物上的静冰荷载。随着温度升高,冰盖板产生冰温度膨胀力,会对野外水工建筑物造成破坏。由于野外观测周期长,且多种条件限制野外实地观测,因此,为了研究冰盖的冰温度膨胀力及其相关影响因素,在低温环境模拟实验池内进行了冰温度膨胀力室内模拟试验,并对冰温、冰厚等相关影响因素进行了分析。结果表明:冰温度膨胀力产生于气温升高阶段,且随着温度的升高,冰温度膨胀力呈增大趋势。冰温度膨胀力发展到峰值时,对应冰温为?1.9 ℃,环境温度接近0 ℃,与野外实际观测结果相符。室内试验的最大冰温度膨胀力为118.7 kPa,试验的最大冰厚为10.65 cm,冰温度膨胀力的最大峰值出现在冰盖板的3.5 cm处,表明冰温度膨胀力的作用点在最大冰厚的1/3处,且冰温度膨胀力沿冰厚呈先增大后减小的分布。     

冰温度膨胀力室内模拟及影响因素试验研究

东北地区冬季气候寒冷,河渠、水库等水工建筑物在冬季由于结冰形成的冰盖会产生作用于水工建筑物上的静冰荷载。随着温度升高,冰盖板产生冰温度膨胀力,会对野外水工建筑物造成破坏。由于野外观测周期长,且多种条件限制野外实地观测,因此,为了研究冰盖的冰温度膨胀力及其相关影响因素,在低温环境模拟实验池内进行了冰温度膨胀力室内模拟试验,并对冰温、冰厚等相关影响因素进行了分析。结果表明:冰温度膨胀力产生于气温升高阶段,且随着温度的升高,冰温度膨胀力呈增大趋势。冰温度膨胀力发展到峰值时,对应冰温为-1.9℃,环境温度接近0℃,与野外实际观测结果相符。室内试验的最大冰温度膨胀力为118.7 kPa,试验的最大冰厚为10.65 cm,冰温度膨胀力的最大峰值出现在冰盖板的3.5 cm处,表明冰温度膨胀力的作用点在最大冰厚的1/3处,且冰温度膨胀力沿冰厚呈先增大后减小的分布。     

乌鲁木齐河流冰椎的形成特征及其分布

通过对河冰椎多年系统观测，对比分析其形成和发育大致经过冰椎形成、发育、稳定、融化冻结和消亡５个阶段；出山口以上冰椎储量通常可达１７８２×１０６ｍ３，折合径流量为１５３１×１０６ｍ３；冰椎与稳定负温期的积温－ｔ℃及水源补给形式有较高的相关性，为人工调蓄利用冰椎提供了科学依据     

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。     

利用探地雷达探测黄河弯道及桥墩周围冰层厚度

黄河河道冻结结冰过程是黄河防凌汛研究的一个重点,进行弯道和桥墩周围冰层厚度的探测对防治冰凌灾害具有重要的意义。探地雷达对冰厚探测具有便携、高效、连续、快速、实时等优势。雷达天线的频率决定雷达波的穿透深度和分辨率。从雷达图像上可以清楚的识别空气-冰界面和冰-水界面。通过现场打孔测量冰厚数据反算雷达波在冰层中的传播速度进一步提高了测量结果的准确性。测量结果清楚的显示了弯道及桥墩处冰厚分布不均匀。桥墩北侧冰层较厚,弯道主河道处冰层较厚。200 MHz天线的探地雷达可以穿透黄河冰层,雷达图像可以清楚地显示冰-水界面。冰层厚度测量为分析黄河冰的冻结、融化过程以及冬春开河期冰塞、冰坝的治理提供了基础数据。     

双缆网式拦冰索布设间距研究

南水北调中线工程自丹江口水库向北京、天津方向输水,冬季南北冻融不同步将可能会导致严重冰情的出现。同时,南水北调中线工程由串联渠池组成,为降低下游渠池发生冰害的可能性,实现南水北调中线工程各渠池冰凌"自产自销",在物理模型试验的基础上,研发了双缆网式新型拦冰索。现重点在新型拦冰索拦冰效果研究的基础上,结合冰水力学相关理论,对新型拦冰索有效拦冰距离的计算方法进行探讨,并结合南水北调中线工程的特点,研究了新型拦冰索的布设间距。研究认为:拦冰索拦滞的加厚冰盖极限长度以及有效拦冰距离均随锚固位置与水面距离的增大而减小、随加厚冰盖糙率的增大而减小、随冰凌厚度的增加而减小;当冰凌厚度较大时,冰凌不再下潜,形成平铺冰盖,此时拦冰索拦滞的加厚冰盖极限长度与有效拦冰距离相等。对于南水北调中线工程总干渠典型渠段,在极端气候条件下,拦冰索的布设间距以4～6km为宜。     

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。     

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。     

长距离输水渠道冰期运行控制研究

高纬度地区的渠道在冬季往往采用冰盖下输水,保证冰盖的稳定性是渠道冬季安全输水的前提条件。目前,渠道在冬季的运行控制多依靠经验,开展长距离渠道冰期运行控制研究对实现冰期安全输水是十分重要的。利用数值模拟的方法分析了长距离输水渠道的冰情和水情的变化过程,根据渠道内的冰情演变特性,提出冬季渠道应采用闸前常水位方式运行。鉴于气象预报以及冰情预报可能存在的不确定性,提出采用水位-流量串级的反馈控制算法,建立了渠道冰期运行控制模型,并在控制器内加入解耦环节,以提高渠道的控制效果。并通过南水北调中线干渠的数值模拟实验,对渠道冰期运行控制模型的控制效果进行了验证。结果表明,该冰期运行控制模型可以实现渠道冬季安全、适时、适量的供水目标。