黄河河道冰层雷达波特征图谱的现场实验研究

2013年-2014年冬季,利用RIS K2型探地雷达在内蒙古头道拐水文站黄河河道断面开展冰层厚度探测试验。试验使用不同频率天线探测冰厚,并与钻孔实测冰厚对比。结果显示200 MHz频率天线可探测到冰下更深部位的状况,并能够识别出冰花层。利用雷达探测图谱中电磁波传播时间和实测冰厚得到盛冰期雷达电磁波在冰内的实际传播速度为16.3cm/ns;而融化期雷达电磁波在冰内的实际传播速度小于15.0cm/ns。雷达探测结果还显示垂直于河道断面方向的冰层厚度分布不均匀。主流区是以热力学生长的颗粒冰和柱状冰为主,最大冰厚约为60cm;而非主流区是以冰花冰为主,最大冰厚约为70cm。另外,雷达图谱也可以确定冰层裂缝的具体位置、走向。     

2013—2014年凌汛期黄河头道拐断面冰塞演变及河床冲淤特性

采用ADCP技术,对黄河头道拐河段封冻期的冰下流速和地形变化进行监测试验,获取了断面冰下冰花、流速分布和地形变化的有效数据,并对河床断面变化和冰塞对冲淤的影响进行分析。原型观测表明,头道拐断面河床冲淤变化受冰塞的影响很大,冰花聚集位置受冰下流场影响;冰花聚集与河床冲淤呈相关关系,与流速分布和发展趋势一致;冰花聚集处压缩了过流面积,断面流速减小,河床发生淤积,主河道冰花聚集相对较少或没有冰花,河道底部流速较大,河床发生冲刷。     

2013—2014年凌汛期黄河头道拐断面冰塞演变及河床冲淤特性

采用ADCP技术,对黄河头道拐河段封冻期的冰下流速和地形变化进行监测试验,获取了断面冰下冰花、流速分布和地形变化的有效数据,并对河床断面变化和冰塞对冲淤的影响进行分析。原型观测表明,头道拐断面河床冲淤变化受冰塞的影响很大,冰花聚集位置受冰下流场影响;冰花聚集与河床冲淤呈相关关系,与流速分布和发展趋势一致;冰花聚集处压缩了过流面积,断面流速减小,河床发生淤积,主河道冰花聚集相对较少或没有冰花,河道底部流速较大,河床发生冲刷。     

黄河冰花冰晶体结构及内部气泡分析

黄河冰花冰物理性质独特,对冰凌的生消演变有很大影响。为深入认知冰花冰晶体结构的物理特性,利用冰样采样器对黄河头道拐河段的冰花冰进行采集,利用费氏台获取冰花冰的图像,分析冰晶体及气泡细观结构特征。结果表明：在垂直方向上,冰晶体的平均等效直径范围为1.48～5.85 mm,随深度增加逐渐增大;在同一水平面内,冰晶体粒径差别明显,微小晶粒占比较大;冰花冰主要由0.1～7.0 mm的晶粒组成,直径为0.1～1.0 mm的微小晶粒占比为47.54%;冰花冰气泡平均等效直径在0.3～0.7 mm之间变化,随深度增加逐渐增大;气泡含量在1.90%～6.76%波动,随着深度增加逐渐减小。     

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;     

气温变化对黄河封河期冰厚的影响分析

为分析黄河封河期气温变化对河冰厚度的影响,基于冰与水的导电特性差异性原理,建立了冰情自动监测系统,于2014年对黄河三湖河口水文站、包头水文站、头道拐水文站和万家寨水库库尾河段4个监测点封河期气温与冰厚进行了连续自动监测。监测结果表明,三湖河口水文站与头道拐水文站监测得到的数据客观上反映了负积温同冰厚的关系,引入斯蒂夫模型,建立了黄河封河期负积温变化与冰厚变化的经验关系式。     

海勃湾水库运用以来黄河内蒙古河段凌情变化分析

为分析海勃湾水库运用后内蒙古河段凌情变化情况,分别对建库(2014年)后、1990年—建库、2000年—建库等时段的凌情数据进行统计分析.研究表明:海勃湾水库运用后,内蒙古河段首凌日期推后,首封日期提前;巴彦高勒断面流凌、封河日期明显推后,开河日期明显提前;巴彦高勒断面冰厚显著变小,三湖河口及头道拐断面冰厚略增大;凌汛...     

