基于虚拟流动法的输水明渠冰情数值模拟

对于北方地区的明渠输水工程来说,当冬季气温降低或春季气温回升时,明渠中会产生大量的流冰,在合适的水力条件下,流冰相互堆积形成冰塞,轻则降低渠道的输水能力,重则引发事故。研究了基于虚拟流动法的输水明渠冰水动力学数学模型,解决了冰盖动态发展的计算问题,并对典型输水明渠冰情动态发展的过程进行了模拟、分析。     

南运河冬季输水冰情及对策研究

南运河的冬季输水工作开展较少,冰期输水经验不足。2022—2023年度,南水北调东线北延输水为线路启用以来首次冬季输水。输水期间,在南运河段设立安陵、北陈屯2个观测站点,对冰期输水各个阶段的冰情特点进行观测,从而了解并掌握冰情的变化规律,并提出冰期输水对策,为今后的冰期输水工作提供参考。     

北京市内调水工程冬季输水冰情问题研究

分析北京市内调水工程的水流条件,借鉴北京市水利工程及其他调水工程历史上出现的冰害典型事例,提出北京市内调水工程中涉及的明渠、取水口、水闸、过渠桥等,在冬季输水过程中可能存在的流凌、冰塞、渠道冻涨破坏、闸门冻结等冰害;并提出控制水流条件、装拦冰索、设潜水泵等相应的预防冰害措施,为确保冬季输水安全运行管理提供依据。     

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。     

引黄济津冬季输水冰情观测与分析

南水北调工程作为大型跨流域调水工程,在冬季输水期间出现的一系列冰情现象对输水河道及水工建筑物都将产生一定的影响。了解和掌握冰情变化规律,采取工程措施防患于未然对于工程建设十分必要。利用2002—2003年度引黄济津的大好时机,对引水期间出现的各种冰情现象进行系统的观测及分析研究,取得了一定成果,为南水北调中线总干渠河北段的规划设计和管理提供原型观测资料及可借鉴的参考建议。     

冰情危害及冬季明渠安全输水探讨

冰情在寒冷地区是普遍的自然现象,进行水资源开发时需要重点考虑。本文分析了冰情的分类及其演变过程,探讨了产生冰情灾害的原因,总结寒区输水工程的经验,明确冬季渠道安全输水的措施。     

南水北调（中线）冰期输水冰情分析

摘要：为了探索研究南水北调中线总干渠冰期输水可能产生的冰情及对输水的影响,于1994—1997年连续3个冬季进行了冰期榆水原型观测,并取得了一定的成果。文章提出中线总干渠冰期输水的主要冰情形式,它对南水北调冰期输水的运行管理起参考作用。     

南水北调中线工程冰期输水原型观测与冰情分析

1．工程概述 南水北调中线工程是为解决河南、河北、北京、天津等地生活和工农业用水的特大型跨流域调水工程。起点为湖北省丹江口水库，终点为北京市玉渊潭，全长1267km，总干渠位于北纬33°～40°之间，由于总干渠所经流域由暖温带至半寒带，冬季输水时，在石家庄以北地区出现不同程度的冰情不可避免。     

封冻期渠系运行方式

为研究系运行方式与冰塞二者之间的关系,以流速、傅汝德数、水位偏差等参数作为指标,在常规运行方式选择方面,认为上游常水位运行造成的冰塞风险最小,下游常水位运行在封冻时闸门调控及时,等体积运行方式中庸;封冻渠池在封冻时,该渠池运行方式由下游常水位切换为等体积,造成渠系的水位偏差、水力响应过程中的最大流速与傅汝德数等指标均较始终保持下游常水位小,模拟工况下的上游水位偏差减小近50%,最大流速降低约6.5%,表明运行方式切换更有利于维持渠系在封冻时的稳定和减小冰塞风险。因此,推荐封冻渠池在封冻时由下游常水位切换至等体积运行。     

南水北调中线工程冰期输水冰情及措施研究

在系统分析中国北方河渠冰期输水问题的基础上,通过采用一维非恒定水-冰热力学数学模型,系统模拟了输水过程中沿程不同冰情发生、发展变化过程.提出了采用Fr数、流冰密度、负积温综合判别不同冰情的方法,预测了南水北调中线工程冬季输水不同冰情的时空分布特征,并初步分析了冰期输水的特性及影响因素,提出了冰期输水冰情防治和预防措施等方面的建议.     

