冰盖下水流垂线流速分布规律研究

河道中冰盖显著改变了水流流动结构.采用k-ε紊流模型建立了冰盖下水流流动垂向二维数值模型;根据量纲分析理论提出了流速分布规律的影响因素;针对各种因素的不同组合进行了数值计算,并对其流动特性如最大流速点位置、冰区及床面区平均流速等进行了分析研究;对冬季封冻河道的二点测流法精度进行了理论分析.研究结果表明,冰盖下水流的纵向流速在流动核心区并不遵循对数分布规律,同时揭示了冰盖底部与河床的相对粗糙比、河床相对粗糙度及雷诺数对流速分布规律的影响.     

冰盖下水流速度分布的二维数值模拟分析

基于标准的κ-ε模型,利用有限体积法,对冰盖下水流速度分布进行了二维数值模拟和分析.结果表明:当冰盖和河床糙率比值变化时,水流速度剖面发生变化;冰盖下的最大流速值比速度对称分布时要大,且偏于光滑的一边;在相对光滑壁处近壁流速值大于相应对称分布时的流速值,该结果与实验室实测速度剖面情况吻合.数值试验表明,最大流速点位置的偏移量仅在有限的范围内,冰盖区、床面区及冰盖下水流平均速度相差较小,表明了工程应用中假定各区流速相等是可行的.     

冰盖下矩形河道的综合糙率

综合糙率是采用曼宁公式确定河道水位和流量关系的关键参数。在河道冰封期,冰盖的出现增加了流动的阻力,明流条件下确定的综合糙率不再适用,需要重新估算。基于Einstein阻力划分过流断面的原理,冰盖下矩形河道的过水断面可划分为冰盖区、河床区和边壁区。根据总流的连续性方程,在确定各分区糙率系数、水力半径和断面面积的基础上,提出了冰盖下矩形河道综合糙率的计算公式。采用已有的试验水槽测量数据和天然河道实测资料对公式进行了验证,结果表明:公式计算的综合糙率与实测值吻合较好,与Einstein公式和Sabaneev公式相比,计算精度更高;对于冰封水流,宽浅河道采用分区水深代替水力半径进行简化计算的条件有别于明渠水流,在宽深比大于20时,计算结果才满足精度要求。     

冰封河道综合糙率计算方法比较与分析

综合糙率是冰封河道水力计算的重要输入参数。根据水流连续性和力的平衡原理,分别推导得到冰封河道综合糙率的通用公式,并选取抛物线形、矩形和梯形作为典型断面,系统地总结Pavlovskiy、Einstein、Lotter、Sabaneev、Larsen、改进的Larsen等常见公式由通用公式基于何种假定（分区的湿周、流速或水力半径相等）简化得到。采用水槽实测数据和野外观测资料,对比上述公式的计算精度,结果表明改进的Larsen公式的计算结果与实测值吻合较好,推荐在工程设计中使用。前5种公式误差较大的原因在于分区的流速、水力半径相等对于冰封河道不具有普适性,尤其是Lotter公式和Pavlovskiy公式在冰盖和河床糙率差异较大时会明显低估冰封河道的综合糙率,在工程设计中应慎重采用。     

复式河道滩槽交互区水沙运动机理

滩槽复式河道是冲积河流中最为常见的一种形态,也是河流动力学研究最为重要的内容之一。以复式河道概化试验数据和水沙运动的区域性特征为依据,在提出滩槽复式断面主槽平衡区、滩槽交互区、滩地平衡区以及边壁区4个分区的基础上,将水流流态最为复杂的滩槽交互区进一步划分为对数流速区（内区）和非对数流速区（外区）,通过引入描写动植物生长过程的S型曲线,提出了内外区分界线的确定方法。以滩槽交互区横向分布公式为基础,通过线性假定和积分变换,给出了滩槽交互区内断面平均流速和含沙量的计算公式,并对不同分区内的流速和含沙量的差异性进行了比较分析。     

