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。     

冰期河道糙率分析和计算方法研究现状的评述

本文对现有冰期河道糙率分析和计算方法的研究现状进行了综述，包括冰期河道阻力的组成；河道综合糙率，冰盖糙率，冰盖糙率和床面糙率间的关系；冰期河道综合糙率的各种计算方法以及冰盖糙率和床面糙率的计算方法，本文还用计算例对各种综合糙率计算方法进行了比较，并对产期糙率研究的问题和我国北方河流冰期观测等问题进行了讨论。     

潮汐河段糙率n的计算分析

针对平原河道糙率计算方法,探讨受潮汐影响的宽浅河段糙率计算。以长江河口段为例,分析潮周期内流量变化过程以及流速沿水深分布特征,选取落潮稳定时段,利用流速垂线分布特征及Einsten断面综合糙率计算方法计算河道糙率。利用明渠非恒定流圣维南方程,推算涨落潮历时过程中计算河段逐时河道糙率n,分析非恒定流量变化d Q/dt对糙率影响,反映了潮汐河段河道糙率变化特征,分析其落潮过程中,随水位降落洲滩水深植被等影响下河道糙率的变化情况,采用落潮稳定期天然实测资料,进行代表性断面测点垂线流速分布特征,综合糙率计算法和河道水力计算推求糙率法,分析确定河道糙率。     

明渠冰盖下流动的综合糙率

明渠冰盖下流动的综合糙率nc是确定冰期水位和流量关系的关键参数,本文根据冰盖区和床面区的边界条件和流量的连续性条件提出了通用的综合糙率公式,研究了冰盖下一般矩形明渠和宽浅明渠流速分布及流速比a对综合糙率nc的影响,在此基础上,计算分析比较了通用综合糙率公式、Einstein公式、Belokon-Sabaneev公式和Larsen公式的差异和使用条件,结果表明:对于宽深比b/H较小的矩形明渠,采用Belokon-Sabaneev公式将产生很大的计算偏差,Larsen公式只适合宽浅明渠,而Einstein公式是通用综合糙率公式的最好近似,推荐在工程设计中采用。     

河道冰盖输水过流能力分析

冬季输水河道形成冰盖后,湿周增大,水力半径减小,加之冰盖底面糙率的影响,致使河道过流能力减小。依据河北省大清河系南拒马河、大清河、白沟引河冰期输水观测成果,计算了不同河段冰盖糙率,分析了冰盖对河道过流能力的影响,以及试验河段冰盖糙率的变化范围和冰盖对河道过流能力的消减幅度,为冬季河(渠)道冰盖输水提供了参考依据。     

基于涡黏度模型的冰封河道纵向时均流速垂向分布解析解

冰盖的存在显著改变了河道水流结构,使流速垂向分布关于零切应力平抛物线面呈型。考虑到准确预测冰盖下水流流速分布是计算冰封河道流量、泥沙输移率和河床演变预估的基础,本文应用双层假定和冰盖流涡黏度模型,推导出一个物理意义明确且速度梯度连续的冰封河道纵向时均流速垂向分布解析解,并明确常见的冰盖流对数流速公式和双幂律流速公式的应用条件。采用水槽实测数据和原型实验数据,对比分析所提出的解析解与现有对数公式和双幂律公式的有效性和精确性,并基于本文解析解探究了纵向时均流速垂向分布对各物理特征参数的敏感性。结果表明,该解析解的流速计算值与实测值吻合较好且较现有对数公式和双幂律公式具有较高精度;雷诺数的较小变化并不会引起纵向时均流速垂向分布的较大改变,但流速分布对冰盖糙率与河床糙率的相对值比较敏感,且纵向时均流速的最大值偏向于较光滑边界一侧,该结论与以往基于k-ε湍流模型所得到的数值结果是一致的,再次证实了本文解析解的有效性。     

河道冰盖输水过流能力分析

冬季输水河道形成冰盖后，湿周增大，水力半径减小，加之冰盖底面糙率的影响，致使河道过流能力减小。依据河北省大清河系南拒马河、大清河、白沟引冰期输水观测成果，计算了不同河段水盖糙率，分析了冰盖对河道过流能力的影响，以及试验河段冰盖糙率的变化范围和冰盖对河道过流能力的消减幅度，为冬季河（渠）道冰盖输水提供了参考依据。     

卵石夹沙河床长期清水冲刷的数学模型

采用一维稳态数学模型计算沿程水位.考虑河床组成物质沿河宽、沿深度和沿程的变化,将水流阻力分解为沙粒阻力、沙波阻力及河道形态阻力,提出了相应阻力系数的计算方法.根据垂线平均流速的横向分布,逐条垂线计算不冲粒径,以形成抗冲保护层作为控制条件,计算各条垂线处的冲刷深度,修改河床高程,并得到冲刷粗化以后的河床表层级配及断面平均粒径.对于给定的流量,求得冲刷粗化以后河道沿程的阻力系数、水位、流速及航运条件,以模拟卵石夹沙河床长期清水冲刷的情况.     

