河冰水力学研究进展

河冰水力学研究进展

作者：付辉杨开林王涛郭永鑫郭新蕾

来源：《南水北调与水利科技》2010年第01期

摘要: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。

关键词:河冰;原型观测;实验研究;数值模拟;神经网络

中图分类号:P332.8;G353.11;TV133文献标识码:A文章编号:1672-1683(2010)01-0014-05

Progress in the Study of River Ice Hydraulics

FU Hui, YANG Kai-lin, WANG Tao, GUO Yong-xin, GUO Xin-lei

(The Department of Hydraulics, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

Abstract: With the development of economic, the loss caused by river ice disaster is more and more in the past decades. So many experts wade into the research of the river ice engineering, which promote the development of river ice hydraulics rapidly. This paper discusses the existing research situations which is representative. These achievements include prototype observation research of natural river, reservoir and artificial water transfers canal; new instruments research of ice regime observation; experimental research of ice jam formation, velocity distribution and sands transport under ice cover; numerical simulation research of river ice processes, ice jam formation and breakup; neural networks research of river ice forecast and et al. And try to put forward some unsolved problems and suggestions for the development of river ice hydraulics.

Key words: river ice;prototype observation;experimental research;numerical simulation;neural network

0 引言

冬季随着气温的逐渐下降,水体失热大于吸热,水温降至0℃以下时,首先会在水中产生细小的冰晶体。在水流紊动强度较弱的区域,这些冰晶体上浮至水面,随着水体失热,不断生长变大;在水流紊动强度较强的区域,这些冰晶体随着水流的掺混作用相互碰撞、黏结,形成较大的冰花团或冰块,上浮至水面。随着热量的不断耗散和冰的黏性作用,河道中的流冰密度逐渐增加,在合适的水力条件下会形成冰盖、冰塞或冰坝,形成特有的冰情现象。冬末春初气温回暖,冰盖发生消融、破裂,河道中形成流冰,可能会再次形成冰塞或冰坝。冰塞和冰坝的危害很大,它们的形成会抬高上游水位、破坏沿岸的水工建筑物和生态环境、中断航运等。

虽然目前河冰水力学的研究相对于以前取得了很大的进步,但是由于河冰问题涉及到水力、热力、几何边界条件、水-冰转换过程中物理和力学性质的变化等因素共同作用的影响,使得河冰水力学问题的研究非常复杂,到目前为止,仍然有很多问题没有解决,而在防冰减灾的实际运用中也以经验性的公式和一维河冰模型为主。本文将对目前国内外河冰水力学研究进展进行总结和评述,希望能为河冰水力学领域的相关研究提供参考。

1 国内外研究进展

1.1 原型观测

我国在冰情原型观测方面的工作开展的较早,在20世纪60年代初,我国就在甘肃黄河上游刘家峡河段进行了为期3年的大型冰塞观测研究;1986年前后在冰塞发生严重的黄河巴彦高勒河段开展了原型观测;1982年到90年代初,孙肇初、隋觉义等与Shen教授合作开展了黄河河曲段的大型河冰原型观测,取得了60万个以上的实测数据,并首次建立了冰塞厚度与流冰量和水力条件相关的数学模型[1-3]。此外我国还先后对万家寨水库[4-5]、十三陵水库[6]、胜利水库[7]、荒沟水库[8]等寒区水库进行了冰情的观测研究。

除了开展天然河道和水库的冰情观测,我国也开展了调水工程冰情原型观测研究。郭海燕等[9]对2002年-2003年期间引黄济津应急调水河北段输水线路进行了包括水温、水内冰、冰流量、冰厚的观测和分析,认为水内冰的旺盛生成期主要在冰盖形成前,与当时气温关系密切。李根生等[10]对2002年-2003年度引黄济津引水期间出现的各种冰情现象进行了系统的观测。程玉慧等[11]收集分析了1953年-1974年间南运河捷地站有关冰情、水温、气象等观测资料。崔泰昌等[12]对万家寨引黄工程汾河干流头马营至河岔河段1996年-1997年冰期沿程冰情、水温、流量变化进行了调查,用历年汾河上游冰期水文资料,对冰期河槽储冰量和河槽结冰对流量的影响进行了分析计算。周瑞清等[13]结合实测数据分析了河冰的形成条件及冰情形态演变,探讨了冰盖形成过程。范北林等[14]认为总干渠冰期若采用冰盖下输水,流速需控制在一定的范围