利用水位变化的黑龙江开河方式和开河日期预报

天然河道发生武开河时容易产生冰塞冰坝,造成凌汛灾害。在分析破冰水位和实测日水位的基础上,提前准确预报开河方式和开河日期并及时采取相应防范技术,是防凌减灾的一项重要非工程措施。基于冰盖挠度破坏原理,在利用水位变化判断开河模式的研究基础上将一维冰厚模型的度日法进行优化,计算河道冰厚变化,预报2015—2018年黑龙江开河方式及开河日期。结果表明:开河日期预报除2017年预报值和实测值误差1天,其余年份均完全相同;开河方式预报除因2018年开河水位过低导致水动力不足影响到预报的准确度外,其余年份预报值和实测值相同。     

黑龙江防凌爆破试验研究

炸药爆破冰盖或冰坝是防凌减灾的重要手段,确定爆破坑半径同炸药用量、冰盖厚度等相关影响变量的关系是有效实施爆破的前提。通过黑龙江上游江段现场防凌爆破试验研究,提出了防凌爆破的可靠方法和关键技术,建立了表达黑龙江冰凌爆破中冰盖厚度、冰下水深、炸药用量同爆破坑半径之间关系的公式。新公式预报的爆破坑半径值和实测值平均相对误差在8.5%以内。同已有的研究成果比较,本文论证了冰下水深对爆破坑半径的影响,所提出的爆破坑半径公式不仅适应于冰盖厚度小的河流,也适合高寒地区冰盖厚、强度大、水深浅的天然河流,且预报精度较高。研究成果应用到2015—2016年开河前黑龙江上游漠河江段防凌爆破中,确保该江段开河期间未发生冰塞和冰坝凌汛灾害。     

基于BP神经网络的黑龙江漠河段冰坝预测

黑龙江干流上游在开江流凌期经常出现冰坝,并产生凌汛灾害。为预测黑龙江漠河段的开江日期和冰坝发生情况,利用黑龙江漠河段1960—2010年的水文气象数据建立基于BP神经网络的冰坝预测模型,预测该河段2011—2015年的冰坝发生情况及开江日期,并和实际情况进行比较。研究结果表明:该模型的预测精度较高;通过对27年的气温转正日期和开江日期的分析发现,二者的日期均趋于稳定,且在气温转正后的15 d左右黑龙江漠河段会顺利进入开江阶段;预测2011—2015年开江日期的最大误差为3 d,根据水文情报预报规范,此次预测为甲等预测方案且预测结果均合格。     

模糊优选神经网络BP模型在黄河内蒙段封开河预报中的应用

黄河内蒙段地处黄河流域最北端,由于它特殊的地理位置、水文气象条件、河道特性,几乎年年发生凌汛。在分析凌汛成因影响因素的基础上,选取合适的预报因子,基于模糊优选神经网络BP模型,对黄河内蒙段封河、开河日期进行样本训练和预报方案验证。预报结果表明,模糊优选神经网络冰凌预报模型计算简便,精度良好。     

基于深度学习和信号分解的北方寒区河流开河日期预报

中国北方寒区河流春季开河时易产生冰凌现象,威胁涉河水工建筑物的安全。准确地预测寒区河流开河日期可为防凌指挥、调度决策提供重要参考依据。本文基于中国北方典型寒区-黑龙江省的5个代表水文站近60年的历史开河日期序列,采用完全自适应集合经验模态分解(CEEMDAN)技术和深度学习长短期记忆模型(LSTM)方法构建河流开河日期预报的耦合模型,以期提高河流开河日期预报的精度。结果表明：本研究构建的开河日期预报耦合模型(CEEMDAN-LSTM)预测精度明显优于单一深度学习方法(LSTM)计算结果;与LSTM相比,CEEMDAN-LSTM可将开河日期预报的平均绝对误差从2.51 d降低至1.20 d,合格率从91.59%提高至100%。验证期平均绝对误差从3.85 d降低至1.65 d,合格率从88%提高至96%。因此,所构建的开河日期预报耦合模型具有较高的预报精度,可为我国北方寒区春季防凌指挥和调度提供技术支持。     

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。     

基于粒子群神经网络的凌汛开河日期预测研究

为了更准确地预测凌汛开河日期,提出用粒子群算法和BP神经网络相结合的粒子群神经网络模型。介绍了模型的设计和算法实现的流程。该模型通过粒子群算法对BP神经网络初始的权值和阈值进行优化,并以黄河内蒙段三湖河口站作为研究实例进行冰凌开河日期预测。结果表明,经粒子群优化后的BP神经网络预测精度比遗传神经网络和单一BP神经网络更高。     

黄河内蒙古段开河日期预报模型及应用

对黄河内蒙古段的冰情特点进行分析,选用1970—1971年度至2007—2008年度共38个冬季的冰情资料,提取合适的预报因子,分别采用人工神经网络模型和多元线性回归模型,对黄河内蒙古段的开河日期进行预报。结果表明,神经网络模型和多元线性回归模型预报样本合格率分别为86.7%和80.0%,神经网络模型的预报精度高于多元线性回归模型,更适用于黄河内蒙古段开河日期预报。     