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。     

气温与结冰过程的分析和计算

选用延寿水文站连续两个典型年度的资料 ,就气温与岸冰、流冰花疏密度及冰厚等 3个方面 ,对结冰过程加以分析研究和计算。     

封河期头道拐水位与万家寨水库水位关系研究

头道拐水文站至万家寨库尾回水末端(拐上)河段长42 km,其间以黑圪劳湾为界,上段属平原型河道,比降较小,历史上年年封河;下段比降增大,历史上较少封河,万家寨蓄水后几乎年年封河。凌汛期间,头道拐河段水位变化是否受万家寨水库水位影响,颇受关注。分析2015年封河期头道拐至万家寨水库河段水位变化过程,得出:库区冰塞头部形成位置取决于河道条件、水库水位和河道流量;库尾冰塞一旦形成,库水位变化不对库尾冰塞产生影响;什四份弯道卡冰封河后头道拐至万家寨河段凌情趋于稳定;头道拐河段水位,流凌、稳定封冻阶段由流量决定,封河发展阶段受冰塞壅水影响,与万家寨库水位变化无关。     

宁蒙河段2009年桃汛洪峰流量异常偏小的原因

对造成2008—2009年度头道拐站桃汛洪峰流量异常偏小的原因进行了分析,结果表明:①水库调控和人工分凌等防凌措施削减了内蒙古河段槽蓄水量和河道基流;②开河历时较长,开河后期出现分段开河形势,不利于槽蓄水量的集中释放;③开河期三湖河口河段水位抬高,滩地上水,致使部分槽蓄水量滞留;④头道拐封冻断面存在冰花渗流,会使槽蓄水量的计算存在一定误差。     

黄河未来气候情景下冰情特征演变分析

了解未来气候变化如何影响河流冰情特征对于研究冰凌洪水灾害、水电生产以及大坝管理运行等问题至关重要。基于黄河流域气象观测数据以及第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中8种全球气候模式(GCMs)的日均气温数据,评估了各GCMs在分位数增量映射(QDM)偏差校正前后对于黄河流域凌汛期日平均气温的模拟能力,预估了黄河流域未来凌汛期气温变化趋势。建立了最大冰厚以及封冻历时预测模型,并预估了黄河防凌重点区域黄河宁蒙段未来最大冰厚以及封冻历时的变化趋势。研究表明,在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5三种气候情景下预计2015—2100年期间黄河流域凌汛期平均气温升温速率分别为0.014、0.031和0.067 ℃/a,黄河巴彦高勒断面21世纪内最大冰厚值将会分别下降8.5、19.5和39.5 cm。SSP2-4.5情景下,随着未来气温升高,2070年之后河道断面仅存一定宽度岸冰、河道中央存在较大清沟的现象将会频繁出现。未来黄河宁蒙段巴彦高勒、三湖河口以及头道拐断面的封冻历时将会呈现出不同程度的缩短趋势,其中巴彦高勒断面缩短趋势最为明显,三种气候情景下封冻历时分别以0.13、0.28和0.66 d/a的速率缩短,三湖河口及头道拐断面封冻历时缩短速率较为接近,分别为0.07、0.15、0.36以及0.08、0.17、0.39 d/a。     

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。     

ADCP技术在黄河河道冰下流速监测中的应用

为提高封冻期冰下流速测验效率,在黄河头道拐河段,利用ADCP开展了黄河封冻期冰下流速野外监测试验,获取了大量的断面冰下流速有效数据。结果表明:ADCP可以完成对黄河封冻期冰下流速的监测;与走航式ADCP相比较,H-ADCP不存在上、下各50 cm的测量盲区,可以完整地采集到断面冰下垂线流速数据;在冰期人工测流非常困难的情况下,ADCP冰下测流是一种值得尝试的新方法。     

基于无人机载雷达技术的黄河冰厚监测试验

河道冰厚是黄河防凌研究的重要指标,目前通过人工钻孔或触冰式探地雷达获取黄河冰厚均要求河流稳定封冻,且工作人员必须在冰面上作业。因此,积极探索更加高效的非接触式冰厚获取方法意义重大。利用无人机搭载探地雷达对黄河什四份子弯道冰厚进行探测,通过现场人工钻孔测量冰厚数据反算雷达波在冰层中的传播速度。结果表明,弯道冰厚分布不均匀,凹岸侧冰厚比凸岸侧大;清沟断面最大冰厚91cm,最小冰厚19cm,靠近水面附近冰厚较小;雷达测量与人工测量结果基本吻合,平均误差不超过2cm。实践证明,无人机载雷达回波图可直观地反映空气-冰、冰-水分界面及冰厚情况,且探测方法具有快速、高效、安全等优点。研究结果对于开发黄河冰厚全新化的监测技术具有重要参考价值。     

