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。     

河冰数学模拟研究综述

随着计算机的发展和对冰情物理现象认识的加深，人们对洒冰动态发展过程的数学模型不断地进行完善。近几年来，国内外许多科学工作者根据的假设提出了许多河冰动态过程的数学模型，现有的河不流模型、热力模型和冰冻模型，以及冰盖糙率和冰期河道综合糙率的各种计算方法。水力模型用于计算河道中流场和其他不力要素；热力模型用于计算水体热交换，水温和水内冰浓度分布；冰冻模型用于模拟冰盖的产生、发展和消融过程。     

隔河岩水利枢纽水力学原型观测

１９９２～１９９３年对隔河岩工程的原型观测部位包括一、二级消力池、表孔、深孔以及电站引水隧洞和厂房。观测内容有脉动特性、流态、雾化程度和范围、掺气以及空化情况等。观测结果表明，一级消力池是安全的，二级消力池起到了消能作用；４号深孔洞身时均压力分布均匀，无负压，设计侧墙高度满足运行要求；电站１～４号机进口快速闸门漏水量达到或超过设计允许值，１号机导叶漏水量满足设计值。     

鲁布革水电站溢洪道水力学原型观测

１９８１年鲁布革水电站左岸溢洪道，运行时的水力学原型观测成果涉及到脉动压力、建筑物振动、通气孔进气量、掺气、空化空蚀、下游雾化等内容，可供设计、运行、科研人员参考。     

河冰演变的数值模拟

提出了一种适用于河网的精细河冰模型——ＲＩＣＥＮ模型。该模型由两大部分组成：挟冰河网非恒定水流模型；热力和冰情模拟模型。ＲＩＣＥＮ模型模拟了：包括过冷过程的水温沿河道的变化；水内冰浓度分布；底冰的增长和消融；面冰输移；冰盖的推进、稳定和消融；冰盖下冰的输移、堆积和冲蚀。该模型已应用于尼亚加拉（Ｎｉａｇａｒａ）河上游和黄河下游的冰情研究。     

安康水电站泄水建筑物的水力学原型观测

安康水电站的泄洪消能布置中使用了宽尾墩、折流墩、异型挑坎和窄缝挑坎，其中宽尾墩消力池联合消能工在国内外是首次采用，对其进行水力学原型观测，验证新型消能工多年的试验研究成果，有重要的现实意义。从１９９０年到１９９３年，北京勘测设计院与有关单位联合进行了安康水电站水工建筑物水力学原型观测。     

东江水电站滑雪式溢洪道水力学原型观测

东江水电站三孔滑雪式溢洪道为主要泄洪建筑物，其中右岸两孔采用了窄缝式消耗工。该种消能工形式系国内首次应用，缺乏设计运行经验。中南勘测设计研究院等单位于１９９２年１０月在该电站进行了水力学原型观测。观测表明，东江水电站采用窄缝式消能工设计是成功的。消能效果好，有效地减轻了对下游河床及两岸的冲刷。结构稳定振动微小。观测还表明雾化对山坡稳定影响不大。     

长江泄水工程水力学原型观测综述

对泄水建筑物进行水力学原型观测，以验证水工模型试验的正确性，并为解决水工模型缩尺的影响提供依据，还可研究在水工模型中不能研究的一些高速水流问题如空蚀、掺气、掺气减蚀效果、水流脉动、岩基冲刷及雾化行等，为设计、科研提供科学依据。     

葛洲坝工程水力学原型观测

葛洲坝工程自大江截流之日至工程试运行。进行了较全面的水力学原型观测工作。连续5年多在汛期进行了各级流量下的二江泄水闸和三江冲砂闸的观测工作；在枯水季节做了排沙底孔、上下游航道和船闸的原型观测工作．1986年汛期对投入试运行的大江电厂排沙洞和排沙底孔进行了原型观测。本对所进行的观测设计、观测技术改进及资料分析。以及主要观测成果和经验教训作简要介绍．旨在为监测大坝安全、验证设计、模型试验和修改运行调度规程提供参考，并为今后分期施工的类似工程提供借鉴。     

河渠冰水力学、冰情观测与预报研究进展

冰情预报是进行防凌指挥、调度、决策的重要科学依据,也是一项复杂的系统工程,涉及冰水力学、热力学、气象及人工智能等学科。本文回顾了近几十年来冰水力学基础理论、模型实验和原型观测、冰情预报等方面的研究进展,包括:冰盖下流动的糙率计算,冰盖、冰塞、冰坝形成发展的理论研究及数值模拟,模型实验、原型观测典型成果,探地雷达、超声波技术、摄影、摄像、遥感、无人机航拍等现代冰情观测技术的发展与应用等。在此基础上,总结和归纳出研究现状及存在的一些急需解决的科学问题。     

基于离散元方法与水动力学耦合的河冰动力学模型

流凌和冰坝是我国北方冬季比较常见的河冰现象,尤其冰坝,可导致严重的凌洪灾害,是河冰研究中的重要部分。本文将离散单元方法与二维水动力学相耦合,建立河冰的动力学数值模型,以模拟河冰输移、聚集、堆积,以及冰坝形成的动力过程。针对河道中大量密集且几何形状随机的流冰现象,采用扩展多面体单元对冰块进行构造,并通过离散元接触模型表征河冰输移和冰坝形成过程中冰块间的相互作用。河流水动力部分则采用考虑河冰影响的二维非定常浅水方程进行描述,并采用有限元方法进行数值计算。冰水耦合中的计算参数由河冰离散单元与其所在水动力学有限元网格节点的位置插值计算得到。通过对冰盖封河造成水位抬高过程的数值模拟,并将计算结果与理论分析结果以及DynaRICE河冰模型的模拟结果进行对比,以验证模型的有效性。在此基础上,对规则河道中河冰输移、堆积和形成冰坝的过程进行数值模拟和结果分析。通过以上河冰离散元与水动力学的耦合方法及其对河冰动力过程的数值模拟,对河冰动力过程从细观角度进行新的认识并为河冰动力过程研究提供一种有效的数值方法。     

