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。     

模糊优选神经网络BP模型在黄河内蒙段封开河预报中的应用

黄河内蒙段地处黄河流域最北端,由于它特殊的地理位置、水文气象条件、河道特性,几乎年年发生凌汛。在分析凌汛成因影响因素的基础上,选取合适的预报因子,基于模糊优选神经网络BP模型,对黄河内蒙段封河、开河日期进行样本训练和预报方案验证。预报结果表明,模糊优选神经网络冰凌预报模型计算简便,精度良好。     

基于无人机载雷达技术的黄河冰厚监测试验

河道冰厚是黄河防凌研究的重要指标,目前通过人工钻孔或触冰式探地雷达获取黄河冰厚均要求河流稳定封冻,且工作人员必须在冰面上作业。因此,积极探索更加高效的非接触式冰厚获取方法意义重大。利用无人机搭载探地雷达对黄河什四份子弯道冰厚进行探测,通过现场人工钻孔测量冰厚数据反算雷达波在冰层中的传播速度。结果表明,弯道冰厚分布不均匀,凹岸侧冰厚比凸岸侧大;清沟断面最大冰厚91cm,最小冰厚19cm,靠近水面附近冰厚较小;雷达测量与人工测量结果基本吻合,平均误差不超过2cm。实践证明,无人机载雷达回波图可直观地反映空气-冰、冰-水分界面及冰厚情况,且探测方法具有快速、高效、安全等优点。研究结果对于开发黄河冰厚全新化的监测技术具有重要参考价值。     

闸孔出流条件下闸前冰块堆积形态研究

近年来,黄河凌汛灾害频繁发生,对河道建筑物影响巨大。依托黄河内蒙古段实际资料,结合模型试验与理论分析,基于相似原理,采用与冰密度近似的石蜡块作为模型,制定不同的试验方案对闸孔出流条件下冰的运移、水流挟冰能力进行研究;通过物理模型试验,量测不同工况下闸前水流行近流速v_0、冰块稳定堆积长度L、冰块稳定堆积厚度D、冰块过闸临界流速v_e。通过试验量测和数据分析,针对不同闸门开度,对无冰块通过闸门和有冰块通过闸门两种情况下冰块堆积形态进行分析,研究发现不同情况下冰块稳定堆积长度和厚度都有差异。通过物理模型试验建立了弗劳德数Fr与闸门相对开度e/h之间的关系,并得出不同闸门开度对应的冰块过闸临界流速及相应的弗劳德数。     

机载雷达在黄河稳封期冰厚测量中的应用

为提高稳封期河道冰厚的测量效率,利用机载雷达对黄河内蒙古什四份子弯道进行了冰厚测验,并与量冰尺实测冰厚进行了对比。结果表明,什四份子弯道稳封期凹岸一侧冰厚范围在50～90 cm左右,比凸岸一侧冰厚约厚10～30 cm;清沟两侧冰厚分布一致,平均约50 cm,离清沟越近冰厚越小。机载雷达的测冰效果,平封冰盖最好(绝对误差小于5 cm)、立封冰盖次之、堆积冰盖最差,雷达实测冰厚与量冰尺实测冰厚的标准差为0.039 4,随机不确定度为7.88%,满足冰厚观测规范要求。机载雷达能快速对较大尺度的冰厚区域进行连续测量,极大地提升了冰厚的测验效率,可应用于黄河稳封期的冰厚测验。     

黄河内蒙古段冰情预报系统的开发

为了预报黄河内蒙古段的流凌和封开河日期,以多元线性回归理论与人工神经网络理论为基础,设计开发了黄河内蒙古段冰情预报系统预报内蒙古段各个站点的流凌和封开河日期。选用黄河内蒙古段水文、气象和冰情信息建立数据库,应用ADO OLEDB技术调用数据库,建立符合相关性要求的人工神经网络模型和多元线性回归模型,从而实现预报识别检验。使用2003—2004年度至2007—2008年度5年的资料进行预报检验,并与实际开河日期对比分析,预报结果合格率为80%和67.7%,分别达到甲等和丙等预报精度,表明系统可以应用于黄河内蒙古段的冰情预报。     

基于可变模糊综合分析的冰凌预测模型

在分析凌汛成因影响因素的基础上,以可变模糊集理论为核心,采用二元比较法确定指标权重,结合统计相关分析确定预报因子相关程度,提出一种基于可变模糊综合分析的冰凌预测模型。将该模型应用于黄河内蒙古段开河日期的预测,结果表明该模型计算简便,对开河日期的预测具有较高的精度。     

冰波运动特性及盖移质输冰能力研究

冰下盖移质冰颗粒集体运动时易形成一种特殊的冰情现象——冰波，其运动特性与冰塞形成、堆积演变及输冰能力密切相关。为探究冰波运动特性及盖移质输冰能力，借鉴泥沙输移理论，从理论层面建立了冰波运动的基本控制方程与盖移质输冰率方程，进一步推求了无量纲盖移质输冰强度（输冰能力）与水流强度的本构关系。结果表明:冰波形成需要一定的水力条件，冰波波高与背流面波长的变化及表征水流强度的弗劳德数Fr相关，同时也受水深、冰下阻力等因素的综合影响；建立的输冰率公式体现了输冰能力与水流条件的关系，且考虑了冰盖影响，优化了输冰能力的计算结果；总体上，输冰能力与水流强度呈复杂的函数关系，但水流强度仍是体现输冰能力的主要指标与便捷指标。研究结果可为寒区河流输冰能力的计算提供理论参考，同时可辅助揭示河流冰塞的形成机理。     

环翼式防冲板对圆端形桥墩局部冲刷试验及水力特性

由于传统桥墩冲刷防护措施的局限性,引入新型防冲装置-环翼式防冲板,对圆端形桥墩冲刷进行防护,通过减小下降水流改变桥墩周围水流结构,主动降低了下降水流对桥墩的冲刷。为探究环翼式防冲板对圆端形桥墩局部冲刷的防护作用,采用3种比例圆端形桥墩、3种环翼式防冲板安装位置进行物理模型试验,对圆端形桥墩周围的冲坑特征、垂向流速、垂向紊动强度、紊动切应力等水力要素进行研究。结果表明:安装环翼式防冲板后,3种圆端形桥墩冲刷程度均减小,中圆端形桥墩冲刷减小幅度最大,冲坑体积减小率为30.0%;中圆端形桥墩安装环翼式防冲板后,墩前垂向流速减小为0.039m/s、垂向紊动强度减小为0.025m/s;防冲板上垂面紊动切应力增大,板下垂面紊动切应力减小。试验结果表明环翼式防冲板能够减小桥墩的局部冲刷,具有很高的实用价值。     

黄河石嘴山站水沙变化及趋势分析

为探明黄河石嘴山站的来水来沙过程,便于海勃湾水库的水沙调度,根据1951-2016年的水沙数据,采用非线性统计等方法分析了黄河石嘴山站的水沙序列变化及发展趋势。结果表明:石嘴山站水沙年内分配不均匀,20世纪60年代变化剧烈;66a来年径流量与年输沙量均呈显著性减少趋势,且具有正持续性,持续影响时间约8a、10a;水沙序列分别于1986年、1968年发生突变,突变原因与黄河上游大型水库的运用密切相关;龙羊峡、刘家峡水库分别对径流和泥沙的影响显著,二者联合运用后,石嘴山站流量基本处于2 000m3/s以下,水沙分配趋于均匀;不同时期的水沙关系重新调整,但均不显著;石嘴山站多年平均含沙量及多年平均来沙系数均较刘家峡水库运用前明显降低,但在龙、刘两水库联合运用后基本不变。