水库冰盖生消过程的试验、原型观测及数学模型研究

水库冰情对库区环境和大坝安全有着重要的影响，而水库的水力学和热力学特性、结冰机理的复杂性使得全库区冰情模拟极为困难，并缺乏严谨的理论支撑和试验验证。本项目通过室内试验、原型观测与数值模拟相结合的技术路线，建立库区水动力学、水温与冰情耦合计算的宽度平均立面二维冰情预测数学模型。在恒温室内监测不同气象、水力学条件下冰的形成、运动和转化过程，探寻水内冰输运和转化的两相流计算模式。通过多点连续监测库区的冰情发展、水温、气象过程，掌握大型深水库的冰情时空分布规律。在立面二维的水温、水力学模型基础上，引入库区水内冰形成、输移、扩散、堆积的计算模式，以及浮冰和冰盖生消的计算模式，以试验成果率定模型参数，以原型观测成果验证模型，最终建立寒冷地区水库的冰情预测模型，并应用于水库调度与冰情发展的关系研究中。本成果对水库冰情预报理论的发展具有重要的学术意义，也为水库的凌汛灾害控制提供重要的技术支撑。

水库冰情对库区环境和大坝安全有着重要的影响，而水库的水力学和热力学特性、结冰机理的复杂性使得全库区冰情模拟极为困难，并缺乏理论支撑和实验验证。本项目通过室内试验、原型观测与数值模拟相结合的技术路线，探寻深水库的结冰机制及冰情发展规律，研发了大型深水库水温冰情耦合数学模型，并以此开展水库调度对库区及下游河道冰情影响规律研究。在恒温恒湿实验室开展了低流速条件下冰水热交换系数实验及风对结冰过程影响的实验研究，探寻近水面的水动力学条件对水库结冰过程的影响机制，提出了低流速（小于0.11m/s）条件下无量纲的冰水热交换系数为1.1×10-3，揭示了风产生的紊动对水体的过冷却过程及冰气热交换系数的影响规律，为水库冰情模拟提供了重要的技术和理论基础。以历史资料调查、现场多点多要素的同步原型观测及遥感卫片解译等多重技术相结合，开展了大型深水库冰情原型观测调查，揭示了气象条件、水库热力学条件与水动力学条件对水库冰情过程的影响机制，以及库区封冻和解冻顺序、沿程冰厚具有不均匀性、冰温在冰厚上的线性变化等规律。采用遥感技术全时段、全区域地连续监测库区冰情发展过程，是对传统观测手段的重要补充。研究成果丰富了水库冰情资料，对掌握寒区水库及下游河道冰情变化具有重要的参考价值。在立面二维的水温、水力学模型基础上，考虑库区水内冰形成、封冻的机理，建立了大型深水库的库区水动力学、水温与冰情耦合计算的宽度平均立面二维冰情预测数学模型。该模型得到了原型观测成果的验证，可用于寒冷地区水库的浮冰和冰盖生消过程的模拟。以丰满水库改建工程为例，利用上述数学模型，模拟了水库及下游河道冰情的演变过程，揭示了水库运行调度对冰情的影响规律。本成果对水库冰情预报理论与技术的发展具有重要的意义，也对水库的凌汛灾害控制提供重要的技术手段。