基于离散元方法与水动力学耦合的河冰动力学模型

流凌和冰坝是我国北方冬季比较常见的河冰现象,尤其冰坝,可导致严重的凌洪灾害,是河冰研究中的重要部分。本文将离散单元方法与二维水动力学相耦合,建立河冰的动力学数值模型,以模拟河冰输移、聚集、堆积,以及冰坝形成的动力过程。针对河道中大量密集且几何形状随机的流冰现象,采用扩展多面体单元对冰块进行构造,并通过离散元接触模型表征河冰输移和冰坝形成过程中冰块间的相互作用。河流水动力部分则采用考虑河冰影响的二维非定常浅水方程进行描述,并采用有限元方法进行数值计算。冰水耦合中的计算参数由河冰离散单元与其所在水动力学有限元网格节点的位置插值计算得到。通过对冰盖封河造成水位抬高过程的数值模拟,并将计算结果与理论分析结果以及DynaRICE河冰模型的模拟结果进行对比,以验证模型的有效性。在此基础上,对规则河道中河冰输移、堆积和形成冰坝的过程进行数值模拟和结果分析。通过以上河冰离散元与水动力学的耦合方法及其对河冰动力过程的数值模拟,对河冰动力过程从细观角度进行新的认识并为河冰动力过程研究提供一种有效的数值方法。     

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。     

赫哲族的食鱼文化

生活在黑龙江和乌苏里江畔的赫哲族人，过去是个以渔猎为生的民族。每年，他们除了在明水期划着瓦罩子渔船在江里捕鱼外，即使在数九寒天，寒风刺骨的季节里，也不会像生活在北方地区的汉族农民那样到了冬天便开始“猫冬”了。每年冬季到来，江河冰封以后，他们又会头戴着貉皮帽子，穿着皮裤站在冰河上开始凿冰捕鱼了。     

河流弯道取水口河冰动力学模型的建立方法

为保障河流弯道取水口在冰期的安全、稳定运行,以黄河内蒙古段某电厂弯道取水口为研究对象,研究建立了河流弯道取水口河冰动力学模型.研究主要分为实体模型试验、数学模型开发及调试、优化排冰方案3个步骤.实体模型试验的目的是研究弯道取水口处水流的运动特性及其对河冰运动的影响,分析河冰在弯道处的运动规律及积累过程;数学模型主要包括水流非恒定流模型和冰动力模型,通过模拟不同工况下河冰的运动情况来不断优化和完善数学模型;优化排冰方案是通过运行不同的导冰筏设计方案确定出合理的设计结构,最终提出针对不同弯道取水口的合理、有效的排冰模式.     

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。     

基于离散元方法的河冰动力过程短期预测模型及应用

秋末冬初时黄河河道平稳封河对于预防凌汛意义重大,而什四份子作为黄河内蒙古河段主要首封河段备受重视。根据寒区河道具体冰情,基于河冰离散元方法,考虑河流表面冰的动力输移和河流水动力学的相互耦合作用,建立了针对特定重点河段的短期预测模型,可根据实际水力要素、气温、现场冰情等条件进行河冰输移、封河开河等情况的模拟和预测。模型考虑了河道的岸冰边界以及上游来冰情况,包括来冰的密集度、冰块体的尺寸分布、冰块体的冻结强度等因素对河冰输移和卡冰封河过程的影响。基于该预测模型,针对什四份子弯道在不同工况下的封河情况进行研究,结合现场情况探究了流速、来冰量、冰块尺寸、岸冰尺寸等因素对卡冰封河的影响,从冰流量和河道输冰量的角度解释了各要素的影响机理,为特定河段的封河预测工作提供参考。     

融冰洪水演进的马斯京根模型

为解决参数率定过程复杂的问题,将河段内的融冰产生的流量视为河段下断面出流的一部分,构建出适用于文开河融冰时期洪水演进的马斯京根模型,并将优化算法应用到模型参数率定的过程中。以黄河宁蒙河段为例,采用试错法、非线性规划法和智能算法中的遗传算法这3种方法对所构建的模型参数进行率定。模拟结果表明:3种方法所模拟的出流过程线均合格;整体上,非线性规划法模拟的精度最高,其洪水的确定性系数D_c为0.980,过程平均相对误差RE为4.840%;而试错法模拟的洪峰流量更为准确,且冰期模拟精度高于无冰期。本研究为融冰洪水演进的模拟提供了一种新方法。     

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。     

河冰单轴无侧限抗压强度的试验研究

通过一系列单轴无侧限抗压强度试验,对温度及加载速率对河冰抗压强度、应力—应变关系、弹性模量的影响进行了研究。通过统计分析与曲线拟合,得出抗压强度与温度间的相关关系。通过试验,得出河冰的应力—应变曲线,并对河冰弹性模量值的取值进行了探讨。     

全球定位系统跟踪冰块运动的技术设计和实践

为有效获取湖泊冰块运动信息,本文设计应用全球定位系统(北斗+GPS)跟踪湖冰碎块运动。试验选用大容量电池GPS定位器,通过防水密封和六面体外侧木方框架保护,解决GPS续航、冰面GPS防水防撞击和挤压破损等问题;并利用钻孔再冻结方式使其整体固定于冰面,提高其稳定性。2023年4月在青海湖布设11个GPS开展实践应用,大部分GPS完整记录了冰块运动轨迹,仅有3个GPS因电量耗尽或信号较弱发生丢失,记录的主要运动方向为东南方向,符合相应时段风向变化规律。未来可布设GPS定位器矩阵小范围记录单个浮冰旋转轨迹,也可推广应用于其他冬季结冰河流或湖泊开展流冰跟踪。