河道冰塞的模拟

研究了河道冰塞的模拟，根据冰塞形成发展的机理，提出了描述冰塞形成的发展方程，包括：（1）非恒定流基本方程；（2）水流的热扩散方程；（3）冰花的扩散方程；（4）水面浮冰的输运方程；（50冰盖和冰块厚度的发展议程（6）冰塞下冰花含量和冰塞厚度的计算；（7）冰盖的形成发展方程等。为了检验数学模型，利用实测资料，模拟了在1963－1964年冬季松花江流域白山河段冰塞的形成发展过程     

河流冰塞的形成与壅水计算

我国北方河流,冬季普遍存在着冰情现象,依据成因不同,将河流冰盖分为热力冰盖和动力冰盖2种.河流冰情分为3种类型,第一种形成热力冰盖,第二种形成动力冰盖,即冰塞,第三种流冰花但不封河.冰塞可分为头部段、稳定段和尾部段3部分,其中冰塞稳定段的水流状态近似于管流,基于管流理论,依据黄河万家寨水库实测冰塞资料时形成冰塞稳定段的各种水力要素进行相关分析,推导出水库冰塞的计算方法.从验证计算和合理性检验两方面看,该方法的计算结果比较合理,可用于计算水库冰塞.     

冰塞厚度分布计算模型的探讨

(一)研究概述 冰塞是重要的江河冰清现象之一,早已引起寒带国家的重视。以往不少学者对冰塞的形成,提出过一些理论和原型观测结果;近年米,人们已用计算机来模拟江河冰情。1981年Petryk、Michel和Drouin,1984年Calkins等先后提出了一维分段恒定流模型;1984年沈洪道和Yapa提出过一维非恒定流模型;1986年沈洪道和何庆丰又提出了一个冰塞形成的二维模型。至今,人们对破碎冰盖形成的冰塞研究较多,而对水内冰在冰盖下积聚而成的冰塞研究仍较少,本文在     

黄河宁蒙河段冰塞增多冰坝减少的成因分析

对黄河宁蒙河段冰盖、冰塞、冰坝形成和发展的主要因素进行了分析,研究了龙羊峡、刘家峡两水库联合运用对这些因素的改变作用。结果表明:影响冰塞和冰坝形成、发展的因素主要有热力因素、水力因素和河道边界条件;导致宁蒙河段冰塞增多、冰坝减少的根本原因是龙羊峡、刘家峡两水库联合运用造成的宁蒙河道淤积。     

冰盖下桥墩局部最大冲刷深度试验研究

冬季寒冷的北方河流易形成冰盖或冰塞,冰盖的存在对桥墩附近局部冲刷产生影响。在清水冲刷条件下,试验研究了有无冰盖条件下,不同流速和水深对桥墩附近局部冲刷的影响。研究结果表明：对比明流条件,冰盖的存在导致更大的近底流速和近底流速梯度,从而桥墩局部最大冲刷深度更大;其它条件相同的情况下,随流速的增大,桥墩局部最大冲刷深度增大;随着桥墩墩径增大,桥墩局部最大冲刷深度增加;水深增加时桥墩局部最大冲刷深度相对减小。根据试验数据,给出了有冰盖条件下桥墩局部最大冲刷深度的计算公式,与国内外相关试验数据吻合较好。     

河流冰塞 冰坝特征计算

1 冰塞现象特征计算冰花和破碎冰块在河床的聚集会形成冰塞。冰塞会使河床过水断面减小,使其上游水位抬高,冰塞下游水位降低。冰塞的形成过程可分三个阶段: (1)冰花和冰潜到冰缘下; (2)冰花和冰在冰盖下移动和堆积;     

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。     

冰盖条件下桥墩局部冲刷研究进展

冬季,寒冷地区的河流会出现冰盖或冰塞现象。冰盖的存在使水流湿周增加,流速剖面与明流条件下完全不同,最大流速出现在河床表面和冰盖底部之间,具体位置取决于河床和冰盖的相对粗糙程度。因此,冰盖条件下桥墩局部冲刷过程不同于明流条件下的局部冲刷过程。明流条件下的桥墩局部冲刷是国内外学者研究的热点问题之一,但关于冰盖条件下桥墩局部冲刷的研究工作却非常有限。在简要回顾明流条件下桥墩局部冲刷研究成果的基础上,对冰盖条件下桥墩局部冲刷的研究成果进行了综述和讨论,并提出了今后的研究方向。     