冰情模型中不确定参数的影响特性分析

数学模型中参数的不确定性直接影响到模拟结果的不确定性。以南水北调中线工程冬季输水为例,根据实测和设计资料,采用自主开发的大型长距离调水工程冬季输水冰情数值模拟平台,重点分析了冰情数学模型中单一参数（冰期冰盖糙率、大气与冰盖的热交换系数）的不确定性对冰期冰盖形成、发展、消融和水位、流量等要素的影响,并计算给出了一般规律。研究表明,初始冰盖糙率的不确定性对典型年冰期水力学要素的变化过程影响较大,主要反映在沿程各计算断面的水位、流量波动以及结冰期冰盖前缘动态发展模式上,而对冰情范围及与冰相关的变量变化过程无影响。大气与冰盖的热交换系数的不确定性直接影响到最大冰盖厚度的模拟结果,而对冰盖的发展规律影响不大。建议及早准备开展中线工程冰期输水原型观测工作,对上述不确定参数进行率定。     

冰盖下散粒体泥沙起动流速的试验研究

本文通过水槽试验，对模拟冰盖流的河床泥沙起动流速进行了试验研究，探讨了冰盖流下河床泥沙起动流速的变化规律。试验表明:冰盖下泥沙起动流速与冰盖及槽底糙率的相对比值有关。     

感潮河段底床阻力特性分析

为更好地了解长江感潮河段的底床阻力特性,在实测资料的基础上,结合流速对数分布的假设及谢才公式和曼宁公式给出了适合长江梅子洲河段(感潮河段)糙率的计算公式,并将公式加入到二维有限元水动力数学模型HSCTM中。数值计算的水位、流速及流场均显示了糙率公式的合理性;从尼库拉兹实验出发结合希夫林松的阻力公式从理论上探讨了摩阻流速和糙率高度之间的关系,并采用长江感潮河段的实测资料印证了两者之间存在间接的线性关系。     

河流水冰沙耦合模型研究Ⅰ：原理和方法

河流水沙研究一般忽略冬季河冰对泥沙输运、河床侵蚀和岸滩崩塌的影响,但北方河流如黄河等冬季冰期的防凌减灾和河道的演变均不能忽略河冰过程,亟需研究河冰全过程影响下的水冰沙耦合作用机理。本文首先总结了河冰水力学的理论发展,针对北方河流建立了二维水冰沙耦合数学模型,包括二维水沙数值模块、河冰动力学模块和岸滩侵蚀模块,并介绍了该耦合模型的求解步骤和方法。研究表明:通过三个模块间的信息传递和数据反馈,该数学模型具备模拟冰塞冰坝等极端工况下的水流变化、河冰堆积和释放、泥沙运动、河床冲淤和岸滩侵蚀等过程的能力。该模型将水沙理论和河冰理论结合起来,可用于北方河流全季节与河冰生消全过程的水冰沙耦合过程模拟,为北方河流管理提供了有力工具。     

冰盖下典型复式断面河道水深平均流速的横向分布

开展冰盖下典型复式断面河道水深平均流速的横向分布规律研究,对于凌汛防治具有重要意义.本文在SKM法的基础上,结合双层假设理论,并将二次流项并入雷诺切应力项,建立了考虑河床摩擦、冰盖阻力、横向剪切湍流和二次流影响的准二维数学模型.与相应的物理模型实验结果对比发现,所提出的准二维数学模型能够合理预测复式断面河道各断面的水深...     

