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。     

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。     

用气温和冰厚修正黄河冰内雷达波速的物理机理和参数化

黄河平封冰和立封冰中冰晶体间以水膜形式存在有未冻结的自由水和非自由水,其含量随冰温变化。理论上冰内雷达波速取决于冰体自身的晶体结构和组分,但冰内未冻水含量可对其产生明显的影响;冰内未冻水含量取决于冰温,冰温又受控于气温、辐射和冰厚。分析了黄河什四份子2020—2021年冬季气温和雷达探测冰厚数据,发现气温主导的未冻水含量变化是影响雷达准确探测平封冰厚度的首要因子。通过确定黄河冰-水界面热通量,并引入含有气温、辐射、风速、云量的一维冰热力学模型,结合13个钻孔实测冰厚,计算了与雷达探测冰厚时刻一致的1251个热力学模拟冰厚。在此基础上,分别获得了气温升高过程和降低过程中粒状冰、柱状冰内雷达波速受气温影响以及受气温和冰厚联合影响的统计关系。最终确定将气温和冰厚对雷达波速联合影响的统计关系作为平封冰雷达波速动态修正的参数化方案,依此将固定式雷达冰内雷达波速由常数更换为函数,从而提高了平封冰雷达冰厚探测的精度。根据黄河存在非冻结冰花和堆积碎冰块,建议开展不同类型冰厚探测研究。     

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...     

盐度对冰-水侧向融化过程影响的试验研究

通过在低温实验室内开展的三组恒温实验,对不同盐度海(盐)水的冻融过程进行观测,获得了盐度与平均侧向融化速率的影响关系,明确了融化过程中水体的温-盐梯度情形。试验结果表明,海水盐度的升高促进冰的侧向融化。基于三组纯热力学试验条件下的侧向融化占比(15%～25%)结果,建立了融化速率与盐度在同等温度条件下的定量关系(R²=0.88),优化了自动观测相关试验技术,为模拟北极实际情形的海冰试验提供了有效参考。     

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。     

不同流速下冰融化率的实验室探究

冰山融化的淡水通量对于大洋环流和全球气候具有重要的作用,但目前冰山融化的动力学机制尚未研究成熟.该文在实验室条件下,通过对冰的融化过程进行测量和分析,研究不同流速对冰侧向和底面融化的影响.利用实验室循环流实验水槽产生不同流速的均匀流,测量冰的侧面和底面的面积变化及冰的质量以反映冰的融化情况,并利用PIV技术测定高流速和...     

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。     

乌梁素海湖泊冰生长过程的现场观测

为了研究湖泊结冰过程中特有的水文特性对冰封期水环境的影响,以乌梁素海湖泊为研究对象,对湖泊冰生长过程中气温、冰温和水温进行在线观测,以分析冰温和水温对气温的响应关系。用冰钻钻取冰厚依次为9.5、21.0、31.0、41.0、59.0 cm时的冰柱样品,对其表观密度进行测定,并从冰的透明度、冰晶体类型、气泡数量和冰柱底面纹理四方面分析每段冰柱的形态结构。结果表明:冰温和气温有相同的变化趋势,冰温的变化滞后于气温的;冰下水的温度不受气温的影响,稳定在-0.25~-0.50℃;湖冰生长期冰的表观密度为895.2~903.3 kg/m3,冰柱下层的表观密度小于上层的,这与冰生长速率和气泡的数量及体积有关;湖冰生长过程中不同深度冰柱的透明度、晶体类型、气泡含量和底面纹理有较大差异。     

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。     

三峡水库支流库湾热收支——以朱衣河为例

为更好认识水库库湾热收支过程,本文利用实测水温、气象和美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)短波辐射等资料,分析了朱衣河库湾水温结构的时空变化、水面热通量和平流输运热量的年内变化,结果表明:(1)朱衣河库湾年内表层水温为12.0~31.6℃,底层为11.8~27.8℃;(2)受干-支流相互作用影响,支流表层水温沿程存在水温差,导致干-支流交汇处净热通量变化为-63.02~128.81 W/m~2,支流中部为-62.01~116.14 W/m~2,上游回水末端为-59.31~78.40 W/m~2;(3)支流水体的平流输运热量与水位变化具有很好相关性;(4)影响支流水体热含量变化的主导因素是平流输运热量。     

