基于分形理论的冰下水流流速垂线分布研究

冰下水流流速分布是冰凌生消、泥沙输移、河床演变及冰期输水的重要参考依据,基于分形理论,在前人的研究基础上,研究了冰下水流流速垂线分布规律。结果表明,依托明渠水流的若干成果,从分形理论出发,基于Einstein假定,可推出已有冰下不同形式的流速垂线分布公式;理论分析认为,冰下分区水流流速分布近似镜像,均具有分形特征,可用双对数公式表达,实测结果证明,对于弯曲河道,水流核心区流速分布均匀,并不服从对数分布,公式在运用时需考虑适用性或引入因子项;稳封期,冰盖区水流流速分布的分维值大于河床区,流速分布更均匀,而在弯道卡冰区域,由于弯道冰下水流结构的复杂性,河床区水流流速分布的分维值无规律。对冰下水流流速的研究,拓展了分形理论在水流流速垂线分布研究方面的应用成果,概化的冰下水流结构,对工程运用有一定借鉴意义。     

黄河内蒙古河段冰凌时空分布特性分析

基于黄河内蒙古段系列历史冰情资料,利用小波分析方法对冰期气温、冰期径流、流凌日期、封河日期、开河日期进行了多时间尺度分析。结果表明:巴彦高勒、三湖河口、头道拐三站的冰期气温总体呈上升的变化规律,并且三站的冰期气温变化趋势一致,黄河内蒙古段冰期气温存在15 a左右的周期;实测径流在分析序列中不存在显著周期;三站流凌日期和封河日期整体上推迟,开河日期提前,封冻时间缩短;流凌日期存在12 a左右的周期,封河日期和开河日期不存在显著强周期。     

黄河内蒙古段冰情的自适应神经网络预报

运用数理统计理论的互相关分析方法,对黄河内蒙古段冰情信息时间序列进行分析,筛选出了冰情信息的预报因子,建立了冰情预报的自适应BP神经网络模型。预报结果表明:流凌日期为乙等预报方案,封河日期为甲等预报方案,开河日期为丙等预报方案。     

黄河什四份子弯道冰期水流及冰塞特征研究

覆冰条件下,弯道水流固有的三维特性更为复杂,对河流弯道冰下水流特征及冰塞的研究有助于推进防凌减灾工作。依据2020年1月稳封期的原型观测数据,对黄河什四份子弯道冰下水流及冰塞特征进行了详细分析。结果表明,弯顶节点工程引起的回流是阻冰的重要条件,上游下潜的冰花因水动力不足及河势等因素影响发生堆积,冰塞在弯内形成并沿凹岸主槽逐渐向上游发展,同时,弯顶卡冰封河与下游较大的水流流速,促进了清沟的形成;入弯至弯顶区间,冰下水流流速垂线分布基本服从双对数分布规律;受凹岸冰塞及回流影响,纵向上,水流流速呈减小趋势,在弯顶附近开始恢复;径向上,河道主流被冰塞压迫并逐渐趋于凸岸,致使弯道主流易位,凸岸水流流速大于凹岸,清沟向凸岸偏移;弯道水流湍动能与雷诺应力主要在近底处存在较大的变幅,表明近底水流运动活跃,且二者大小与流速大小在径向与纵向分布上具有较好的一致性,受冰盖影响,水流湍动能沿水深近似呈"S"形分布,雷诺应力分布无明显规律。     

基于模糊识别人工神经网络的冰凌预报模型

黄河内蒙古段地处黄河流域最北端,由于它的特殊地理位置、水文气象条件、河道特性,几乎每年产生凌汛。在分析影响凌汛成因因素的基础上,选取合适的预报因子,基于模糊识别人工神经网络BP模型,提出冰凌预报方法,应用于黄河内蒙段封河、开河日期的预报。结果表明,计算简便,精度良好。     

冰凌预报模糊优选神经网络BP方法

黄河内蒙段地处黄河流域最北端，由于它的特殊地理位置、水文气象条件、河道特性，几乎每年产生凌汛。本文在分析影响凌汛成因因素的基础上，选取合适的预报因子，基于模糊优选神经网络BP模型，提出冰凌预报方法，应用于黄河内蒙段封河、开河日期的预报。结果表明，计算简便，精度良好。     

