水力-冰情-河势耦合作用下弯道卡冰机理及数学模型研究

This project focuses on numerical model and mechanism of ice jam under the couping of hydraulic-ice-bathymetry. According to the statistics and field observation, ice jam ususally occurs in the river bend, the formation of ice jam and ice pattern in river bend will effect ice process and development. That may cause ice flooding during winter time. So the study on transport and accumulation of ice is the key point on sloving ice jam disaster. But the analysis of model test and frazil ice in artificial bend can not fully express the ice jam mechanism of natural river bend. Especially, the lack of river bathymetry, hydraulic and ice condition data limit the mechanism analysis of ice jam in river bend. In this research, the bed bathymetry is include with hydrodynamic and icedynamic to analysis river ice transport and ice jam process in river bend. Analyzing the factors of ice jam process and hydraulic-ice-bathymetry couping mechanism by the field observation of bed bathymetry, hydraulic and ice condition in river bend. Discussing the characteristics and mathematical desciption of bend flow. Building the numerical model to simulate ice transport and accumulation. This study will improve ice theroy and provide technical guidance on the ice disaster prevention in the cold region river.

多年的统计和野外观测表明河流弯道处极易形成冰坝、冰塞，弯道处冰坝形成过程及河冰形态对于整个河道冰情，乃至凌汛的发生都有重要的影响作用。因此，研究弯道处河冰的输移及卡冰结坝过程是解决黄河（内蒙古段）凌灾的关键。但河冰室内试验和人工弯道处水内冰的研究不能充分解释天然河流弯道河冰的卡冰机理，尤其天然河道弯道处河冰的野外观测因缺少完整系统河道地形、水力和冰期观测数据，限制了弯道处河冰输移特性及卡冰结坝的机理分析。本课题将弯道河势因素与水力、冰情综合考虑，通过对弯道处河道地形、冰情及水力特征的野外观测，分析弯道处河冰输移特性及堆积过程，讨论影响弯道河冰输移及卡冰结坝的关键因素及各因素耦合作用机理，明确不同水力、河冰模式下弯道卡冰判定条件，在理解河冰影响弯道螺旋流水力特性及数学描述方法的基础上，构建完整描述弯道河冰输移及卡冰结坝过程数学模型。本研究对完善河冰研究及寒区防凌减灾工作提供理论。

多年的统计和野外观测表明河流弯道处极易形成冰坝、冰塞，弯道处冰坝形成过程及河冰形态对于整个河道河冰的形成、发展，乃至凌汛的发生都有重要的影响作用。因此，研究弯道处河冰的输移及卡冰结坝过程是解决黄河（内蒙古段）凌灾的关键。本研究通过对黄河（内蒙古段）不同形态弯道的测量，分析了不同类型弯道的河势特征，观测流凌封河期典型弯道的水文、气象和冰情过程，研究了弯道处河冰形成、输移及堆积的特征，探讨了影响河冰过程的关键因素，揭示了水力-冰情-河势耦合作用下河冰输移及堆积的耦合作用机理，明确不同水力、河冰模式下弯道卡冰判定条件，在理解影响弯道河冰水力特性及数学描述方法的基础上，构建了完整描述弯道河冰输移及卡冰结坝过程的水动力学模型、冰动力学模型和冰厚热力增长模型，并利用构建模型对三湖河口弯道和什四份子弯道的河冰过程进行数值模拟。结果表明：黄河（内蒙古段）弯道均存在一个束窄断面，在极易发生卡冰结坝的弯道上河面的束窄程度均超过了60%，河流弯曲系数超过了2.0。弯道处河冰的形成起始于岸冰的发展，但当岸冰边缘水流流速超过0.4m/s时岸冰不再沿河面横向发展，岸冰发展进一步缩窄了河面的宽度，降低了水流的输冰能力，增加了弯道束窄断面的流凌密度，弯道束窄断面处流凌密度超过45%，且该处水流弗汝德数低于0.18、气温较低时极易在该处形成卡冰结坝的现象，河道内流量也是影响卡冰位置的关键因素，封河流量低于550m³/s时，首封位置一般位于黄河（内蒙古段）中游的三湖河口-包头河段，封河流量高于550m³/s时，首封位置则靠近黄河（内蒙古段）下游的包头-头道拐河段。构建的模拟弯道处河冰输移、堆积及冰厚增长数学模型能较准确地模拟弯道处河冰的输移轨迹、卡冰位置、冰盖发展、冰厚增长，模拟结果与观测数据吻合较好。本研究为完善河冰研究理论及寒区防凌减灾工作提供理论和技术支撑，对保障人民群众生命财产安全及河道安全具有广泛的应用前景。