基于网络的自适应模糊推理系统在冰情预报中的应用

本研究将基于网络的自适应模糊推理系统应用在冰情预报中。通过分析基于网络的自适应模糊推理系统的网络结构、水温数据及其相关预报因子的分布特点、隶属度函数个数及预见期对预报结果影响的比较,确定了隶属度函数类型、隶属度函数个数和预报的预见期。文中以黄河宁蒙河段石嘴山为例,介绍水温预报的应用研究,并将预报水温同实测水温进行比较。通过描述预报值和实测值关系的确定性系数,对预报结果作了分析。结果表明,除了石嘴山水文站2002年预报结果实测值和预报值偏差较大、确定性系数偏小之外,其余预报组次中预报值和实测值均吻合较好,达到甲等预报方案。     

封冻期渠系运行方式

为研究系运行方式与冰塞二者之间的关系,以流速、傅汝德数、水位偏差等参数作为指标,在常规运行方式选择方面,认为上游常水位运行造成的冰塞风险最小,下游常水位运行在封冻时闸门调控及时,等体积运行方式中庸;封冻渠池在封冻时,该渠池运行方式由下游常水位切换为等体积,造成渠系的水位偏差、水力响应过程中的最大流速与傅汝德数等指标均较始终保持下游常水位小,模拟工况下的上游水位偏差减小近50%,最大流速降低约6.5%,表明运行方式切换更有利于维持渠系在封冻时的稳定和减小冰塞风险。因此,推荐封冻渠池在封冻时由下游常水位切换至等体积运行。     

河冰三轴压缩强度特性及破坏准则试验研究

为研究河冰在复杂应力状态下的力学性质及破坏准则,对淡水柱状冰在恒定轴向加载速率(0.4 mm/min)下,分别进行温度-6、-12、-18和-24°C,围压500、1000和1500 kPa的常规三轴压缩试验。得到天然淡水柱状冰三轴压缩应力应变曲线,三轴压缩广义剪应力峰值与温度及围压的关系,以及三轴压缩能量耗散特征,并利用莫尔库仑准则分析温度和围压对河冰强度参数的影响规律。结果表明:在所选试验条件下,柱状冰主要发生单剪破坏和延性破坏;在恒定温度条件下,广义剪应力峰值随围压的增大呈现近似线性增加;在恒定围压条件下,广义剪应力峰值随温度的升高呈现近似线性减小;根据莫尔库仑理论解释柱状冰破坏准则,在4种试验冰温下,其内摩擦角分别为21°、45°、42°和52°,黏聚力分别为1191.6、513.2、861.6和933.4 kPa;从能量特征角度考虑,柱状冰三轴压缩耗散的能量随着围压的增大有逐渐增加趋势。     

冰盖条件下桥墩局部冲刷研究进展

冬季,寒冷地区的河流会出现冰盖或冰塞现象。冰盖的存在使水流湿周增加,流速剖面与明流条件下完全不同,最大流速出现在河床表面和冰盖底部之间,具体位置取决于河床和冰盖的相对粗糙程度。因此,冰盖条件下桥墩局部冲刷过程不同于明流条件下的局部冲刷过程。明流条件下的桥墩局部冲刷是国内外学者研究的热点问题之一,但关于冰盖条件下桥墩局部冲刷的研究工作却非常有限。在简要回顾明流条件下桥墩局部冲刷研究成果的基础上,对冰盖条件下桥墩局部冲刷的研究成果进行了综述和讨论,并提出了今后的研究方向。     

长距离输水渠道冰期运行控制研究

高纬度地区的渠道在冬季往往采用冰盖下输水,保证冰盖的稳定性是渠道冬季安全输水的前提条件。目前,渠道在冬季的运行控制多依靠经验,开展长距离渠道冰期运行控制研究对实现冰期安全输水是十分重要的。利用数值模拟的方法分析了长距离输水渠道的冰情和水情的变化过程,根据渠道内的冰情演变特性,提出冬季渠道应采用闸前常水位方式运行。鉴于气象预报以及冰情预报可能存在的不确定性,提出采用水位-流量串级的反馈控制算法,建立了渠道冰期运行控制模型,并在控制器内加入解耦环节,以提高渠道的控制效果。并通过南水北调中线干渠的数值模拟实验,对渠道冰期运行控制模型的控制效果进行了验证。结果表明,该冰期运行控制模型可以实现渠道冬季安全、适时、适量的供水目标。     

