封开河冰塞热力学模拟及冰水动力学机理研究

发布时间：2020-04-08 19:41

【摘要】：冰塞诱发的凌洪灾害对社会经济和生态环境造成巨大损害,且冰塞现象受热力与水力要素的影响多发生在高纬度地区封河初期和开河期。封河初期,弯道和束窄河道因特殊的河道形态易于卡冰结坝,河道内桥墩对过水断面的束窄也会增大冰塞发生几率;相比封河期,开河期水鼓冰开造成的凌汛灾害破坏性更大。水面与大气间热量传递引起的冰花产量决定了河冰的形成过程及冰塞的堵塞程度,而冰塞的形成时间、位置及冰塞剖面等的可预测性较低,一直以来是学术界研究的热点。冰塞引起的上游水位壅高与冰塞厚度及内部阻力有关,在明晰冰塞形成机理的基础上,本文首次将非达西渗流阻力考虑到冰塞内部阻力研究中,运用实验室冰水动力学模型探究了冰塞内部能量损失机理,为受冰凌灾害困扰流域预测冰塞发生与溃决位置及决定河道内水位流量关系提供科学依据。黄河内蒙古段基于其较高的纬度及特殊气候成为黄河凌情最严重河段,基于此,本研究以黄河内蒙古段为研究区,利用3S技术,对黄河蒲讫卜—岔河口河段河道近20年平面摆动变化情况进行了分析,结合弯道及河工建筑物河段河冰生消过程的原型监测,探究了河道地形对卡冰过程的影响;基于非线性及线性热力学模型,对黄河内蒙古段封河期热量损失系数进行率定,模拟了冰塞形成的热力学过程;通过室内模拟试验对冰塞内部阻力及冰塞内渗流机理进行试验研究,以期在揭示封开河冰塞内部冰水动力学的基础上,为改进河流冰塞模型精度及建立封开河过程完整冰塞模型奠定科学基础。分析结果显示:(1)黄河内蒙古段近57年来气温整体呈现上升趋势,监测河段河槽宽度近20年呈波动中萎缩状态,2013年较1995年主河槽宽度平均萎缩了 32.24m,变化率为-9%;砂质河床泥沙侵蚀作用强烈,变化率在-12%～-33%,弯道河槽宽度变化率更为明显,什四份子弯道河段变化率达-28%,受弯道横向环流影响,该河段易形成卡冰结坝;跨河桥坐落在河道内的桥墩缩窄了河道的过水断面面积、改变周围流速分布和水力特性,增大了冰塞发生几率。(2)结合单一参数线性热力学模型率定了黄河内蒙古段封河期水面与大气间的热量损失系数为21.38W/(m2.℃);当风速大于4m/s时,ShenChiang's非线性热力学模型得到的蒸发和热传导辐射与Ashton's模型结果存在一定偏差,且ShenChiang's模型下得到的水温与实测水温更接近;以2015-2016年冰封期为典型年,得到黄河内蒙古段上游海勃湾至下游万家寨河段的热量损失呈现增长趋势,由河道内流凌密度、封河长度得到的估算封河期日均敞露水面面积经验公式,经Landsat8遥感影像验证,误差小于13%,计算河道内封河期年总产冰量为9.20×1010kg。(3)基于非达西渗流理论,室内模型试验结果显示,冰塞糙率是影响河道内水流条件的主要阻力因素,与冰厚呈非线性增长关系;渗流阻力沿冰塞累积长度的能量损失与冰厚和水深之比呈正相关关系,冰厚最大位置,冰塞内渗流流量占总下泄流量的10%-19%,造成的能量损失占总能量损失的65%,揭示了渗流在冰塞研究中的重要性。(4)冰塞内渗流系数与孔隙率呈典型的正相关,表征颗粒大小为3.81cmx3.81cmx0.64cm,且随机堆积的立方体冰块颗粒系数k值为0.42,不同水力条件下冰塞孔隙率在0.39-0.5之间;渗流拖曳系数(Cd)与雷诺数(Re)2次多项式的有理函数逼近关系(Cd=1E-7Re2-0.0011Re+2.5727)适用于雷诺数在2300-3500范围。总之,封河期水温与气温差值在6℃-8℃之间时,黄河内蒙古段河道中易失热出现流冰;弯道出口处主槽与滩地的交界处是初始冰塞剖面的堆积点,桥墩阻冰作用会壅高上游水位,河道内高流速区易形成清沟,并在封河期持续产冰输移堆积至下游冰盖底部;水库运行升高了下游一段水温,减少了产冰量体积,延长了封河时间,通过流量调节,对防凌减灾起到重要作用;冰塞渗流阻力的提出,为冰塞剖面精准预测及合理安排水利调度提供了理论参考,且紊流条件下得到的冰塞内渗流拖曳系数与雷诺数的拟合关系是根据紊流强度决定渗流拖曳力的重要方程式;渗流大小主要与孔隙率有关,立方体颗粒系数k值的确定为利用非达西渗流理论模拟相同粒径下冰塞过程提供了依据;最后,明确了冰塞形成机理及冰塞内部阻力,有利于合理分析冰塞阻水程度及实现凌灾的提前预防。
【图文】：

技术路线图

图１技术路线图逡逑Ｆｉｇ．邋１邋Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ邋ｒｏｕｔｅ逡逑

黄河内蒙古段,地理位置

东经１０６。－１１２。之间，受所处地区独特的气候特征及河道地形条件影响，该河段成为逡逑黄河流域冰凌灾害最严重区域。沿黄河内蒙古段共布设了五个水文站点，分别为入逡逑境口石嘴山站、巴彦高勒站、三湖河口站、包头站和头道拐站，如图２所示。上游逡逑石嘴山至巴彦高勒的河道走向为由西南向东北，巴彦高勒至头道拐为由西向东南，逡逑头道拐至万家寨河段为由南向北。受地理位置的影响，万家寨水库处于下游纬度较逡逑高的位置，受水库回水末端的影响，库尾冰塞灾害时有发生。逡逑巴彦淳尔市逦＼邋④固阳县邋＞逡逑n杭锦后旗Ｓ逦呼和浩特帘？逡逑临河市＾￣逦乌拉特前旗邋ｐ￣＾逦１逦④土默特左旗逡逑＼逦巴Ｍ勒站逦达拉特旗逦托QW托县逡逑头道逡逑？杭岕逦／邋＾逡逑枢纽逦＿尔多渐市逦【县逡逑古逦鄂尔多斯市逦准格尔旗④万家赛逡逑｜＼邋Ｔ逦逦丁ｗ逡逑图２黄河内蒙古段地理位置及河道走向图逡逑Ｆｉｇ．２邋Ｔｈｅ邋Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｒｉｖｅｒ邋ｔｒｅｎｄ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｉｎｎｅｒ邋Ｍｏｎｇｏｌｉａ邋ｒｅａｃｈｅｓ邋ｏｆ邋Ｙｅｌｌｏｗ邋Ｒｉｖｅｒ逡逑２．１．２河道地形特征逡逑黄河内蒙古段河道整体呈“几”字型，受内蒙古段上游鄂尔多斯高原北部沙地逡逑的影响，河道内含沙量较大，河槽冲淤演变较为明显。黄河内蒙古段河道地形主要逡逑包括阴山山脉和冲积平原，河道内浅滩弯道叠出，上下游不同河段河床比降相差明逡逑显，各水文站点河床比降如表１所示，，封河和开河时期，弯道、束窄河段多形成卡逡逑冰结坝
【学位授予单位】：内蒙古农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV875

【参考文献】