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。     

基于温度梯度特性的河道冰厚判别算法研究

基于空气、冰与水的温度梯度特性差异,设计了适应高寒地区内陆河道冰层厚度定点自动检测的传感器和数据采集系统。为了解决温度梯度式冰层厚度传感器在判别冰层上界面(冰与空气的分界面)时存在较大误差的问题,提出了一种利用连续温度变化特性实现冰层界面精确判别的优化算法,并基于黄河的现场实测数据,将该算法与冻冰度日法和人工实测方法的结果进行了对比。研究结果为内陆河道冬季冰情数据的后期处理提供了一种新的思路。     

基于电容感应技术的黄河冰层厚度监测方法

根据空气、冰与水不同的介电特性,利用空气层、冰层和水层3种不同介质组合成的电容传感器容值不同的原理,研制了电容感应式冰层厚度传感器,其可将采集的冰层厚度信息通过GSM短消息进行传输,实现对黄河冰层厚度的测报。电容传感器采用同面规则排列的多极结构,激励信号经多路开关从上至下分别接通电极,获取不同电极板间的电压值序列,将电压值信号经过合理的算法进行数据处理和分析,能准确测量冰层-水层、冰层-空气层的分界面,计算两个分界面的距离,就可得出冰层的厚度。应用结果表明:电容感应式冰层厚度传感器的测量数据与手工实测数据非常接近,在某些测量点存在约10%的测量误差,基本能满足冰水情测量的要求。     

基于关键影响因素识别的丰满重建工程对雾凇影响分析

在系统梳理雾凇、气象、水温和电站运行等数据的基础上，分析了各影响因素与雾凇形成和等级的关系，进一步探讨了丰满电站全面治理工程对雾凇岛雾凇形成的潜在影响。研究结果表明：(1)雾凇质量与气温、流量、风速显著负相关，与湿度、气温日较差和水温气温差显著正相关；(2)低气温、高的气温日较差、较大水气温差、高空气湿度、适宜风速等均有利于雾凇的形成，由水域吹向岸边的风向有利于雾凇的形成；(3)全面治理工程完成后，下泄水温有所升高，流量变化不明显，对于下游的雾凇景观有利；(4)在全球气候变化的背景下，雾凇景观受到自然和人为两类因素的影响，需更长时间的监测数据来进行评价。     

冰盖对南水北调中线工程渠道作用力物理模拟试验研究

为探究冰盖对南水北调中线工程渠道边坡作用力的产生过程和作用规律,通过低温环境实验室对模拟渠道进行了淡水冻结以及淡水冰升温试验。研究发现,冻结期冰盖厚度随着气温降低而持续增长的同时,冰力也在随之变化。但由于冻结期内冰底水冻结成冰的相变体积膨胀产生的压力与冰盖因冷缩对边坡产生的拉力相抵消,导致冰力对边坡的影响较小,几乎可以忽略。虽然升温期冰温呈上升趋势,但在冰底温度低于冰点温度期间,冰仍继续缓慢增长,冰盖热膨胀力明显上升,直至冰层内部温度梯度接近消失,冰温接近冰点温度。之后,随着气温的进一步升高,冰盖进入融化相变,冰力开始下降。研究成果对于渠道冰期安全运行和冰盖对渠道边坡作用机理的研究具有一定参考价值。     

不同积雪覆盖条件下土壤冻结状况及水分迁移规律研究

积雪覆盖直接影响土壤温度、冻结融化深度、冻结速度和水分向上的迁移过程等。通过室外试验,对沈阳地区2003~2005年不同积雪厚度对潮棕壤土的冻结特征和冻融过程中的水热状况进行了研究。结果表明,当近地面气温在-5℃左右时,雪层厚度>25 cm时,气象条件的变化对雪层热状况的影响极其微弱,积雪覆盖越厚,土壤温度受外界影响越小。在冻结过程中,积雪的存在,保持了地温,减缓了土壤冻结速度,影响了水分迁移过程。裸地的未冻水迁移速度与迁移量较有积雪覆盖的小。在融化过程中积聚在冻土层中的冰体从表层开始融化,由于受到下部未融化的阻隔,在太阳辐射作用下,融水向表层迁移并快速蒸发,而中、下层土壤受底部地热作用,双向解冻,融化后向深层渗漏。     

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。     

红旗泡水库破冰开槽作用的现场观测

寒区平原水库在春季融化初期,冰层膨胀会对库岸护坡造成严重破坏.通过2008.12-2009.4及2009.11-2010.4两个完整冬季在黑龙江省红旗泡水库利用固定点对冰槽前后两侧的测量点位移变化的现场测量,对传统破冰开槽的保护作用进行了分析,发现冰槽与坡脚的距离及冰槽的形状是影响破冰开槽效果的关键.在此基础上,提出2...