河冰单轴压缩破坏过程细观数值仿真

为了解并认知河冰材料的内在属性,对黄河封冻期的河冰进行了现场取样观测并开展了单轴抗压破坏过程的物理试验,依据物理试验结果,在细观层面将河冰看成由晶粒、晶界、初始缺陷构成的非均质材料,给出了随机缺陷界面弹簧元模型模拟河冰单轴压缩强度的数值方法,模拟了河冰在单轴受压荷载作用下的开裂破坏过程,分析了初始缺陷分布和含量、晶粒尺寸等各相组分对河冰力学性能的影响。结果表明:随着初始缺陷含量的增加,河冰单轴压缩强度呈下降趋势,但下降幅度逐渐变缓;随着晶粒尺寸的增加,河冰单轴压缩强度呈降低趋势,且与晶粒尺寸d-1/2呈线性相关关系。与物理试验对比发现,该计算模型能较好地模拟黄河冰的单轴压缩强度和开裂过程。     

EXPERIMENTS OF SEA ICE SIMULATION

As a substitute for the original displaced pole grids, a simple rotated spherical coordinate system was intro duced into the Community Sea Ice Model version 4（CSIM4）, which is a component of the Community Climate System Model（CCSM） of the American National Center of Atmospheric Researeh（NCAR）, to deal with the ＂pole problems＂. In the new coordinates, both the geographical North Pole and South Pole lie in the model equator and grid sizes near the polar region are more uniform. With reanalysis dataset of American National Centers for Environment Prediction （NCEP） and Levitus dataset without considering sub-mixed layer heat flux, the model was integrated for 100 years with thermodynamics proce.ss involved only in the former 49 years and both dynamic and thermodynamic processes involved in the left time. Inner consistency of model results was checked with no contradiction found. The results of last 10 years＇ model output were analyzed and it is shown that the simulated sea ice seasonal variation is rational whereas sea ice extent in the Barcnts Sea in winter is larger than that of observation, Numerical experiment on influence of sub-mixed layer heat flux was also carried out and it is shown that the sub-mixed layer heat flux can modulate seasonal variation of sea ice greatly. As a model component, the sea ice model with rotated spherical coordinates was coupled with other models （the oceanic general cir culation model is the LASG/IAP Climate System Ocean Model （LICOM） with reduced grid, other models are components of NCAR CCSM2） forming a climate system model and its preliminary results were also given briefly.     

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。     

Simulation and analysis of ice processes in an artificial open channel

The Middle Route Project for South-to-North Water Transfer, which consists of a long artificial open channel and various hydraulic constructions, is a big water conveyance system. A numerical modeling of water conveyance in the ice period for such large-scale and long distance water transfer project is developed based on the integration of a river ice model and an unsteady flow model with complex inner boundaries. A simplified method to obtain the same flow discharge in the upstream and downstream of the structure by neglecting the storage effect is proposed for dealing with the inner boundaries. According to the measured and design data in winter-spring period, the whole ice process, which includes the formation of the ice cover, its development, the melting and the breaking up as well as the ice-water dynamic response during the gate operation for the middle route, is simulated. The ice characteristics and the water conveyance capacity are both analyzed and thus the hydraulic control conditions for a safety regulation are obtained. At last, the uncertainties of some parameters related to the ice model are discussed.     

静冰压力对铰链式护坡系统作用的低温模型试验

通过低温模型试验模拟了冰盖的形成过程,测试了静冰压力、铰接块位移、冰盖厚度、温度等,建立了这些物理量与时间的关系。根据静冰压力的发展过程、变化原因评价了试验与自然环境的相似性。根据铰链式护坡系统在静冰压力作用下沿坡面位移变形和冰盖融化后的残余变形,评价了该护坡系统的稳定性以及该护坡系统作为柔性护岸结构适应变形的能力,分析了静冰压力、铰接块位移的发生、发展、消失过程和变化原因。试验结果表明:静冰压力作用下铰链式护坡系统沿坡面位移变形很小,冰盖融化后该护坡系统的残余变形也很小;铰链式护坡系统在静冰压力发生、发展和消失的过程中,能够适应岸基变形而不被破坏。