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.     

太阳辐射和地温对冰盖下水温的影响

太阳辐射可以透射穿过雪盖和冰盖与地温一起影响冰下水温的变化,加剧冰盖底部的融解和冲蚀,使得冰盖更易于崩溃开河。基于现有理论和原型观测研究成果,建立了描述太阳辐射在雪盖、冰盖和水体中的透射和吸收规律的数学模型;利用观测数据回归分析的方法,提出了太阳辐射可见光在水体中消光系数的参数化模型;然后研究了冰下水温的变化与太阳辐射和地温的函数关系。研究证实,冰下水温随太阳净辐射和地温的增加而升高,随雪厚和冰厚的增加而下降,并且与水体与冰盖的热交换系数成反比。此外,太阳辐射的透射可能使得开河期冰盖糙率不是减小,而是增大。     

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。     

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。     

冰盖下水流流动的掺混特性

本文采用κ-ε紊流模型建立了冰盖流及物质输移的垂向二维数值模型,对封冻河道水流的垂向掺混特性及水中冰在冰盖下的输移规律进行了研究。研究结果表明,冰盖下水流纵向流速在流动核心部分较为均匀,并不遵循对数分布规律;沿水深水流紊动粘性系数并没有出现为零现象,并当上下边壁粗糙相近时,在水深中部达到最大：位于不同水深位置的水中冰进入封冻河道时,在冰盖下有不同的输移规律,水深中部水中冰的最大浓度值降低速率及扩散范围相对较大。研究结果揭示了冰盖对水流流动及垂向掺混的影响。     

明渠冰盖下流动的综合糙率

明渠冰盖下流动的综合糙率nc是确定冰期水位和流量关系的关键参数,本文根据冰盖区和床面区的边界条件和流量的连续性条件提出了通用的综合糙率公式,研究了冰盖下一般矩形明渠和宽浅明渠流速分布及流速比a对综合糙率nc的影响,在此基础上,计算分析比较了通用综合糙率公式、Einstein公式、Belokon-Sabaneev公式和Larsen公式的差异和使用条件,结果表明:对于宽深比b/H较小的矩形明渠,采用Belokon-Sabaneev公式将产生很大的计算偏差,Larsen公式只适合宽浅明渠,而Einstein公式是通用综合糙率公式的最好近似,推荐在工程设计中采用。     

冰盖下冰塞堆积的数值模拟

基于贴体坐标转换和有限体积法,用k-ε两方程模型模拟水体的运动,在同位网格上使用动量插值法避免了压力的波动。建立了冰塞面的变形方程,并用C语言编写的程序对冰塞堆积进行了数值模拟计算,对比实验室中冰塞堆积试验的结果,两者的吻合较好。     

冰盖下散粒体泥沙起动流速的试验研究

本文通过水槽试验，对模拟冰盖流的河床泥沙起动流速进行了试验研究，探讨了冰盖流下河床泥沙起动流速的变化规律。试验表明:冰盖下泥沙起动流速与冰盖及槽底糙率的相对比值有关。     

有冰盖条件下平板闸的输水能力研究

高纬度地区的河流在冬季常会形成冰盖、冰塞或冰坝,水流从明流变为封闭的暗流,水流的水力条件、热力条件和几何边界条件发生改变,出现冬季特有的冰情现象。采用人工模拟的冰盖进行试验,分析冰盖的淹没程度以及冰盖前缘与闸门的距离变化时闸门出口流量系数的变化情况。结果表明:出口流量系数随着冰盖淹没程度的增大而减小,随着冰盖前缘与闸门之间距离的增加而增大。     

冰盖下桥墩局部冲刷随时间变化的试验研究

在寒冷地区,河道中冰盖的存在会改变河道流速分布。与明流条件相比,冰盖条件下水流最大流速点会向河床移动,加剧桥墩周围的局部冲刷。过度的局部冲刷会导致桥梁倒塌。基于水槽清水冲刷试验,对冰盖与明流条件下圆柱型桥墩局部冲刷随时间的变化进行了研究,试验结果表明：冰盖下桥墩局部冲刷速率大于明流。平衡冲刷深度比明流条件下的约大12%,且冲刷平衡所需时间比明流条件下的要约大10%。分析了水流强度与无量纲冲刷深度的关系以及冰盖与明流条件下冲刷深度变化速率的差异,给出了冰盖下局部冲刷深度随时间变化的经验方程,研究成果可供实际工程参考。     