南水北调中线工程冰期输水特性研究

应用水力学、冰水力学和传热学等理论,通过建立渠道的气、水、冰的热传导方程,水温控制方程,水流运动、浮冰输移及冰盖发展方程,构建了南水北调中线干渠的一维冰期输水模型。该模型不仅考虑了渠道拦冰索对流冰的控制条件,以及穿黄隧洞等地下结构的地温影响,还通过加入闸门控制算法,模拟了渠道中闸门对水位和流量的调控作用,使得数值模拟结果更能符合工程的实际情况。利用此建立的模型,对该工程黄河以北干渠的冰期输水过程进行了模拟,分析了渠道的冰情特性,研究了冰期渠道的水力响应特性,并提出了渠道冰害防治和运行控制等方面的建议。     

河冰单轴压缩破坏过程细观数值仿真

为了解并认知河冰材料的内在属性,对黄河封冻期的河冰进行了现场取样观测并开展了单轴抗压破坏过程的物理试验,依据物理试验结果,在细观层面将河冰看成由晶粒、晶界、初始缺陷构成的非均质材料,给出了随机缺陷界面弹簧元模型模拟河冰单轴压缩强度的数值方法,模拟了河冰在单轴受压荷载作用下的开裂破坏过程,分析了初始缺陷分布和含量、晶粒尺寸等各相组分对河冰力学性能的影响。结果表明:随着初始缺陷含量的增加,河冰单轴压缩强度呈下降趋势,但下降幅度逐渐变缓;随着晶粒尺寸的增加,河冰单轴压缩强度呈降低趋势,且与晶粒尺寸d-1/2呈线性相关关系。与物理试验对比发现,该计算模型能较好地模拟黄河冰的单轴压缩强度和开裂过程。     

拦冰索在冬季引黄输水中的应用

河流结冰产生的冰凌对建筑物的膨胀压力及流冰对建筑物的撞击力,都因超过建筑物本身的强度而发生破坏。同时,冰凌也会给河道引水造成困难。常见的现象是河道因结冰而使流速减缓,流量降低,影响过水能力,甚至河道被冰塞堵塞,而断绝水流。该文从拦冰索选址、布设、作用、观测与分析几个方面入手,对在冬季引黄输水中的应用进行了分析。     

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。     

寒冷地区供水工程引水明渠结冰问题数值模拟

以宁夏吴忠金积供水工程为例,对在冬季寒冷地区利用引水明渠从河流或水库引水时遇到的结冰问题进行研究。利用一维非恒定水力热力耦合数学模型对3种典型工况下引水明渠水温分布进行数值模拟,得出不同水深、不同风速时的初始结冰位置。利用冰盖厚度发展数学模型对10 a来冰盖发展情况进行数值模拟,并与经验公式计算结果进行对比,得到了较为一致的结果。根据数值模拟结果,得出寒冷地区引水明渠冬季供水时渠水温度的分布规律,总结出影响水温分布及初始结冰位置的因素。     

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。     

黄河头道拐段冰输移及堆积过程数值模拟

头道拐河段因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段最易形成冰坝的河段,研究该河段河冰输移及堆积过程是理解内蒙古段河冰过程及卡冰结坝作用机理的关键。本文基于耦合的二维有限元水动力学模型和DPM(Discrete Parcel Method)河冰动力学模型,模拟了黄河头道拐河段2020—2021年冬季封河过程并进行了验证,讨论了不同水力条件、上游流凌密集度及河道形态对封河过程的影响。结果表明：相比于官牛犋弯道,河道弯曲率大、束窄程度高的什四份子弯道更易形成卡冰,且流量越小,卡冰作用越明显,冰盖向上游发展速度越快。河道流凌密集度小于0.4时,各种流量下研究河段未发生卡冰;流凌密集度增大至0.4,表面流冰首先在弯曲率系数较大的什四份子弯道处形成卡冰,随着流凌密集度和流量的进一步增大,下潜并输移到下游的流凌也会在官牛犋弯道形成卡冰,因此,头道拐河段形成卡冰的流凌密集度临界条件为0.4。应用冰水耦合二维动力学模型可以很好地模拟天然河道河冰输移、堆积过程中河道的水力特性、冰厚增长及封河形态,揭示了影响河冰过程的相关因素及作用机理,为黄河内蒙古段防凌减灾工作提供技术支撑。     

引滦调水期河道水中氮素形态特征分析

针对引滦水质近年来氮、磷等营养元素升高问题,基于2013-2014年引滦沿线水质监测数据,采用相应的测定方法分别从氮的结构特征和溶解特征两方面分析引滦调水期输水河道黎河、果河及非输水河道沙河中氮素形态特征及空间分布特点。结果表明:河道中水体氮素主要赋存形态为可溶态,其中硝酸盐氮含量最高;相较于非输水河道,输水河道有机氮含量高;空间上调水期输水河道对氮素消解能力及各形态氮之间的转化作用均显著弱于非输水河道。     

引洮7~#隧洞含水疏松砂岩地层冻结法施工数值模拟

为探究含水疏松砂岩地层引水隧洞冻结施工中冻土帷幕的形成过程及力学特性,对引水隧洞的冻结施工及开挖过程进行三维数值模拟。研究了冻土帷幕的温度场、应力及位移的分布,计算出冻土帷幕完全形成所需的时间及其压、拉、剪应力极值并确定极值发生的位置。结合现场监测数据,分析了冻结过程中冻土的温度变化规律及冻土帷幕的形成机理,最后提出了相应的措施及建议。