黃河下游河道冰動(dòng)力行為二維數(shù)值模擬研究.pdf

1、水在地球表面的分布范圍非常廣，江河、湖泊和海洋等水體約占地球表面積的3/4，而高緯度地區(qū)的表面水體在冬季溫度下降時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。全球冰問題總體來說可分為海冰問題和河冰問題，由于河流沿岸區(qū)域居住著大量居民，使河冰問題顯得尤為突出。
　　冬季河流封凍后，水體表面出現(xiàn)固體冰蓋，使得過水?dāng)嗝娴臐裰茉龃?，水力半徑減小，從而導(dǎo)致了水流形態(tài)的變化，帶來的影響包括水力發(fā)電產(chǎn)量的損失，航運(yùn)線路阻塞、航期縮短，河流中的水利結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重時(shí)形成冰

2、塞、冰壩并導(dǎo)致凌洪災(zāi)害，淹沒農(nóng)田房屋，危害人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。我國北方多數(shù)河流都存在不同程度的冰情問題，尤其是黃河下游河道是舉世聞名的地上懸河，河道上寬下窄，流向由低緯度向高緯度，南北緯度相差3°，冰情現(xiàn)象十分復(fù)雜，河冰災(zāi)害發(fā)生頻繁且破壞力巨大。因此，對(duì)黃河下游河冰的形成、演變和輸移過程進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究對(duì)提前制定防災(zāi)措施具有重大意義。
　　本文分析了冬季河冰結(jié)冰期、封凍期和解凍期的演變過程及河冰類型。進(jìn)一步探究黃河下游冰塞和冰

3、壩現(xiàn)象的特點(diǎn)、形成條件和變化過程，并總結(jié)了黃河下游開河時(shí)容易形成冰壩的原因。推導(dǎo)了河流無冰蓋、部分被冰蓋覆蓋和完全被冰蓋覆蓋情況下的水深公式。通過對(duì)冰蓋上游漂浮冰塊和潛入冰蓋下的冰塊進(jìn)行受力分析，得到了冰蓋前冰塊下潛的臨界流速和下潛冰塊在冰蓋下繼續(xù)向下游輸移的臨界流速。
　　開展物理模型試驗(yàn)對(duì)不同流速、水深、冰蓋類型和冰蓋糙率等條件下冰蓋流垂線流速進(jìn)行觀測(cè)和分析，得到的主要結(jié)論包括：
　?。?）冰蓋下的垂線流速呈現(xiàn)兩頭小中間

4、大的U字形態(tài)，光滑冰蓋模型的水深大于同流量明流水深。床面區(qū)光滑冰蓋流的流速比同位置的明流流速稍大，但隨著水深增加兩者越來越接近。流量相等時(shí)光滑冰蓋流的最大流速大于相同位置的明流流速。
　?。?）粗糙冰蓋流垂線最大流速值隨冰蓋糙率的增大而增大，最大流速點(diǎn)更靠近光滑的床面一側(cè)。在不同水深情況下，最大流速點(diǎn)與床面之間的距離隨著冰蓋與床面糙率比的增大而減小，基本呈現(xiàn)出線性變化規(guī)律。
　　（3）岸冰河流中心開敞區(qū)水深大于明流，垂線流速

5、分布形式與明流相同，但相同深度上的流速比明流大，并且流速隨著岸冰冰蓋寬度的增加而增大。岸冰冰蓋流在兩岸冰蓋處的水深小于相同情況的明流水深，垂線流速分布形態(tài)呈現(xiàn)出中間小兩端大的形式。
　　對(duì)用于模擬復(fù)雜河道地形中冰運(yùn)動(dòng)和阻塞過程的二維冰動(dòng)力學(xué)數(shù)值方法進(jìn)行改進(jìn)，使用歐拉有限元法進(jìn)行水動(dòng)力模擬，冰運(yùn)動(dòng)模擬使用基于光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（SPH）的拉格朗日離散元法（DPM），建立計(jì)算黃河下游河冰輸移過程的二維數(shù)值模型。
　　通過開展物理

6、模型試驗(yàn)以驗(yàn)證二維冰動(dòng)力學(xué)改進(jìn)模型的準(zhǔn)確性。也就是控制入口處的輸入條件與數(shù)學(xué)模型相同，對(duì)比河道內(nèi)冰密集度和典型斷面水深的數(shù)模結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果，分析表明：模型能較好地模擬出了河道內(nèi)的冰輸移過程，且兩者水深值比較吻合。
　　首先將收集的地形、水深和氣象等數(shù)據(jù)輸入模型，模擬了黃河下游濟(jì)南市徐莊處1970年1月發(fā)生的冰壩現(xiàn)象。通過對(duì)比模擬河段內(nèi)冰壩長度、厚度和水深的實(shí)測(cè)值與模擬值，表明該模型較準(zhǔn)確地模擬了冰壩形成和發(fā)展的過程。其次，以河道狹

7、窄彎曲、易發(fā)生冰塞、冰壩的黃河下游北店子水文站至濼口水文站河段為模擬區(qū)域，通過冰島的設(shè)定模擬了2010年冬季岸冰存在情況下該河段冰厚度變化。結(jié)果表明水流量較小時(shí)較強(qiáng)的風(fēng)力作用對(duì)冰的拖曳力起到主導(dǎo)作用，且岸冰的存在縮小了開敞河道寬度，阻礙大塊表面冰順利通過；而在岸冰后平鋪形成冰蓋并向上游延伸。模擬了2013年1月該河段的流凌情況，可以發(fā)現(xiàn)流冰下泄比較順暢，未發(fā)生冰阻塞，且濼口水文站冰密集度的數(shù)模值與實(shí)測(cè)值比較一致。由于模擬河段S型彎的地形