适用于明渠流及冰盖流的统一泥沙颗粒起动流速公式

为得到冰盖流条件下的非黏性泥沙起动公式,揭示冰期河道断面强烈冲淤变化的机理,基于Einstein假定,推导得到了同时适用于明渠流及冰盖流的统一的非黏性泥沙颗粒起动流速公式,所得公式与已有冰下泥沙起动流速试验数据符合良好。当冰盖糙率为0时,冰盖流泥沙颗粒起动流速公式即化为明渠流泥沙颗粒起动流速公式。应用所得公式,比较了明渠流、冰盖流、冰塞条件下的起动流速及可起动最大泥沙粒径关系,冰塞条件下起动流速最小,可起动最大泥沙粒径最大。2014年冰期黄河头道拐断面发生强烈冲淤变化,是冰花集聚形成冰塞引起可起动最大泥沙粒径增大所致。所得公式及所揭示机理,将为进一步深入研究河道冰期泥沙输移规律提供重要思路和参考。     

冰期输水研究进展

高纬度寒冷地区的河流在冬季结冰是一种普遍现象。冰块堆积，堵塞和聚集形成的冰坝、冰盖和冰塞会导敛河道阻力增加，致使卜游水位上涨，并可能造成冰期洪水，建筑物破坏，航运不畅等危害。研究河冰形成和演变规律，寻求相出的解决办法保证冰期安全输水成为许多国家关心的重要问题。国内外一些学者通过原型观测，试验和数值模拟的方法对水内冰，岸冰，底冰，冰盖和冰塞的生成和演变，封冻河道的阻力、过流能力和水位变化等有关问题进行『，研究。前苏联，加拿大，北欧等国家和地区结合河冰研究的成果，在引水工程中采取各种有效措施，达到了冬季安全引水的目的，积累了许多有价值的经验。由于河冰问题的复杂性，已有的理论成果和工程经验还很不完善．需要进一步的研究。本文对上述河冰问题的研究成果以及冰期输水的一些工程经验作简单介绍。     

Numerical simulation of mechanical breakup of river ice-cover

Ice jams and ice dams in rivers will cause significant rises of water levels. Under extreme conditions, the ice flooding during winter or early spring may occur. In this paper, by considering the fluid-solid coupling effect caused by the water and the ice cover, the mechanisms of the mechanical breakup of the river ice cover are studied. A formula is obtained for determining whether or not the mechanical breakup process would happen under the hydraulic pressure of the flow. Combined with the hydraulic model under the ice covered flow, a numerical model is built and the interaction between the discharge, the hydraulic pressure under the ice cover and the date for the mechanical breakup of the river ice cover is simulated. The simulated results of the dates for the mechanical breakup of the river ice cover agree very well with the field observations of the breakups of the river ice cover in the Hequ Reach of the Yellow River. Therefore, the numerical model might serve as a good preliminary step in studying the breakup of the river ice-cover, evidencing many important parameters that affect the ice-cover process.     

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。     

冰波运动特性及盖移质输冰能力研究

冰下盖移质冰颗粒集体运动时易形成一种特殊的冰情现象——冰波，其运动特性与冰塞形成、堆积演变及输冰能力密切相关。为探究冰波运动特性及盖移质输冰能力，借鉴泥沙输移理论，从理论层面建立了冰波运动的基本控制方程与盖移质输冰率方程，进一步推求了无量纲盖移质输冰强度（输冰能力）与水流强度的本构关系。结果表明:冰波形成需要一定的水力条件，冰波波高与背流面波长的变化及表征水流强度的弗劳德数Fr相关，同时也受水深、冰下阻力等因素的综合影响；建立的输冰率公式体现了输冰能力与水流条件的关系，且考虑了冰盖影响，优化了输冰能力的计算结果；总体上，输冰能力与水流强度呈复杂的函数关系，但水流强度仍是体现输冰能力的主要指标与便捷指标。研究结果可为寒区河流输冰能力的计算提供理论参考，同时可辅助揭示河流冰塞的形成机理。     