机载雷达在黄河稳封期冰厚测量中的应用

为提高稳封期河道冰厚的测量效率,利用机载雷达对黄河内蒙古什四份子弯道进行了冰厚测验,并与量冰尺实测冰厚进行了对比。结果表明,什四份子弯道稳封期凹岸一侧冰厚范围在50～90 cm左右,比凸岸一侧冰厚约厚10～30 cm;清沟两侧冰厚分布一致,平均约50 cm,离清沟越近冰厚越小。机载雷达的测冰效果,平封冰盖最好(绝对误差小于5 cm)、立封冰盖次之、堆积冰盖最差,雷达实测冰厚与量冰尺实测冰厚的标准差为0.039 4,随机不确定度为7.88%,满足冰厚观测规范要求。机载雷达能快速对较大尺度的冰厚区域进行连续测量,极大地提升了冰厚的测验效率,可应用于黄河稳封期的冰厚测验。     

渠道墩柱断面过冰能力研究

为避免流冰输移在桥墩、闸墩等束窄断面停滞、卡堵、堆积,通过相关物理模型试验,研究了不同水力条件、不同冰块尺寸和冰量下的墩柱断面过冰能力。研究结果表明:冰块过流能力与弗汝德数Fr成正比,弗汝德数Fr小于临界值,冰块易在墩柱断面前卡堵,弗汝德数Fr超过临界值,过冰能力显著提升;对于中、大尺寸冰块(L/D=0.8、1.0),第一翻转临界冰厚弗汝德数Ft分别为0.879、1.090,第二翻转临界冰厚弗汝德数Ft分别为1.267、1.355;墩柱断面过冰能力与来冰量成反比,来冰量越大,墩柱断面越容易出现卡堵。通过量纲分析建立回归方程,得到渠道墩柱断面过冰能力经验公式▽=1.028(e~(2.28Ft))(L/D)~(-3.567)×100%(0≤▽≤100%),复相关系数为0.973。研究成果对研究冰水二相流安全输水、防治冰塞灾害具有参考价值。     

基于断裂力学的水库冰板挤压破坏冰压力计算方法

为了给寒区水库护坡抗冰冻设计提供依据,以冰板为研究对象,考虑冰板的破坏特征、性质及冰板形成过程中存在的大量缺陷,应用断裂力学理论研究冰板的挤压破坏极限应力,据此确立冰压力的计算方法。算例计算结果表明:冰板挤压破坏具有脆性特征,冰压力随着冰厚的增加而增大;在冰厚相同条件下,冰压力计算值与标准值和实测值基本吻合;冰压力计算公式能够反映冰压力形成过程的物理本质,符合实际情况。     

黄河内蒙古段冰盖厚度模拟

基于原型观测数据对黄河内蒙古段的冰盖厚度进行模拟,通过引入Colburn类比法计算冰盖下的热通量,在热力学方程中引入河流流量、水流流速、水位河道坡降、冰盖糙率等因素,改进基于Stefan公式的度日法冰厚计算模型。采用巴彦高勒至头道拐河段4个测站的原型观测数据率定该冰厚计算模型的相关参数,并通过气温、水温数据进行冰厚计算。结果表明：改进后的冰厚计算模型在计算结果的精度上达到1.97％,相比于Stefan模型的14.99％、统一度日法模型的4.77％、动水冰厚辐射冰冻度日法模型的14.98％,精度上有所提升,冰厚变化趋势与现场原型观测趋势一致;根据累积气温值与气温序列特征分析2006—2017年的头道拐测站气温数据,提取冬季累积气温值最大的2009—2010年进行冰厚计算,模型计算结果精度为734％。[JP]改进模型在正常天气条件和极端天气条件下的冰厚计算结果均保持较高的精度,研究结果可为极端天气条件下研究区的冰厚计算提供理论依据。     

黄河内蒙段河冰微结构特性及影响因素分析

冰的微结构特性不仅能够反映冰的生长过程,而且对冰的力学、热学、光学和电学性质也具有重要影响。为深入认识黄河冰的微结构特性,对黄河内蒙段不同位置的河冰及乌梁素海湖冰进行现场取样,观测冰晶体结构、冰密度、冰内含泥量和冰内气泡,同时观测冰下流速。结果表明：黄河内蒙段河道内不同位置冰层中冰晶体结构差异明显,单一的粒状冰和柱状冰很少,冰层内存在大量的冰花冰,大部分冰晶体结构表现为冰花冰、粒状冰与柱状冰相互交替;冰内含泥量和气泡含量是导致黄河冰密度变化的主要原因,且不同晶体结构下,冰晶体粒径尺寸、冰密度、冰内含泥量、冰内气泡含量和气泡等效直径的变化范围不同。通过将黄河与乌梁素海的冰微结构及冰形成过程进行对比分析,发现环境温度和水动力条件是造成黄河冰微观结构特性的主要原因。