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。     

黄河什四份子弯道河冰生消及冰塞形成过程分析

什四份子弯道因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段易发生冰塞断面。通过对2014—2015年冬季该段野外冰情监测及水文、气象资料分析,结合Landsat8遥感影像数据解译,研究了什四份子弯道河冰生消及冰塞形成过程。结果表明,野外观测结合遥感影像解译能够准确地反映河冰的时空特性。该河段弯道凹岸处冲积岸冰及凸岸静态岸冰的生长,极大地束窄了河面宽度,降低了水流的输冰能力,而使其成为初始卡冰位置;冰盖至此向上游发展,弯道下游因来冰量减少和上下游水力坡度增大而形成清沟;受弯道径向水流方向改变及弯道螺旋流的影响,导致冰花在冰盖下主槽与滩地的交界处堆积;稳封期受气温升降变化使得冰盖表面冻融交替,冲积冰反射率增大,后期解译的遥感影像中平滑岸冰面积较初始封河期增加。     

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。     

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...     

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。     

黄河什四份子弯道冰下环流特性研究

为分析弯道冰下水流结构与环流分布特征，利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)对什四份子弯道的冰下流场进行了测量，通过测量弯道的冰厚、水深、流速，分析了弯道断面冰情与冰下环流分布情况。结果表明：弯道冰下水流并不完全呈现双螺旋结构，冰封期环流集中在弯顶凹岸侧和弯顶后凸岸侧，易产生在相邻冰塞之间或是冰塞与河岸之间；环流区域环流旋度沿水深线性增大，非环流区域环流旋度则线性减小，同一位置的不同流层环流旋度大小分布基本一致，弯道后半段大于前半段，弯顶前凹岸侧大于凸岸侧，最大环流旋度位于弯顶凹岸侧，约为0.91。     

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。     

基于离散元方法的河冰动力过程短期预测模型及应用

秋末冬初时黄河河道平稳封河对于预防凌汛意义重大,而什四份子作为黄河内蒙古河段主要首封河段备受重视。根据寒区河道具体冰情,基于河冰离散元方法,考虑河流表面冰的动力输移和河流水动力学的相互耦合作用,建立了针对特定重点河段的短期预测模型,可根据实际水力要素、气温、现场冰情等条件进行河冰输移、封河开河等情况的模拟和预测。模型考虑了河道的岸冰边界以及上游来冰情况,包括来冰的密集度、冰块体的尺寸分布、冰块体的冻结强度等因素对河冰输移和卡冰封河过程的影响。基于该预测模型,针对什四份子弯道在不同工况下的封河情况进行研究,结合现场情况探究了流速、来冰量、冰块尺寸、岸冰尺寸等因素对卡冰封河的影响,从冰流量和河道输冰量的角度解释了各要素的影响机理,为特定河段的封河预测工作提供参考。     

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。     

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。     

黄河河道冰层雷达波特征图谱的现场实验研究

2013年-2014年冬季,利用RIS K2型探地雷达在内蒙古头道拐水文站黄河河道断面开展冰层厚度探测试验。试验使用不同频率天线探测冰厚,并与钻孔实测冰厚对比。结果显示200 MHz频率天线可探测到冰下更深部位的状况,并能够识别出冰花层。利用雷达探测图谱中电磁波传播时间和实测冰厚得到盛冰期雷达电磁波在冰内的实际传播速度为16.3cm/ns;而融化期雷达电磁波在冰内的实际传播速度小于15.0cm/ns。雷达探测结果还显示垂直于河道断面方向的冰层厚度分布不均匀。主流区是以热力学生长的颗粒冰和柱状冰为主,最大冰厚约为60cm;而非主流区是以冰花冰为主,最大冰厚约为70cm。另外,雷达图谱也可以确定冰层裂缝的具体位置、走向。     

黄河头道拐站开河日期预测的LSSVM方法

根据实测冰情数据分析发现,可将冰盖厚度演变过程作为预测头道拐站的开河日期的主要依据,同时还应考虑封冻期气温、流量等对冰盖厚度的持续性和累积性影响。据此提出了一种应用数据挖掘技术和LSSVM进行头道拐站开河日期预测的新方法。应用LSSVM模型对头道拐站2010年、2011年和2012年开河日期的预测结果表明,可在封冻期内任一冰盖厚度测量日期利用上述方法对该站的开河日期进行预测,有效延长了预见期,且在3月6日前的预测值均满足许可误差合格率的要求。根据LSSVM模型预测误差呈波动性变化的特点,提出了预测开河日期的均值法,可使开河日期预测精度得到显著提高。     

黄河源区河道冰凌特征变化及影响因素分析

黄河流域是我国凌汛灾害常发的地区,其中黄河源区是黄河上游凌情研究的空白区。为掌握该区域的凌情规律,对黄河沿-唐乃亥河段黄河沿、吉迈、玛曲3个常封断面的气象资料(1960-1987,2007-2011)和水文资料(1960-1987,2007-2011)进行研究,分析3个站的封河、开河日期以及冬季最大冰厚的变化规律,得出黄河源区封河从黄河沿附近开始向下游延伸,封河日期和开河日期均有推迟趋势,但总封冻天数在减少,冬季最大冰厚则各站趋势不同。通过对冬季气温、流量等因素进行分析,得出冬季累计负气温和冬季平均流量对于凌情主要特征的影响十分显著,可以作为预报因子进行进一步的研究。     

2011-2012年度凌汛期黄河下游河道未封河原因浅析

2011-2012年度凌汛期,黄河下游河道9年来首次未封河。凌汛期内气温较往年无明显变化,1月上旬气温偏高;小浪底水库和西霞院水库联合调度,通过人为控制流量来干预黄河下游凌汛,12月下旬至1月上旬大流量下泄的动力和热力因素推迟了下游河道流凌的时间;黄河下游主河槽最小过流能力已经从2002年的1 800 m3/s提高到了4 000 m3/s,水流保持较大流速。受气温、流量、河槽形态等多方面综合影响,降低了黄河下游封河的可能性。     

Great Lakes Ice Thickness Prediction

Weekly ice thickness data, collected from 24 bay, harbor, and river sites on the Great Lakes, were correlated with freezing degree-day accumulations to develop regression equations between ice thickness and freezing degree-days. The data base at ice measurement sites was 3 to 8 winters in length. Ths standard error of estimate varied for individual regression equations and averaged between 7 and 8 cm for five forms of regression equations. Because the regression equations are empirical, the range of input data used to predict ice thickness should be limited to the range of values used in the derivation.