利用探地雷达探测黄河弯道及桥墩周围冰层厚度

黄河河道冻结结冰过程是黄河防凌汛研究的一个重点,进行弯道和桥墩周围冰层厚度的探测对防治冰凌灾害具有重要的意义。探地雷达对冰厚探测具有便携、高效、连续、快速、实时等优势。雷达天线的频率决定雷达波的穿透深度和分辨率。从雷达图像上可以清楚的识别空气-冰界面和冰-水界面。通过现场打孔测量冰厚数据反算雷达波在冰层中的传播速度进一步提高了测量结果的准确性。测量结果清楚的显示了弯道及桥墩处冰厚分布不均匀。桥墩北侧冰层较厚,弯道主河道处冰层较厚。200 MHz天线的探地雷达可以穿透黄河冰层,雷达图像可以清楚地显示冰-水界面。冰层厚度测量为分析黄河冰的冻结、融化过程以及冬春开河期冰塞、冰坝的治理提供了基础数据。     

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...     

石佛寺水库和乌梁素海冰温剖面类型的统计分析

基于2017年12月至2018年3月在辽河石佛寺水库和黄河乌梁素海的冰温和冰厚观测数据,首先将冰温剖面形态划分为六种类型,然后统计分析调查期间各冰温剖面类型出现的时间和所占比例。发现辐射和气温联合影响冰温度剖面形态;纬度低,辐射强度大引起相同冰温剖面类型需要的气温偏低。各冰温剖面类型都能利用斯蒂芬方程统计,但系数不同,其中符合斯蒂芬模型理想冰温剖面形态的系数最大。各种形态系数的加权平均值与全部类型的综合统计系数较为接近。     

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。     

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。     

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。     

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。     

2019—2020年度黄河头道拐断面冰厚增长影响因素分析

为了解黄河干流同一断面冰厚增长差异及其产生原因,依据2019—2020年度冬季对头道拐断面封冻期原型观测数据,分析冰厚增长方式以及负积温、流速、冰花等对冰厚增长的影响.结果表明:头道拐断面冰层上层由冰花冻结形成;距左岸400～500 m为非主流区且区间内测点的冰生长方式为热力学生长,主要形成柱状冰;距左岸500～740...     

天然淡水冰温度对冰热扩散系数影响的研究

对于天然淡水冰而言,冰温是决定其性质的关键因素。基于对黑龙江红旗泡水库淡水冰现场实测冰温、辐射等数据的分析,利用冰温数据探讨天然淡水冰热扩散系数受冰温度的影响情况。借鉴文献中淡水冰热传导系数、比热和密度等的研究成果,通过建立最优控制模型的方法,从数学角度上说明了水库天然淡水冰温度对热扩散系数的影响：在相对高冰温区域热扩散系数变化显著,随冰温升高明显降低,并趋于水的热扩散系数值;在相对低冰温区域热扩散系数变化缓慢,随冰温降低逐渐趋于稳定。所证明的高温区域热扩散系数的剧烈变化趋势的存在性为天然淡水冰热扩散系数与淡水热扩散系数之间的过渡赋予了较为合理的物理解释。最后,对辨识的天然水库淡水冰热扩散系数的变化做了简单讨论。     

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。     

少资料条件河渠冬季冰情过程模拟研究

针对天然河道开展冰情过程数值模拟普遍存在的河道断面资料、水文和气象资料缺少的难题,本研究提出了时均气温和时均太阳辐射计算方法和支流流量的动态分配方法,即根据实测日最大气温、日最小气温和日净太阳辐射率定出关键影响参数,模拟出给定气象站的时均气温和时均太阳辐射的变化过程;通过上游流量向下游传播过程的特征分析,推演出缺少支流...     