黄河万家寨河段河冰冰厚遥感提取及年内变化特征分析

冰凌观测是防凌的前提,是冰凌研究的基础,因此全面准确的冰凌观测可为科学防凌提供可靠的依据。为此,以黄河万家寨库区河段为例,通过冰厚反演算法对其冰厚数据进行遥感反演,利用Lebedev模型对反演结果进行验证,并对结果进行年内变化特征分析。结果表明,卫星遥感反演结果与实测及模型验证结果接近,相关系数为0.8;冰厚演变总体呈成冰、流凌、初封、稳封、融冰、开河的生消演变过程。反演冰厚结果可为黄河内蒙段防凌减灾等实际工作提供参考依据。     

黄河下游冬季极端低温变化特征及对凌情的影响研究

为研究黄河下游冬季极端低温变化规律及其对凌情的影响情况,利用黄河下游3个气象站1951—2017年逐日最高、最低气温序列资料,计算出霜冻日数、结冰日数、冷昼日数、冷夜日数、寒潮持续日数、月最低气温极大值和极小值等7个极端低温指数的年际序列,应用线性倾向估计法、累积距平、Mann-Kendall检验、小波分析和相关性分析等方法分析近67年来各极端低温指数的变化规律及其与凌情特征值间的相关性。结果表明:霜冻日数(FD0)、结冰日数(ID0)、冷昼日数(TX10p)、冷夜日数(TN10p)、寒潮持续日数(CSDI)分别以2.5 d/10 a、1.4 d/10 a、1.4 d/10 a、2.2 d/10 a、1.1 d/10 a的速率显著下降(P0.01);月最低气温极大值(TNx)和月最低气温极小值(TNn)分别以0.44℃/10 a、0.62℃/10 a的速率显著上升(P0.01);极端低温指数的突变年份集中在20世纪80年代,在近67 a时间尺度上极端低温各项指数的显著周期集中于9～14 a。结冰日数、冷夜日数及月最低气温极小值与凌情特征值之间为强相关性,可以作为识别黄河下游凌情严重程度的敏感因子。研究结果可为黄河下游地区应对气候变化和滩区防凌保安提供参考。     

基于多波段遥感数据的库区水深反演研究

遥感反演是一种水深量测新方法,应用在库区水深量测对水库运行调度、库区淤积研究等均有着积极的作用。针对统计相关分析法中单点量测水深值代表遥感像元对应水深值这一缺陷,本文提出使用同像元多测点数据表征像元对应水深值的方法。以内蒙古海勃湾水库为研究区域,通过表征水深值与各波段组合的相关性选取水深反演因子,建立线性、二次、指数3种形式15组双波段模型与5组不同个数反演因子的多波段模型,从中遴选出较优的5个反演模型,使用未参与建模的检查点样本进行模型精度检验,通过检验结果进行模型比对。结果表明:海勃湾水库水深反演最优反演模型是由12个反演因子建立的多波段反演模型,其平均绝对误差为0.68 m,占平均水深的13.59%。结合遥感周期短、成本低的特点,该方法在一定程度上可以应用于实际,但泥沙含量大与靠近陆地的水域水深反演效果较差。     

冻融作用对岸坡土体宏微观特性及岸坡稳定性影响研究

冻融作用是季冻区岸坡失稳破坏的主要原因。以黄河内蒙古什四份子弯道岸坡土体为对象,通过三轴剪切和扫描电镜试验,研究了冻融作用下岸坡土体的宏观和微观特性,并基于强度折减法,对冻融前后岸坡稳定性进行了分析。结果表明：随冻融循环次数增加,土体弹性模量、黏聚力和抗剪强度均呈减小趋势,其中弹性模量大小与含水率成反比,黏聚力在15次冻融后降幅达43.6%～60.04%,内摩擦角无明显变化规律;冻融后土体颗粒真圆度和孔隙概率熵随冻融次数增加先下降后上升,颗粒分形维度变化趋势与之相反,土体定向性和孔隙率呈增大趋势;黏聚力与土体孔隙率和颗粒真圆度相关,特别是与孔隙率呈高度负相关性,且土体微观参数间有明显的自相关性;冻融后岸坡稳定安全系数降幅达41.8%,说明冻融作用会显著降低岸坡稳定性,冻融后岸坡易发生失稳破坏。