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。     

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。     

小浪底孔板消能泄洪洞过流原型观测试验

小浪底水利枢纽的三条孔板消能泄洪洞,是目前世界上采用孔板消能技术的最大的泄洪洞.孔板泄洪洞的实际泄洪效果和安全性,一直是专家关注的焦点.1号孔板消能泄洪洞过流原型观测试验,就长期以来国内外专家十分关注的孔板洞消能效果、水流空化、脉动水流诱发衬砌结构及围岩的振动、中闸室出口水流的掺气及空腔负压、闸门开启过程的流激振动以及孔板环、衬砌结构应力等进行了现场测试.从压力系数和消能系数分布看,原型观测结果与模型试验结果吻合较好,验证了模型试验成果的相似性.     

坡面水蚀过程与地形演变关系试验研究

采用径流冲刷试验的方式对坡面水蚀过程进行研究,记录了在不同坡度和不同冲刷流量工况下坡面侵蚀量、侵蚀沟宽和溯源速度的变化。结合坡面侵蚀沟头溯源速度、断面侵蚀沟宽度等的变化曲线,分析了水蚀过程中坡面侵蚀量与地形形态变化的关系。结果表明:流量和坡度是水蚀过程的动力因素;溯源速度、沟壁的坍塌展宽及细沟的横向合并是导致坡面侵蚀量出现波动、峰值大小以及出现时间早晚的根本原因;坡面侵蚀方式与地形演变过程有着密切的关系。     

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     

桩基及复合地基静荷载试验曲线的计算机拟合

分析了桩基及复合地基静荷载试验曲线的特点，根据其特点，试验曲线采取计算机分段拟合的方法；重点阐述了用非线性最小二乘法进行曲线拟合的方法及软件特点。曲线的计算机拟合提高了资料整理精度和工作效率，可解释不同类型的Ｑ～Ｓ曲线，确定桩和地基承载力值更加合理和准确     

特大洪水演变过程及不确定性研究项目专题(二)——溃决形成专题的试验数据和结论

特大洪水演变过程及不确定性研究项目专题(IMPACT)之WP2专题(即溃决形成专题)的重点是通过对大坝或防水堤的研究来提高预测溃决形成的能力。其核心工作是将现场试验和室内试验(现场试验和室内试验的数据可以相互对照、比较以确定有效性和了解基本的溃决形成过程)与数字模型试验联系起来进行比较和分析。另外,还考察了影响溃坝地址的各种因素,也对与溃坝模型相关的不确定性进行了考察。     

雪覆盖下冰盖的热力增厚和消融

雪覆盖下冰盖的热力增厚和消融是急需研究的问题,对于冬季降雪频繁地区开河预报、冰凌洪水风险分析具有重要的实用价值。基于雪盖和冰盖的热力条件是准稳态假设,建立了冰盖热力增厚和消融速率与雪厚、冰厚、大气传递给雪面的净热通量和水体传递给冰底面净热通量的函数关系,包括：太阳辐射、反射和透射,雪面和大气的长波辐射,雪面蒸发-对流,河床地温等因素。提出了雪面温度和冰盖垂向温度分布的理论公式及冰盖热力增厚和消融发展过程的数值计算模型。最后,以黑龙江漠河段实测的冰情为例,验证了所提冰盖热力增厚和消融数学模型的实用性,并分析了一些重要参数随时间的变化特点。     

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。     

基于真冰模型试验的冰盖稳定性研究

南水北调中线工程在冰期输水过程中宜采用冰盖下输水的方式,输水过程中维持冰盖稳定性 成为输水成功与否的关键。鉴于输水渠道和天然河道的冰盖稳定性不同,本文以真冰为试验对象,开 展了冰盖减压试验和冰盖增压试验,研究了冰盖稳定性与冰盖下水压力之间的关系。研究发现随着冰 盖宽度的增加,冰盖下极限水压力升、降幅度先增大,后减小;而随着冰盖厚度的增加,冰盖下极限 水压力降幅减小,升幅增大。同时由于冰盖对于水压力上升的承受能力显著强于水压力下降。为此, 建议稳定冰盖形成后,应适当调高水位运行,以利于保持冰盖稳定性。     