大清河系观测河段及南水北调中线方案冰情计算分析

 为研究南水北调中线方案总干渠冰期输水问题，通过对大清河系冰情分析、水位水温验证计算及冰情影响计算表明：建立的一维非恒定水力学和水温数学模型可行且验证精度较高；观测河段无冰盖时糙率为002～003，有冰盖时糙率增加到003～004；假定不出现冰情，观测河段水位将下降01～04 m，过流能力将提高30%～65%。总干渠与大清河冰情对比分析表明：冬季冰期输水期间，总干渠可以不考虑岸冰和底冰，并且难以形成静态稳定冰盖，水内冰、水面流冰、冰塞和冰坝的出现和存在将不同程度上影响总干渠的糙率、水位和输水能力。     

大清河系观测河段及南水北调 中线方案冰情计算分析①

为研究南水北调中线方案总干渠冰期输水问题，通过对大清河系冰情分析、水位水温验证计算及冰情影响计算表明：建立的一维非恒定水力学和水温数学模型可行且验证精度较高；观测河段无冰盖时糙率为０．０２～０．０３，有冰盖时糙率增加到０．０３～０．０４；假定不出现冰情，观测河段水位将下降０．１～０．４ ｍ ，过流能力将提高３０％ ～６５％ 。总干渠与大清河冰情对比分析表明：冬季冰期输水期间，总干渠可以不考虑岸冰和底冰，并且难以形成静态稳定冰盖，水内冰、水面流冰、冰塞和冰坝的出现和存在将不同程度上影响总干渠的糙率、水位和输水能力。     

A Modified Muskingum Flow Routing Model for Flood Wave Propagation during River Ice Thawing-Breakup Period

During the period of river ice thawing and breakup process (termed as “ice cover thawing-breakup”), vast amount of water stored in ice-covered river reach will be released comparing to that under open flow condition. The flow routing process during river ice thawing-breakup period will be different from that under open flow condition, since water stored in and channel from ice thawing-breakup process and flow routing process are very complicated. If the flow routing process during river ice thawing-breakup period can be predicted, it will very important for flood protection in the downstream river reach. In present study, water released from ice cover thawing process is considered as the lateral inflow to the channel flow during propagation process of flood wave from upstream to downstream. A model for the flood routing process during river ice thawing-breakup period has been developed based on the Muskingum hydrologic method. Using the modified Muskingum model, the routed outflow hydrograph has been determined along the Baotou Reach of the Yellow River during river ice thawing-breakup period. Results showed that the simulated hydrographs using developed model agree well with those of field measurements.

     

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。     

2000年以来黄河宁蒙河段开河期冰凌洪水特点分析

黄河宁蒙河段开河期冰凌洪水主要集中在3月中下旬,一般由融冰洪水与冰坝洪水组成,其特点主要表现在:凌峰、洪量年际变化大,沿程增加明显,头道拐站易形成多峰,峰型系数较夏汛小,洪水历时较夏汛短,水位表现较夏汛同流量水位高,流速在涨水段慢于落水段。这些特点主要与宁蒙河道形态、水利工程、封河期上游来水及开河期气温、开河形势、封冻期形成的槽蓄水增量大小、沿程分布及其释放程度有关。     

加厚冰盖渗流对渠道输水能力的影响

输水渠道冰期输水能力日益成为工程运行管理、学者研究关注的焦点。输水能力的研究不能仅仅局限在正常输水期(明流期和封冻期),还应该考虑非常工况下工程的输水能力,比如流凌期的输水能力。普遍认为流凌期输水能力将可能成为束缚冰期输水能力的瓶颈。为提高流凌期输水能力,可以采用加厚冰盖下的输水方式运行。通过理论分析和物理模型试验相结合的方法,针对加厚冰盖渗流对输水工程冰期输水能力的影响进行了研究,结果表明:由于结冰期加厚冰盖孔隙率较大,其渗透系数大于融冰期加厚冰盖;冰凌形状系数t/L对加厚冰盖渗透系数影响较小;随着冰厚的增加,加厚冰盖渗透系数逐渐减小,尤其当冰厚小于0.1m时,渗透系数衰减迅速;随着渠道总流量的增加,加厚冰盖渗流量相应增大,但是渗流量在总流量中的比重却随总流量的增大而减小;加厚冰盖渗流在渠道输水流量中所占比重很小,一般情况下,对输水渠道冰期输水能力的影响可以忽略不计。