黑龙江漠河段防凌汛灾害状况及防御对策

黑龙江漠河县江段位于我国的最北端,河流封冻期达171 d,冬天最低极温达-52.3°。文章阐述了黑龙江漠河段自然地理、气象水文与河道特性,分析了凌汛灾害成因、易形成卡塞、冰坝主要地点及受凌汛威胁区域及灾害情况,指出防御灾害工程措施和非工程措施,提出了今后做好凌汛灾害的防御措施。     

黑龙江防凌减灾研究进展

本文总结了当前黑龙江在防凌减灾领域已经完成的研究成果:黑龙江防凌减灾系统的顶层设计及冰情观测站建设;先进的冰厚水深综合测量雷达系统的研发和应用;黑龙江冰坝预报及灾害评估;防凌爆破研究。以上成果已经应用到黑龙江凌汛管理和决策中,为黑龙江防灾减灾提供科技支撑。     

神经网络理论在黄河宁蒙河段冰情预报中的应用

本文研究了以神经网络理论为核心的黄河上游宁蒙河段冰情预报。通过分析河流冰情特点，开发出了用Levenberg-Marquart算法改进传统BP神经网络理论进行冰情预报的数学模型，适用于流凌、封河、开河、水温、流凌密度、冰塞、冰坝等的预报。把该模型应用到2004—2005年冰情预报中，提前预报出2004～2005年冰情发生情况，具有良好效果。理论分析和实例论证都表明该神经网络模型能够进行宁蒙河段冰情预报。     

河冰水力学研究进展

近几十年来,随着经济的发展,河流冰情灾害引起的损失越来越大,因此很多专家、学者投入到河冰问题的研究,使得河冰水力学得到了很大的发展。分别从天然河道、水库、人工输水渠道等原型观测研究,新型冰情观测仪器的研发和使用,冰塞演变机理、冰盖下的流速分布和泥沙输移等实验研究,冬季河道冰情发展演变过程、冰塞的形成、冰塞溃决时的洪水波等河冰动力学数值模拟研究,以及基于神经网络技术的冰情预报等方面,综述了国内外学者在冰情研究中最新的研究进展,重点介绍了其中一些具有代表性的成果,并对目前河冰工程研究中仍未解决的问题和以后需要进行的工作进行了尝试性地分析。     

Simulations of ice jam thickness distribution in the transverse direction

River ice often forms in the cold regions of northern hemisphere which can lead to ice jams(or ice dams). Water level can be significantly raised due to ice jams. As a consequence, disastrous ice flooding may be resulted, such as the ice jam flooding in the Nechako River in Prince George in winter 2007-2008. In the present study, the equations describing the ice jam thickness in the transverse direction are derived. The impact of the secondary vortex is considered while the cohesive force within ice cubes is neglected in the model. The relationship between the parameter β and the total water depth is established based on the assumption that all other variables except the velocities are kept constant on the same cross section. By using the parameter β and the developed equations, the ice jam thickness in the transverse direction can be predicted. The developed model is used to simulate the ice jam thickness in the transverse direction at the Hequ Reach of the Yellow River in China. The simulated ice jam thicknesses agree well with the field measurements on different cross sections.     

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。     

初始冰塞厚度与水流条件及冰流量关系的试验研究

初始冰塞厚度是冰塞研究的基础，对冰塞的后期增厚及平衡冰塞的形成与发展均有重要的影响。本文通过水槽试验，对初始冰塞厚度的形成及变化机理进行了试验研究，揭示了初始冰塞厚度与水流条件和冰流量等因素间的相互关系。试验表明:在室内水槽中定性研究冰塞的形成与发展机理等变化规律时，使用石蜡模型冰材料是可行的     

黄河内蒙河段改扩建工程冰情分析研究

黄河内蒙河段改扩建大桥项目较多,易造成冰塞壅水。利用数学模型和水力学法对拟定改扩建工程方案进行了计算,从两个方面评价扩建工程对冰塞壅水的影响。研究内容可为黄河冰情分析提供参考。     

Impact of bridge pier on the stability of ice jam

River ice jam is one of the most important issues in rivers in cold regions during winter time. With the extra solid boundary due to the ice cover, the flow condition under ice-covered conditions is completely different from that of a open channel flow. The presence of bridge piers will further change the velocity field around the bridge piers. As a consequence, the formation and the accumulation of ice jams in the vicinity of the bridge pier will be affected. On the other side, the formation of an ice jam around the piers can cause extra turbulence to reduce the stability of a river bridge. The present study focuses on the stress analysis of the ice jam in the vicinity of a bridge pier. By developing a governing equation for describing the equilibrium state of an ice jam, the stability of the ice jam around bridge piers is analyzed and determined. As seen from the field data in literature, the stability estimations of an ice jam around bridge piers determined by the present method agree well with the field observations. Therefore, the proposed approach can be used for the prediction of the formation of ice jams around bridge piers.     

黄河防凌与调度

黄河流域冬季由于受来自西伯利亚季风的影响，气候干燥寒冷，降雨稀少，流量较小，许多河段都要结冰封河，在气温、流量及河道特征等因素的综合作用下会造成冰凌洪水灾害。通过对上、中、下游凌情的分析，提出利用水库控制泄流减轻或避免凌汛灾害。