冰水二相流渠道流冰输移演变规律及其安全运行措施研究

针对我国新疆、青海地区为数众多且无法采用冰盖下输水的宽浅式渠道工程,开展冰水二相流输运机理及运行调控技术研究,对于解决这些地区冬季用水矛盾、节省工程改造投资具有重要意义。以新疆北部地区某电站引水渠为例,通过构建一维渠道冰水力学数学模型,研究渠道流冰输移和发展规律,分析气温、出库水温、输水流量等关键因素对渠道冰情的影响,并提出冰水二相流渠道的安全运行措施,对实现冰水二相流安全水力调控、解决我国西北地区冬季缺水问题具有一定参考价值。     

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。     

桥墩影响下弯槽冰塞形成临界条件和冰厚变化的试验研究

天然河道中,桥墩的存在改变了局部水流特性,对冰塞形成及演变产生影响。通过模型试验,研究了桥墩存在及桥墩位置不同时对冰塞演变过程的影响,试验结果表明:桥墩的存在改变了桥墩附近的水流结构,使得桥墩附近水流输冰能力相对增大,冰塞厚度减小;相比于将桥墩安置在两弯连接直道段,将桥墩安置于弯道顶点处时,桥墩附近水流输冰能力增大;在两弯连接的直道段和弯道顶点处同时放置桥墩时,弯道平衡冰塞厚度介于单墩放置于两弯连接的直道段与单墩放置于弯道顶点处时的弯道平衡冰塞厚度之间。     

基于不同碰撞模型的流冰—输水隧洞碰撞动态响应研究

位于西北寒区的输水隧洞在流冰期输水时会受到流冰不同程度的撞击作用.由于流冰与隧洞衬砌撞击时水介质会对其撞击结果产生一定的扰动性,因此,为了研究水介质对于中小型流冰撞击结果的影响作用,以引大入秦工程盘道岭37#隧洞为研究对象,分别建立基于附加质量法以及流固耦合法的流冰-输水隧洞碰撞模型,结合有限元软件LS-DYNA,对流...     

南水北调中线2014~2015年度冬季冰情原型观测

2014年底,南水北调中线干线工程全线正式通水,冬季冰期输水面临渠道结冰问题。为研究中线干线冬季冰期安全输水问题,于2014~2015年度冬季开展了冰情原型观测,获得了冬季冰期输水的水力参数、气象参数和冰情特征等第一手现场数据,掌握了暖冬气候条件、小流量输水工况下中线干线结冰、封冻和开河过程的基本规律。为中线工程冬季安全输水运行积累了经验,可为制定冰期调度方案和编制防凌减灾措施提供依据。     

河冰演变过程分析的一维数学模型研究

通常情况下,河流中的冰情可以按照冰的形成和消融过程分为3个阶段:结冰期,封冻期和解冻期。一个能够完整描述河流结冰、封冻和解冻过程的河冰数学模型由以下3个分模型组成:水力模型、热力模型和冰冻模型。水力模型用于计算河道中流场和其水力要素;热力模型用于计算水体热交换,水温分布和降温过程;冰冻模型用于模拟水内冰的产生,冰花输移,浮冰输移,底冰增厚和消融,冰盖的形成、推进和增厚,冰盖的热力增厚和消融,冰盖前缘下潜输冰能力和冰塞演变过程。这3个模型相互影响和作用,水力条件影响热力交换和冰冻过程,热力条件决定冰冻过程,冰冻过程又反过来影响水力条件和热力条件。本文给出一个能够完整描述河流结冰、封冻和解冻过程的一维河冰数学模型,当然也可以用其中的分模型计算某一特定河冰过程。     

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。     

黄河上游水库对宁夏河段防洪防凌及灌溉的影响与对策

黄河上游已建水库特别是龙羊峡、刘家峡、青铜峡３座水库，对宁夏河段的防洪防凌、灌溉有着重要影响。建库后，龙羊峡、刘家峡两水库拦蓄洪水、削减洪峰作用显著；凌期平均封河日期推迟、平均开河日期提前、封冻天数缩短，冰情、冰害有所减轻且主要发生在库区；在一定程度上缓解了宁夏引黄灌区春灌缺水的局面。针对建库后河道冲淤及河势的变化，需加强河道整治和上游水库的调节运用，使水库更好地发挥兴利除弊的作用。     

寒区河道-堤防-泛区凌汛灾害风险评估防控研究进展

寒区凌汛灾害的孕育、发生及演变与河道-堤防-泛区关联密切，凌汛灾害风险的科学评估与防控至关重要。以凌汛灾害风险“识别-计算-评估-防控”为主线思路，从凌汛成因与凌汛灾害特征、河冰及凌汛洪水数值模型、河道凌汛灾害风险评估、凌汛期堤防险情与溃堤淹没风险评估、凌汛灾害风险防控措施等五个方面，综述寒区河道-堤防-泛区凌汛灾害风险评估防控研究进展，并提出河道-堤防-泛区凌汛灾害链条效应及其驱动机制、河冰演变-凌汛壅水-堤防险情-泛区淹没风险链模型、河道凌汛壅水-堤防溃决-泛区淹没风险定量评估、堤防冻融险情演化动力机制及智能预测、凌汛灾害监测-预警-评估-防控应急决策支持系统、凌汛灾害“四预”数字孪生平台等方面是凌汛灾害风险评估与防控亟需解决的关键科学问题或未来主要的研究方向，可为寒区凌汛灾害风险的深入探究与科学管理提供重要思路。     

基于无人机低空遥感和OTSU算法的黑龙江开江流凌密度研究

为提高流凌期冰凌变化信息获取的时效性和准确性,本文提出了基于无人机可见光遥感影像和OTSU算法的冰凌变化信息提取方法.以黑龙江漠河段河流断面为研究对象,首先,利用无人机遥感平台获取流凌期的高分辨率俯拍影像,对比4种图像阈值分割法,根据原始冰凌图像的灰度特征,以OTSU算法为基础,结合顶帽变化算法实现冰凌的识别和分割;同...