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。     

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。     

黄河下游冰动力输运的数值模拟研究

基于黄河下游段河道形态曲折、纬度沿程增加,具有凌情变化复杂,易于形成冰塞或冰坝等诸多特征。该文利用欧拉有限元方法进行了水动力模拟,同时应用基于光滑粒子流体动力学(SPH)的拉格朗日离散元方法(DPM)进行了冰动力输运模拟,且实现了水动力与冰输移二维数值模拟的相互耦合与冰输移和冰塞过程的精细模拟。其数值模拟结果经与泺口水文站冰密集度的实测资料对比分析,二者吻合较好,说明该数学模型的基本控制方程与边界处理正确,计算精度能够满足防洪减灾的技术要求。     

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。     

河流水冰沙耦合模型研究Ⅱ：验证与应用

北方河流冬季河冰运动会带来凌汛灾害威胁,研究流凌运动对水流、泥沙和河道的影响具有重要工程意义。本文在平面二维河冰动力学模型基础上,建立二维水冰沙耦合数值模型。基于三角形的非结构网格,采用具有迎风特性的Petrov-Galerkin型有限元法计算非恒定水流过程、非恒定非均匀沙输运和河床冲淤变化,利用无网格的SPH法计算河冰运动,基于河冰对岸滩的刮擦切应力计算岸坡侵蚀,再利用双泥沙休止角法分析不同含水层岸坡的稳定坡面。该模型创新性地耦合水沙理论和河冰理论,能模拟北方河流全季节及河冰全过程的水位流量波动、河冰运动、泥沙输移、河床冲淤及岸滩崩塌过程。通过实验条件下溃坝引起的岸坡崩塌侵蚀验证了模型的准确性和可靠性,研究结果显示该模型能再现水流、河冰、泥沙、河床及河岸间的复杂耦合作用,揭示河冰刮擦对岸滩侵蚀破坏的促进机理,可进一步支撑冬季河道防凌减灾和岸滩水土保持研究。     

考虑橡胶坝影响的水动力学模型

为提高含堰坝河段水动力模拟精度,建立考虑橡胶坝复杂调度条件的水动力学模型。基于Preissmann四点隐式差分格式离散方法,构建橡胶坝数值模拟计算流程并进行逻辑判断,采用替代法思想处理含有橡胶坝的河道,求解一维河道水动力学离散方程组。用淠河流域下游六安城区河道橡胶坝的实际洪水过程对模型进行验证,针对近年来淠河流域发生的典型洪水过程,分别对橡胶坝塌坝与不塌坝两种不同工况进行数值模拟。结果表明:考虑橡胶坝塌坝模拟的计算结果可以较好地拟合淠河流域的实测数据,模型可以有效模拟橡胶坝调度影响下的洪水演进过程,提高洪水期间的模拟精度。     

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。     

平面二维溃坝水沙输移动床数学模型研究

为数值模拟溃坝洪水作用下泥沙输移及河床变形,建立了无结构三角形网格的平面二维水沙耦合数学模型。水动力学模型采用浑水流动方程,考虑了泥沙输移及床面冲淤变化对水流动量的影响;泥沙输移采用不平衡泥沙输移模式。模型数值计算格式采用守恒性较好的有限体积法,单元界面的对流通量采用基于近似黎曼解的Roe格式计算,扩散通量采用中心格式,不平衡泥沙输移方程采用坡度限制的二阶空间精度格式离散。模型经经典算例和小尺度瞬间全溃的动床实验资料检验,水面、床面及流速等计算结果与实验资料或解析解等比较吻合,分析了动床与定床水面及洪水传播速度的差异。在上述检验的基础上,采用动床模型对某河道型水库溃坝诱发的水沙运动进行了数值模拟,结果表明溃坝洪水下水流、泥沙及河床变形发生强烈的相互作用,采用水沙及河床变形耦合的数学模型是必要的。     

耦合高效高精度水动力模型的多组分污染物输移及衰减反应模型

为更好地模拟水污染事件中多组分污染物输移及衰减反应过程,全面耦合了基于图形处理器(GPU)加速技术的二维水动力模型与多组分污染物输移及衰减反应模型,通过改进模型源代码并在污染物输移控制方程中嵌入衰减项与反应项,建立了一个可应用于大区域复杂地形河道洪水演进全过程及多组分污染物输移和衰减反应的高性能耦合模型,同时引入GPU技术提升计算效率。将耦合模型应用于理想地形静水和两个复杂地形河道入流与溃坝算例的水质模拟,结果表明:多组分污染物输移及衰减反应过程在理想算例中的数值解与解析解基本吻合,在入流与溃坝算例中的模拟结果符合实际物理过程,模型运行速度快且计算效率高,可高效地模拟各类突发水污染事件并进行预警和评估。     

