淡水侧向冰水界面融化现场测试和能量平衡模型

在融冰期的淡水冰层上挖凿开敞水域，连续观测气温、水温、辐射和风速风向等，采用触点测量设备监测冰-水侧向界面的融化量，获得冰-水侧向界面融化速率。根据冰层内的热量平衡过程分析冰-水侧向界面的形状变化和影响融化速率的因素。侧向融化速率受水温影响明显，风速、气温和辐射对侧边界摩阻速度和显热潜热比例具有一定的影响。黄河开河期周边的河迹湖，冰-水侧向界面热通量远大于底部热通量，从而影响区域水环境。     

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。     

实测冰-水侧向界面热力学融化速率

在融冰期的乌梁素海人工挖凿开敞水域以模拟浮冰-水道系统,连续观测冰-水侧向界面的热力学侧向融化。根据实测数据,分析冰-水侧向界面的形状变化和影响融化速率的因素。结果显示,冰-水侧面中部形状近似直线,下部呈圆弧状,上部受气温影响向内或向外倾斜。气温是影响融化速率的主要因素,平均气温越高,融化速率越大。风速越大融化速率越低,既表现在高风速与低气温往往同时出现,又表现在风速加速了水体蒸发而降低水温。风拖曳表层水体运动,加速迎风侧水体的热量对流,降低水温,降低融化速率;通过二元回归分析建立融化速率、气温和风速之间的关系的相关关系。     

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...     

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。     

乌梁素海湖泊冰生长过程的现场观测

为了研究湖泊结冰过程中特有的水文特性对冰封期水环境的影响,以乌梁素海湖泊为研究对象,对湖泊冰生长过程中气温、冰温和水温进行在线观测,以分析冰温和水温对气温的响应关系。用冰钻钻取冰厚依次为9.5、21.0、31.0、41.0、59.0 cm时的冰柱样品,对其表观密度进行测定,并从冰的透明度、冰晶体类型、气泡数量和冰柱底面纹理四方面分析每段冰柱的形态结构。结果表明:冰温和气温有相同的变化趋势,冰温的变化滞后于气温的;冰下水的温度不受气温的影响,稳定在-0.25~-0.50℃;湖冰生长期冰的表观密度为895.2~903.3 kg/m3,冰柱下层的表观密度小于上层的,这与冰生长速率和气泡的数量及体积有关;湖冰生长过程中不同深度冰柱的透明度、晶体类型、气泡含量和底面纹理有较大差异。     

利用现场观测和力学试验确定设计冰力学参数

以斜坡结构物二维冰力计算公式为理论依据,给出平原水库设计所需要的冰力学参数的合理取值。通过开展水库冬季冰面现场观测,得到冰层第二次爬坡发生时的等效应变速率、典型冰温;结合大量的冰力学性质的试验研究,给出在护坡工程中最不利条件下,即冰层第二次爬坡时水库冰弯曲强度、弹性模量及冰与护坡材料间动摩擦系数的设计取值。     

冰盖对南水北调中线工程渠道作用力物理模拟试验研究

为探究冰盖对南水北调中线工程渠道边坡作用力的产生过程和作用规律,通过低温环境实验室对模拟渠道进行了淡水冻结以及淡水冰升温试验。研究发现,冻结期冰盖厚度随着气温降低而持续增长的同时,冰力也在随之变化。但由于冻结期内冰底水冻结成冰的相变体积膨胀产生的压力与冰盖因冷缩对边坡产生的拉力相抵消,导致冰力对边坡的影响较小,几乎可以忽略。虽然升温期冰温呈上升趋势,但在冰底温度低于冰点温度期间,冰仍继续缓慢增长,冰盖热膨胀力明显上升,直至冰层内部温度梯度接近消失,冰温接近冰点温度。之后,随着气温的进一步升高,冰盖进入融化相变,冰力开始下降。研究成果对于渠道冰期安全运行和冰盖对渠道边坡作用机理的研究具有一定参考价值。     