大庆水库冰表面温度特征及其在冰工程实践应用方法探讨

根据冰面热平衡方程并以大庆红旗泡水库冰面观测的气温、太阳辐射、风速、相对湿度、冰厚数据以及水库附近安达气象站记录的云量、湿度和海平面气压数据,求解了2009/2010年度冬季的冰表面温度,并分析了冰表面温度特征及其同太阳辐射之间的关系、同气温、风速之间的响应关系。在此基础上,就传统考虑的抗冰工程设计所需的设计冰表面温度进行了评估;就日益增加的安全用冰工程设计所需冰表面温度取值也给予定量讨论;对气候变化下的冰内和冰下水体生态适应问题所需的冰面温度日内变化速率和开河期冰凌爆破所需冰表面温度的取值也进行探索。尽管受国际气象资料观测规定的限制,历史资料的应用存在利用接近观测时刻资料的事实,但仍然期望这些分析和讨论能够推动科学地、更广阔地应用冰表面温度。     

冰下爆破预防冰坝的理论探索及实践

把冰、水、热动力学理论与爆破效果相结合,提出了在冰坝易发点沿深泓线实施冰下爆破形成温度场预防冰坝灾害的理论,包括:爆破时间的选择,爆破孔的布置,爆破效果的估计,温度场水温及下游冰盖下水温的影响长度和冰盖融化速率的计算。黑龙江开江期冰下爆破的实践表明,爆破坑平均直径随炸药量的增加而增加,但在炸药量超过18 kg时,爆破坑平均直径随炸药量的增加变化不大;根据实测单位炸药量破碎的冰盖体积的效果,建议冰下爆破预防冰坝的单孔炸药量应不超过9 kg,包括冰盖厚度超过1 m的情况。     

雪覆盖下冰盖的热力增厚和消融

雪覆盖下冰盖的热力增厚和消融是急需研究的问题,对于冬季降雪频繁地区开河预报、冰凌洪水风险分析具有重要的实用价值。基于雪盖和冰盖的热力条件是准稳态假设,建立了冰盖热力增厚和消融速率与雪厚、冰厚、大气传递给雪面的净热通量和水体传递给冰底面净热通量的函数关系,包括：太阳辐射、反射和透射,雪面和大气的长波辐射,雪面蒸发-对流,河床地温等因素。提出了雪面温度和冰盖垂向温度分布的理论公式及冰盖热力增厚和消融发展过程的数值计算模型。最后,以黑龙江漠河段实测的冰情为例,验证了所提冰盖热力增厚和消融数学模型的实用性,并分析了一些重要参数随时间的变化特点。     

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。     

黄河源区河道冰凌特征变化及影响因素分析

黄河流域是我国凌汛灾害常发的地区,其中黄河源区是黄河上游凌情研究的空白区。为掌握该区域的凌情规律,对黄河沿-唐乃亥河段黄河沿、吉迈、玛曲3个常封断面的气象资料(1960-1987,2007-2011)和水文资料(1960-1987,2007-2011)进行研究,分析3个站的封河、开河日期以及冬季最大冰厚的变化规律,得出黄河源区封河从黄河沿附近开始向下游延伸,封河日期和开河日期均有推迟趋势,但总封冻天数在减少,冬季最大冰厚则各站趋势不同。通过对冬季气温、流量等因素进行分析,得出冬季累计负气温和冬季平均流量对于凌情主要特征的影响十分显著,可以作为预报因子进行进一步的研究。     

冰水情一体化双频雷达测量系统

针对单频雷达在冰厚和水深同时测量中的缺点,提出了以100 MHz和1500 MHz雷达为基础的冰水情一体化双频雷达测量系统,并通过RTK系统实时采集测点的经纬度坐标。该系统通过交替工作周期为15 ms的分时工作来避免不同频率雷达间的相互干扰,利用冰厚和水深综合探测时在时间上表现为相邻道号数据振幅稳定、渐变的特点,采用相关性层位追踪算法提高测量的准确性。在我国纬度最高的黑龙江漠河段,通过21个水深和19个冰厚测点与传统观测方法进行了对比验证,并通过原型观测应用支撑了黑龙江龙岛码头河段春季的防凌爆破。结果表明基于双频雷达的冰水情一体化系统可大幅提高冰水情野外原型观测的效率,为长河段的冰厚、水深测量提供新的手段。