冰期河流弯道冰水动力学行为研究

以黄河什四份子弯道为研究对象,基于2019-2020年度的凌情监测影像及现场试验数据,分析了河流弯道冰水动力学行为特征。结果表明:上宽下窄的河道形态是造成弯道卡冰的主要原因,流凌-封河阶段,弯顶节点工程对水流的顶托作用促进了上游回流区的形成;受弯道离心力作用,河冰聚集于河道凹岸一侧,并在回流区堆积形成冰桥,从而缩小了断面过冰面积,河道逐渐封冻;弯顶下游流速大且来冰量少,形成清沟,主流向河中发展;冰塞堆积于弯顶上游凹岸主河槽内,水流被挤压至凸岸非冰塞区,弯道主流易位;在稳封期,河道冰水动力特征基本不再变化,在解冻开河期,凸岸非冰塞区流速较大,主流区冰盖优先解冻且沿主流输移,回流区冰盖最后消融,河道主流逐渐恢复至畅流阶段,整体呈复归式。     

Comprehensive two-dimensional river ice model based on boundary-fitted coordinate transformation method简

River ice is a natural phenomenon in cold regions, influenced by meteorology, geomorphology, and hydraulic conditions. River ice processes involve complex interactions between hydrodynamic, mechanical, and thermal processes, and they are also influenced by weather and hydrologic conditions. Because natural rivers are serpentine, with bends, narrows, and straight reaches, the commonly-used one-dimensional river ice models and two-dimensional models based on the rectangular Cartesian coordinates are incapable of simulating the physical phenomena accurately. In order to accurately simulate the complicated river geometry and overcome the difficulties of numerical simulation resulting from both complex boundaries and differences between length and width scales, a two-dimensional river ice numerical model based on a boundary-fitted coordinate transformation method was developed. The presented model considers the influence of the frazil ice accumulation under ice cover and the shape of the leading edge of ice cover during the freezing process. The model is capable of determining the velocity field, the distribution of water temperature, the concentration distribution of frazil ice, the transport of floating ice, the progression, stability, and thawing of ice cover, and the transport, accumulation, and erosion of ice under ice cover. A MacCormack scheme was used to solve the equations numerically. The model was validated with field observations from the Hequ Reach of the Yellow River. Comparison of simulation results with field data indicates that the model is capable of simulating the river ice process with high accuracy.     

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。     

黄河什四份子弯道河冰生消及冰塞形成过程分析

什四份子弯道因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段易发生冰塞断面。通过对2014—2015年冬季该段野外冰情监测及水文、气象资料分析,结合Landsat8遥感影像数据解译,研究了什四份子弯道河冰生消及冰塞形成过程。结果表明,野外观测结合遥感影像解译能够准确地反映河冰的时空特性。该河段弯道凹岸处冲积岸冰及凸岸静态岸冰的生长,极大地束窄了河面宽度,降低了水流的输冰能力,而使其成为初始卡冰位置;冰盖至此向上游发展,弯道下游因来冰量减少和上下游水力坡度增大而形成清沟;受弯道径向水流方向改变及弯道螺旋流的影响,导致冰花在冰盖下主槽与滩地的交界处堆积;稳封期受气温升降变化使得冰盖表面冻融交替,冲积冰反射率增大,后期解译的遥感影像中平滑岸冰面积较初始封河期增加。     

斜坡式防波堤前海冰堆积数值模拟

本文将海冰在斜坡式防波堤前的堆积过程简化为二维的动力学问题，假定海冰为粘弹性体，在多边块体运动模拟系统基础上，采用离散元数值方法对冰排爬升堆积过程进行了实时仿真模拟。通过与二维理论断裂模型及物理模型试验结果对比，证明了此数值模型的合理性与可行性。     

河流冰塞的形成与壅水计算

我国北方河流,冬季普遍存在着冰情现象,依据成因不同,将河流冰盖分为热力冰盖和动力冰盖2种.河流冰情分为3种类型,第一种形成热力冰盖,第二种形成动力冰盖,即冰塞,第三种流冰花但不封河.冰塞可分为头部段、稳定段和尾部段3部分,其中冰塞稳定段的水流状态近似于管流,基于管流理论,依据黄河万家寨水库实测冰塞资料时形成冰塞稳定段的各种水力要素进行相关分析,推导出水库冰塞的计算方法.从验证计算和合理性检验两方面看,该方法的计算结果比较合理,可用于计算水库冰塞.     

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。