融冰期加厚冰盖糙率物理模型试验研究

流凌期输水能力可能成为制约输水工程冰期输水能力的瓶颈,而流凌期允许冰凌下潜,采用加厚冰盖下输水方式运行可以有效提高工程输水能力。加厚冰盖糙率的合理选择直接影响加厚冰盖形成后渠道水位和过流能力计算的正确性,但是加厚冰盖的糙率受到多种因素的影响,见刊的实测资料中,其糙率分布范围很宽。现以冻结模型冰为试验材料,以南水北调中线工程总干渠为原型,通过物理模型试验研究得到:输水渠道融冰期加厚冰盖形成初期糙率约为0.029,以供南水北调中线工程冰期输水调度和冰害防治提供参考。试验研究同时表明:水力加厚冰盖底面的最大水流弗劳德数取值0.09是合适的;力学加厚冰盖前缘都是水力加厚类型的,其长度大约与水面宽度相近;力学加厚冰盖形成和发展的过程是这样的一个循环:前缘发展→推挤增厚→前缘发展。     

DETERMINATION OF RESISTANCE TO FLOW IN ICECOVERED CHANNELS USING SEMI-LOGARITHMIC VELOCITY DISTRIBUTION

1.INTRODUCTIONTheformationoficecoveronflowingwatergreatlyaltersflowcharacteristics,resultinginthechangeofvelocitydistributionandtheincreaseofflowdepthincomparisonwithfreesurfaceflowwiththesamedischargeduetotheincreasedresistancecausedbyanadditionalsolidboundary.Fromengineeringpointofview,estimationofconveyingcapacityofice--coveredstreams,orcalculationofwatersurfaceprofilealongriverreachwithicecoverisveryoftenrequiredinrivermanagementinvolvingtheoperationofreservoirswhenreleasesbaseduponthe…     

MOMENTUM,ENERGY AND DRAG COEFFICIENTS FOR ICE‐COVERED RIVERS

A lack of reliable hydraulic parameters has been a main factor hindering the progress in predicting ice‐covered river flows; the predictions need input hydraulic parameters such as the energy, momentum and drag coefficients (α, β and C_D). In this paper, a large volume of winter measurements of flow velocity collected from 26 ice‐covered rivers is analysed to determine the coefficients. Using cross‐sectionally distributed streamwise velocities, α and β are evaluated directly. They are also derived from empirical relationships. For both the riverbed and ice cover, C_D is evaluated on the basis of turbulent boundary‐layer theory and the quadratic law for friction. The results show that ice‐covered river flows feature a number of velocity distributions: a single core of high velocities in the thalweg, a single core of high velocities off the thalweg and multiple cores of relatively high velocities at the cross section. The velocity distributions are significantly non‐uniform. Direct evaluations give overall averages of α = 1.23 and β = 1.08. They represent 22% and 8.3% corrections to the literature values (overestimates). An examination of the velocity distributions reveals that the ratio of the maximum velocity to the cross‐sectionally averaged velocity equals 1.356. It is recommended that values of C_D = 0.004 ± 0.0005 and 0.002 ± 0.0005 be used for the riverbed and ice, respectively. This paper discusses turbulence shear stress and the associated length scale in the boundary layer as well as winter discharges. The results have applications to aquatic ecology, water resources development and flood prevention. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

黄河什四份子弯道冰期水流及冰塞特征研究

覆冰条件下,弯道水流固有的三维特性更为复杂,对河流弯道冰下水流特征及冰塞的研究有助于推进防凌减灾工作。依据2020年1月稳封期的原型观测数据,对黄河什四份子弯道冰下水流及冰塞特征进行了详细分析。结果表明,弯顶节点工程引起的回流是阻冰的重要条件,上游下潜的冰花因水动力不足及河势等因素影响发生堆积,冰塞在弯内形成并沿凹岸主槽逐渐向上游发展,同时,弯顶卡冰封河与下游较大的水流流速,促进了清沟的形成;入弯至弯顶区间,冰下水流流速垂线分布基本服从双对数分布规律;受凹岸冰塞及回流影响,纵向上,水流流速呈减小趋势,在弯顶附近开始恢复;径向上,河道主流被冰塞压迫并逐渐趋于凸岸,致使弯道主流易位,凸岸水流流速大于凹岸,清沟向凸岸偏移;弯道水流湍动能与雷诺应力主要在近底处存在较大的变幅,表明近底水流运动活跃,且二者大小与流速大小在径向与纵向分布上具有较好的一致性,受冰盖影响,水流湍动能沿水深近似呈"S"形分布,雷诺应力分布无明显规律。     

凌汛危害及其防护措施

凌汛在冬春季节江河水充受冰凌阻碍而引起的涨水现象，凌汛的发生与江河所处的地理位置密切相关，由于河流下游段的纬度高于上游段，因而产生封冻时下段早于上段，解冻时下段迟于上段，再加上江河中一些河段弯曲狭窄，在封冻流冰期，易开成冰塞洪水；在解冻流冰期；易产生冰坝洪水，其结果轻则漫滩，重者决堤成灾，造成很大灾害。我国在防凌汛洪水措施方面积累了较丰富的经验，在实路中逐步认识到凌汛的产生是由于热力和动力因素共同     

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。