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。     

封冻河道的阻力研究

冰盖引起的流动阻力是研究河冰生消演变及其运动规律的关键问题之一。封冻阻力使河流水位壅高、过流能力降低、水位流量关系改变。本文应用 Prandtl半经验紊流理论，推导得到封冻河道水力要素间的理论关系表达式，并对冰盖影响区与床面影响区的交界位置进行了分析讨论；对由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法进行了研究，并与现场实测资料进行了验证。     

桥墩影响下弯槽冰塞形成临界条件和冰厚变化的试验研究

天然河道中,桥墩的存在改变了局部水流特性,对冰塞形成及演变产生影响。通过模型试验,研究了桥墩存在及桥墩位置不同时对冰塞演变过程的影响,试验结果表明:桥墩的存在改变了桥墩附近的水流结构,使得桥墩附近水流输冰能力相对增大,冰塞厚度减小;相比于将桥墩安置在两弯连接直道段,将桥墩安置于弯道顶点处时,桥墩附近水流输冰能力增大;在两弯连接的直道段和弯道顶点处同时放置桥墩时,弯道平衡冰塞厚度介于单墩放置于两弯连接的直道段与单墩放置于弯道顶点处时的弯道平衡冰塞厚度之间。     

Comprehensive two-dimensional river ice model based on boundary-fitted coordinate transformation method简

River ice is a natural phenomenon in cold regions, influenced by meteorology, geomorphology, and hydraulic conditions. River ice processes involve complex interactions between hydrodynamic, mechanical, and thermal processes, and they are also influenced by weather and hydrologic conditions. Because natural rivers are serpentine, with bends, narrows, and straight reaches, the commonly-used one-dimensional river ice models and two-dimensional models based on the rectangular Cartesian coordinates are incapable of simulating the physical phenomena accurately. In order to accurately simulate the complicated river geometry and overcome the difficulties of numerical simulation resulting from both complex boundaries and differences between length and width scales, a two-dimensional river ice numerical model based on a boundary-fitted coordinate transformation method was developed. The presented model considers the influence of the frazil ice accumulation under ice cover and the shape of the leading edge of ice cover during the freezing process. The model is capable of determining the velocity field, the distribution of water temperature, the concentration distribution of frazil ice, the transport of floating ice, the progression, stability, and thawing of ice cover, and the transport, accumulation, and erosion of ice under ice cover. A MacCormack scheme was used to solve the equations numerically. The model was validated with field observations from the Hequ Reach of the Yellow River. Comparison of simulation results with field data indicates that the model is capable of simulating the river ice process with high accuracy.     

河冰演变过程分析的一维数学模型研究

通常情况下,河流中的冰情可以按照冰的形成和消融过程分为3个阶段:结冰期,封冻期和解冻期。一个能够完整描述河流结冰、封冻和解冻过程的河冰数学模型由以下3个分模型组成:水力模型、热力模型和冰冻模型。水力模型用于计算河道中流场和其水力要素;热力模型用于计算水体热交换,水温分布和降温过程;冰冻模型用于模拟水内冰的产生,冰花输移,浮冰输移,底冰增厚和消融,冰盖的形成、推进和增厚,冰盖的热力增厚和消融,冰盖前缘下潜输冰能力和冰塞演变过程。这3个模型相互影响和作用,水力条件影响热力交换和冰冻过程,热力条件决定冰冻过程,冰冻过程又反过来影响水力条件和热力条件。本文给出一个能够完整描述河流结冰、封冻和解冻过程的一维河冰数学模型,当然也可以用其中的分模型计算某一特定河冰过程。     

黄河下游冰坝形成条件分析

黄河下游河道由于特定的地理位置,河道形态和水文、气象条件的组合,常常造成凌讯期部分河道卡冰结坝。通过对黄河下游河道冰坝的形成机理、冰坝的类型、冰坝的生消演变规律的分析,对进一步开展黄河下游河道冰坝的预测预报,搞好黄河下游防凌工作有着重要意义。     

基于神经网络理论的开河期冰坝预报研究

在北方高寒地区的天然河道,开河期冰坝形成和导致凌汛的机理复杂,目前的冰水动力学模型难以模拟和预报其发生、发展和溃决的过程,可用的冰坝预报多采用传统的统计学方法和经验判别式法,为应对严重的防凌形势,迫切需要找到冰坝预报的新方法。本文在对开河期冰坝成因及机理研究的基础上,建立了基于神经网络理论的冰坝预报模型,并将其应用到黑龙江上游凌汛灾害频发的漠河江段冰坝预报中。通过神经网络聚类法预报冰坝是否发生,神经网络聚类法预报精度为85%,高于传统统计学的几率分析法62%的预报精度。通过预报开河日期实现了对冰坝发生时间的预报,开河日期预报平均预见期为10天,最大误差2天,预报合格率100%。该模型提前准确预报2017年黑龙江漠河江段开河冰坝发生情况。及时、准确的冰坝预报能为提前制订主动防凌方案和采取必要防凌措施提供重要的依据。