湖泊三维水动力——水温耦合模型及其应用研究

水温是湖库科学研究中的重要环境因子之一,是认识水体各种理化生现象和动力过程的基础。水温很大程度由太阳辐射决定,最新研究成果表明水体与床体的热交换收支对浅水湖泊垂向水温分布也有很大影响。研究湖泊热循环规律,选择合适的水气热交换计算方法,通过联立CE-QUAL-W2底部热交换模型方程和一种改进的床体热平衡方程求得水体-床体热通量。基于σ坐标变换和相关定解条件建立三维水动力学-水温耦合模型,采用有限差分法对模型方程进行求解。以武汉市东湖为研究对象,根据东湖1978年7月的定点观测资料进行水温模拟,探究东湖水温月变化、日变化过程。     

垂向一维水温模型在东江水库中的应用研究

针对现有垂向一维水温模型研究中缺少对模型关键参数和边界条件敏感性的系统分析,以东江水库为例,开展了垂向一维模型在湖泊型水库水温模拟中的适用性研究。研究结果表明:东江水库库区斜温层变化主要受气象条件控制,年内下泄水温过程稳定,模型能够较好模拟出垂向水温结构演变及下泄水温过程特征,与实测结果吻合良好;表层水温计算对水气热通量参数较为敏感,垂向扩散系数是影响垂向水温结构模拟的关键参数;同时,不同精度系列的气象过程不改变水库的整体热量收支,对水温结构基本无影响。     

Ice–water heat exchange during ice growth in Lake Baikal

Using a custom-made thermistor chain frozen into the ice cover we obtained the first detailed information on distribution of temperature within ice and structure of the ice–water boundary layer during ice growth in Lake Baikal. A mathematical model of the heat transport in a multilayer ice–water system (Stefan problem) was developed and verified on results of in situ measurements. Effective coefficients of thermal diffusivity and ice–water heat fluxes were estimated from the inverse solution of the model and compared with direct flux estimates from the flux-gradient method. Both estimations agreed on flux values of 1–10 W m^− 2 and demonstrated strong synoptic variability in ice–water heat exchange. We estimated the thickness of viscous laminar sublayer under ice, as well as the thickness of the transitional layer on top of the turbulent water column. The thickness of the viscous sublayer of 1–1.5 cm in Lake Baikal was several times smaller than values reported previously from small lakes, suggesting high magnitudes of convective velocities and/or of the under-ice currents in Lake Baikal. Significant growth of the thermal diffusivity coefficient with increasing distance from the ice bottom was detected: its value at the top of the transition layer of under ice water was 10–40 times higher compared with its value in viscous laminar sublayer. This is also significantly higher than previous estimations in smaller freshwater lakes.     

寒冷地区供水工程引水明渠结冰问题数值模拟

以宁夏吴忠金积供水工程为例,对在冬季寒冷地区利用引水明渠从河流或水库引水时遇到的结冰问题进行研究。利用一维非恒定水力热力耦合数学模型对3种典型工况下引水明渠水温分布进行数值模拟,得出不同水深、不同风速时的初始结冰位置。利用冰盖厚度发展数学模型对10 a来冰盖发展情况进行数值模拟,并与经验公式计算结果进行对比,得到了较为一致的结果。根据数值模拟结果,得出寒冷地区引水明渠冬季供水时渠水温度的分布规律,总结出影响水温分布及初始结冰位置的因素。     

寒区工业取水口防冰工程新方法的研究

寒冷地区火、核电厂的取水口或取水流道在严冬季节易受到冰块或水内屑冰堵塞，电厂将因取不上水或取水量不够而被迫停产或减负荷运行。本文探讨利用电厂自身排出的含水量废热的温排水缓解取水口及取水流道上的冰情，给出了温排水的融冰能力估算方法，并以我国丹东电厂温排水缓冰工程为例进行了试验研究，所得结论可用于寒带地区的火、核电厂及其他工业用水的取水口工程的防冰、缓冰设计。     

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。     

寒区水库冰盖形成与消融机理分析

根据对黑龙江省胜利水库冬季冰盖十余年资料的研究，考虑冰盖与大气、水的热交换过程及水库水温变化对冰盖厚度的影响等因素，建立了寒区水库冰盖生长的一维数值模型并给出了求解方法。与传统经验法相比，此模型考虑因素多，计算结果更符合实际，精度较高。同时还探讨了水库冰盖消融阶段冰压力沿深度分布规律、累积日平均气温与冰厚的关系和水库开库方式与累积气温的关系等。     

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.

     

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。