南水北调中线工程2014—2022年冬季水温与冰盖观测分析

南水北调中线工程自2014年12月全线通水以来已运行8个冬季,为防止冰塞冬季输水流量控制为设计流量的30%~50%,严重制约了工程输水效益的发挥。因此,渠道水温和冰盖特性一直是冬季输水关注的重点问题之一。实测数据表明：①冬季输水流量总体逐年增大,最末段保持相对稳定,岗头闸流量约为50 m³/s,北拒马河闸约为25 m³/s;②冬季气温总体以暖冬居多。保定站最低气温-22.0 ℃,3日滑动气温极值-10.7 ℃,短期强寒潮可能是今后冰盖生成的关键驱动因子;③冬季水温沿程逐渐降低,渠首陶岔闸最低水温6.7 ℃,渠末北拒马河闸多数年份降至0 ℃附近。北拒马河闸水温最大降幅10日内由3.5 ℃降至0 ℃,期间渠段水温降幅亦达到极大值1.69 ℃/100 km。④2016年冬季冰盖最长达280 km(最南端延伸至午河闸),次之为2015年冬季的73 km和2021年冬季的38 km,有两个冬季未生成冰盖。岗头闸-北拒马河闸近90 km是冰盖多发渠段,应引起关注。基于冰盖生成前实测数据,以初始水温和区间气温为输水条件,拟合给出了2 d、3 d和7 d等不同预报时效的简化水温模型和冰盖生成临界阈值。初步分析认为：冬季气温和输水流量是冰盖生成的两大关键驱动因子,流量越小气温越低越易生成冰盖,1月出现的短期强寒潮更易于导致冰盖生成。2016年冬季严重冰情是二者叠加的结果,2015年冬季冰盖主要是输水流量小诱发,而2021年冬季冰盖主要是短期强寒潮所致。     

Modeling of thermodynamics of ice and water in seasonal ice-covered reservoir

A width-averaged 2-D numerical model for simulating vertical distributions of flow and water temperature in reservoirs with an ice cover is developed. In this model, the 2-D flow and water temperature distributions are solved by the finite volume method with the k-? turbulent model. The heat conduction in the ice cover is modeled by the vertical heat transfer and the heat exchanges through the air-ice and ice-water interfaces. The model is applied to a 153 km long reservoir in Songhua River and the simulated results are in a good agreement with the field data of both the vertical water temperature and the ice thickness. The simulated results show that the ice cover thickness in the reservoir is not uniform, the maximum thickness appears in the middle reach, the outflow temperature has an obvious variation as compared with the natural temperature, and a buoyant flow occurs in the reservoir surface at the freeze-up and break-up periods. The model can effectively simulate the water temperature and the ice conditions of large reservoirs in cold regions.     

乌梁素海湖冰单轴压缩强度特征试验研究

为积累有关纯热力生长淡水柱状冰单轴压缩强度的实际资料,选择黄河河迹湖-乌梁素海的柱状冰制备试样。利用具有严格恒温控温和位移速度控制的电子万能试验机,对垂直冰面加载和平行冰面加载的二类试样进行-2℃、-5℃、-7℃、-10℃和-15℃下不同恒位移速度的试验,研究了应变速率、加载方向及温度对单轴压缩强度的影响。试验结果得到:相应温度下试样的单轴压缩强度随着应变速率的增加,存在先增高到峰值,之后再降低,最后趋于平稳的特征;冰样存在3种破坏形式:鼓胀破坏、剪切破坏和劈裂破坏;在试验温度范围内,冰强度随温度降低有着明显提高;试样单轴压缩强度随温度和应变速率的影响由一个二元统计关系表达;垂直冰面方向加载的试样强度比平行冰面方向加载试样强度大。对于乌梁素海的柱状冰,垂直冰面方向加载的试样峰值单轴压缩强度是平行冰面加载试样的2.1倍;出现峰值强度的应变速率随温度升高而增加;峰值强度随温度的变化能够采用对数函数表达。     

大庆水库冰表面温度特征及其在冰工程实践应用方法探讨

根据冰面热平衡方程并以大庆红旗泡水库冰面观测的气温、太阳辐射、风速、相对湿度、冰厚数据以及水库附近安达气象站记录的云量、湿度和海平面气压数据,求解了2009/2010年度冬季的冰表面温度,并分析了冰表面温度特征及其同太阳辐射之间的关系、同气温、风速之间的响应关系。在此基础上,就传统考虑的抗冰工程设计所需的设计冰表面温度进行了评估;就日益增加的安全用冰工程设计所需冰表面温度取值也给予定量讨论;对气候变化下的冰内和冰下水体生态适应问题所需的冰面温度日内变化速率和开河期冰凌爆破所需冰表面温度的取值也进行探索。尽管受国际气象资料观测规定的限制,历史资料的应用存在利用接近观测时刻资料的事实,但仍然期望这些分析和讨论能够推动科学地、更广阔地应用冰表面温度。