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。     

三江并流区德钦县积雪面积时空变化分析

德钦县积雪储量是滇西北重要的淡水资源,对三江并流区的河流补给、缓解水资源压力起着重要的调节作用。基于10景TM、ETM+、OLI影像、DEM和气象数据,采用NDSI指数提取了德钦县1989,1996,2000,2009,2015年5个时期的积雪信息,分析了积雪面积时空变化特征,探究了积雪与气候变化的关系。结果表明:时间上,积雪面积呈现逐年衰退的变化趋势;26 a来,积雪面积由819.884 7 km~2减少到619.115 4 km~2,减少了24.5%,年平均减少7.44 km~2;空间上,不同海拔带内积雪面积都在减少,在海拔1 464～3 000 m积雪面积衰退最为激烈和明显,海拔3 001～4 000 m积雪面积变化也较为迅速,积雪主要分布在海拔4 001～6 740m,且缩减速度较为缓慢;26 a来区域温度升高和降水减少加速了积雪面积减少。     

南方极端冰雪气候条件下冻土特征

2008年南方部分地区极端冻雪气候条件下形成的冻土,已成为工程界广泛关注的问题。通过对江西、湖南、湖北及广西省表土的调查与试验研究,对南方极端冰雪气候条件下冻土的特征进行了初步研究,认为南方冻土类型主要为短时冻土和瞬时冻土,对冻土的分布地区、冻胀等级、危害性进行了分析,为南方极端冰雪气候条件下冻土引发地质灾害的防治提供科学依据。     

冰盖下桥墩局部最大冲刷深度试验研究

冬季寒冷的北方河流易形成冰盖或冰塞,冰盖的存在对桥墩附近局部冲刷产生影响.在清水冲刷条件下,试验研究了有无冰盖条件下,不同流速和水深对桥墩附近局部冲刷的影响.研究结果表明:对比明流条件,冰盖的存在导致更大的近底流速和近底流速梯度,从而桥墩局部最大冲刷深度更大;其它条件相同的情况下,随流速的增大,桥墩局部最大冲刷深度增大...     

水库冰表层形变的现场观测与分析

冰层应变是决定静冰压力的主导因素。以红旗泡水库冰为例,开展不同方向上冰表形变的原位观测,改进现有冰温度应力计算模型来预测表层应力和评价边界约束、冰裂缝、风等环境因素对冰应力的影响。分析发现:冰层在边界约束下仍随冰温改变而伸长或收缩,日收缩量与膨胀量不等导致冰面产生残余形变,且呈各向异性;冰表层实际应变应由温度应变与环境调整应变组成,且第一主应变方向受寒潮和强风共同作用会发生偏转;冰应力模型表明环境调整应变可释放少量温度应力,但在冰温快速升高时,环境调整应变致使主应力明显高于温度应力。因此,静冰力计算模型不考虑因边界位移、冰层裂缝发展等引起的冰层形变(即环境调整应变)会产生较大误差。     

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.     

冰盖下桥墩局部冲刷深度预测

利用实验室清水条件下桥墩局部冲刷的试验数据,采用支持向量机（suppcrt vector machine,SVM）和BP(back propagation)神经网络的方法,基于量纲分析原理,对影响桥墩局部冲刷产生的相关因子进行分析。将试验数据的3/4作为预测模型的训练数据集、1/4作为预测模型的测试数据集。模型的输入因子有水流弗劳德数Fr、水深与墩径之比h/D、床沙中值粒径与墩径之比d50/D、冰盖下表面糙率与床面糙率之比ni/nb,输出因子为冲刷坑深度ds。采用相关系数（r）、均方根误差（δRMSE）、平均绝对百分比误差（δMAPE）、确定系数（R2）作为预测结果的评价指标,并将预测结果与试验结果做了比较。BP神经网络模型和SVM模型在预测明流条件下桥墩局部冲刷坑深度时,预测结果的r分别为0.89和0.88、MAPE分别为38.8%和31%;在预测冰盖条件下冲刷坑深度时,预测结果的r分别为0.78和0.73、MAPE分别为43%和46%。结果表明BP神经网络和SVM模型预测明流及冰盖条件下桥墩局部冲刷坑深度时具有较高的精度。