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。     

大清河系观测河段及南水北调 中线方案冰情计算分析①

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０．０２～０．０３，有冰盖时糙率增加到０．０３～０．０４；假定不出现冰情，观测河段水位将下降０．１～０．４ 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。     

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.     

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。     

长距离明渠系统反向输水冰情模拟

针对长距离明渠-闸门-泵站系统冬季反向输水可能出现的冰问题,以南水北调来水调入密云水库调蓄工程为研究对象,升级开发了调水工程冬季输水冰情数值模拟平台。根据实测气象资料和设计资料,对冰情数学模型中的相关参数进行了率定和检验。在此基础上,研究了冰期明渠反向安全输水的水力约束条件,通过模拟调蓄工程典型气温年工况下畅流期、冰盖形成期、稳封期、消融期等冰情演变过程,分析了反向输水的输水能力和冰情特性,并与正向冰期输水能力进行了对比。计算表明,通过控制抽水流量使各渠段泵吸水口拦冰(拦污)设施、倒虹吸或闸门位置处断面佛汝德数满足快速成冰的约束条件,可以保证反向输水;典型年气温下沿程冰厚略小于正向输水工况,且形成冰盖时最大水位波动为0.35 m;从冰封起始的12月中旬提前1~2周启动冬季输水运行工况较为适宜。研究成果可供决策管理部门在冰期制定北京多水源联合调度方案时参考。     

长距离渠系融冰期自动化控制模式研究

开河前,冰盖糙率增加造成渠道水位上涨,有武开河的可能,易形成冰坝;开河时的水力半径和综合糙率突变造成渠道水位陡降,存在渠道衬砌破坏的危险。本文通过分析渠系融冰期的水力响应特性,从渠系运行安全(水位波动幅度和波动速率较小)角度提出渠系融冰期安全输水模式——适时适量的调节各分水口取水量,基于冰情预报建立了渠系融冰期自动化控制管理模型。该模型在渠系安全高效运行的基础上可加快渠系由冰期输水转为正常输水的过程,增大了渠系的输水效益。融冰期的冰盖糙率变化过程是影响渠系水位波动和流量调节量的重要因素,需要通过不同气象条件和流量下的详细原型观测进行分析。     

河冰数学模拟研究综述

随着计算机的发展和对冰情物理现象认识的加深，人们对洒冰动态发展过程的数学模型不断地进行完善。近几年来，国内外许多科学工作者根据的假设提出了许多河冰动态过程的数学模型，现有的河不流模型、热力模型和冰冻模型，以及冰盖糙率和冰期河道综合糙率的各种计算方法。水力模型用于计算河道中流场和其他不力要素；热力模型用于计算水体热交换，水温和水内冰浓度分布；冰冻模型用于模拟冰盖的产生、发展和消融过程。     

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。     

南水北调中线2014~2015年度冬季冰情原型观测

2014年底,南水北调中线干线工程全线正式通水,冬季冰期输水面临渠道结冰问题。为研究中线干线冬季冰期安全输水问题,于2014~2015年度冬季开展了冰情原型观测,获得了冬季冰期输水的水力参数、气象参数和冰情特征等第一手现场数据,掌握了暖冬气候条件、小流量输水工况下中线干线结冰、封冻和开河过程的基本规律。为中线工程冬季安全输水运行积累了经验,可为制定冰期调度方案和编制防凌减灾措施提供依据。     

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。     

新疆输水工程冰害防治研究与展望

新疆地处中国西北部,其特殊的气候、地理及水文特征,导致输水工程出现严重的冰害问题。该文概括地阐述了新疆输水工程产生冰害的原因,以及冰害在输水建筑物渠首、渠道表现出的不同冰害类型。提出了修建蓄冰库、结冰盖运行、增加水温或增加压力水射流融冰、输冰以及排冰等工程技术措施。目前取得的防治冰害的工程技术措施,基本满足近期冰害的防治问题,但随着新疆大规模调水工程的实施,输水工程冰害的防治问题不可忽视,水利科技工作者面临着新的冰害防治问题需要研究。     

水内冰冰塞堆积演变的研究

本文根据黄河河曲段六年的冰情资料，分析研究了该河段冰塞演变及冰期水位变化的规律，建立了冰塞运动有关参数的关系式，在此基础上，对实验室模拟冰塞的运动进行了分析研究。研究表明：实验室模拟冰塞的演变规律与天然冰塞的演变规律相似。     

凌汛危害及其防护措施

凌汛在冬春季节江河水充受冰凌阻碍而引起的涨水现象，凌汛的发生与江河所处的地理位置密切相关，由于河流下游段的纬度高于上游段，因而产生封冻时下段早于上段，解冻时下段迟于上段，再加上江河中一些河段弯曲狭窄，在封冻流冰期，易开成冰塞洪水；在解冻流冰期；易产生冰坝洪水，其结果轻则漫滩，重者决堤成灾，造成很大灾害。我国在防凌汛洪水措施方面积累了较丰富的经验，在实路中逐步认识到凌汛的产生是由于热力和动力因素共同     

Revisit submergence of ice blocks in front of ice cover–an experimental study

The present paper studies the stabilities of ice blocks in front of an ice cover based on experiments carried out in laboratory by using four types of ice blocks with different dimensions. The forces acting on the ice blocks in front of the ice cover are analyzed. The critical criteria for the entrainment of ice blocks in front of the ice cover are established by considering the drag force caused by the flowing water, the collision force, and the hydraulic pressure force. Formula for determining whether or not an ice block will be entrained under the ice cover is derived. All three dimensions of the ice block are considered in the proposed formula. The velocities calculated by using the developed formula are compared with those of calculated by other formulas proposed by other researchers, as well as the measured flow velocities for the entrainment of ice blocks in laboratory. The fitting values obtained by using the derived formula agree well with the experimental results.     

试论冰水力学模型的相似律

本文从近几年来对冰水力学的研究中认为：浮冰运动与推移质泥沙运动规律相似性出发，根据力的平衡原理，提出了冰水力学模型中的水流运动，漂移质运动的相似关系式，进而提出在水流运动相似条件下，初春开河期大尺度冰块及初冬流凌期小尺度冰冻化的两种情况下输冰相似关系式，也得到冰流量的关系式。     

河流冰塞的形成与壅水计算

我国北方河流,冬季普遍存在着冰情现象,依据成因不同,将河流冰盖分为热力冰盖和动力冰盖2种.河流冰情分为3种类型,第一种形成热力冰盖,第二种形成动力冰盖,即冰塞,第三种流冰花但不封河.冰塞可分为头部段、稳定段和尾部段3部分,其中冰塞稳定段的水流状态近似于管流,基于管流理论,依据黄河万家寨水库实测冰塞资料时形成冰塞稳定段的各种水力要素进行相关分析,推导出水库冰塞的计算方法.从验证计算和合理性检验两方面看,该方法的计算结果比较合理,可用于计算水库冰塞.     

万家寨水库冰情浅议

由于万家寨水库蓄水，库区河道庙不封河转为稳定封冻河段，回水末端到拐上河段受冰花、冰块阻水影响水位壅高，交通水泥厂断面最高壅水6．5m，超过水库设计回水淹没线。作者在现场观察基础上，结合万家寨水库实测冰情资料，对万家寨水库封、开河情况进行了介绍，就流量、流冰密度、库水位及地形等因素对封、开河过程及壅水程度的影响进行了分析。     

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。     

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。     

大顶子山航电枢纽工程施工期冰凌问题分析

本文结合大顶子山航电枢纽工程施工导流方案．对流冰期可能出现的各种不利于施工的危害性冰情现象进行了分析．提出了排冰措施。