冰盖下冰花浓度分布的数值模拟

封冻河道内的冰花分布规律对冰期水文及环境分析有着重要的意义. 视冰花为连续介质, 基于多相流理论和欧拉-欧拉模型方法, 建立了河渠垂向二维标准k-ε紊流数值模型. 在不同的水流流速、 冰花颗粒尺寸、 上游来冰量条件下, 对冰盖下冰花浓度场进行了模拟分析, 得到了冰盖下冰花分布特征. 结果表明: 水流流速越大, 冰花沿垂向分布范围越大, 冰花浓度分布曲线斜率越大, 冰花浓度沿垂向的均匀性越大, 同时浓度最大值越小; 冰花颗粒尺寸越大, 冰花沿垂向分布范围越大, 冰花浓度分布曲线斜率越大; 上游来冰量越大, 冰花沿垂向分布范围越大, 在同一水深其浓度值也越大, 冰花浓度沿垂向分布的均匀性越大.     

冰盖下水流紊动特性试验研究

河冰是陆地冰冻圈的重要组成要素,在生消演变过程中影响水流运动规律,受冰凌影响河流流态可分为明流、完全冰封和部分冰封。为探究冰盖下水流的紊动特性,采用声学多普勒三维测速仪测量3种流态的恒定均匀流场,对比分析纵向时均流速、雷诺应力和紊动强度的分布规律。结果表明：完全冰封流纵向时均流速垂向上呈不对称“■”型分布,雷诺应力在垂向上线性分布,紊动强度在基于双层假定划分的冰盖层和床面层均符合指数分布律;部分冰封流纵向时均流速垂向分布兼具明流和完全冰封流的特性,存在横向动量交换,导致冰盖区、明流区和过渡区的雷诺应力和紊动强度在水深方向上也存在明显的差异。试验结果可为冰凌灾害防治和供水安全保障提供理论指导。     

开河期冰盖横向冰缝形成机理

春季随着流量或水位增加,冰盖底部受水流上举力作用发生弯曲,首先在岸壁附近形成纵向冰缝,破坏冰盖与岸壁的冻结,导致冰盖体中间部分与岸壁脱落分离。采用弹性基础梁的理论及计算方法,通过对冰盖体弯矩及弯曲应力分析,针对平面弯曲和垂直弯曲两种弯曲形式导致冰盖体横向冰缝形成机理进行了研究,并提出了横向冰缝间距的计算表达式。计算结果得到了实测资料的验证。研究结果表明,横向冰缝间距与开河初期冰盖宽度、厚度、冰的抗弯强度及地貌特征有关。     

黄河河口段一维水流泥沙数学模型

针对黄河河口段河道来水来沙特性和河道冲淤演变特点,综合考虑了断面上水沙分布和冲淤分布不均匀,阻力变化、河口三角洲淤积延伸等问题,建立了黄河利津以下河口段一维水流泥沙数学模型。用该模型对多年汛期和冬季河口段内水沙进行验证计算表明:计算结果与实测结果基本吻合。本模型可用来预测河口段内沿程不同时刻水位、含沙量及河床冲淤的变化过程。     

长江苏通公路大桥区原状淤泥质亚粘土起动试验研究

在河道中,受水压力和土体本身压力的作用,淤积物的密度增大,物理力学特性发生了很大的变化,如采用公式计算起动流速,则出现较大的偏差.针对实际工程中经常遇到的淤泥质亚粘土的起动流速问题进行了试验研究,研究在特制的矩形管道中进行.通过试验得到了起动临界状态下的摩阻流速,利用天然河道的阻力关系将摩阻流速换算到天然情况,并以河道稳定性为比较目标,与河道水流动力条件进行比较,验证了试验研究结果的合理性和有效性,这为解决河道边界淤积物的起动临界条件问题提供了一种新的思路和方法,因此无论从研究方法上还是解决实际工程问题都具有一定的创新意义.     

天山南坡科其喀尔冰川消融区运动特征分析

基于2009年5月至2011年10月科其喀尔冰川的花杆观测资料,对其消融区的表面运动特征进行分析. 结果表明：冰川消融区的年水平运动速度最大值为86.69 m·a^-1,年垂直运动速度最大值为15.34 m·a^-1,均出现在冰川海拔4 000~4 200 m的消融区上部;在靠近冰川末端的冰舌下部,受冰量补给减弱、厚层表碛覆盖等影响,冰川运动缓慢,年水平运动速度小于5 m·a^-1,而垂直运动速度值小于2 m·a^-1. 大多数横剖面的水平运动速度具有从中部向边缘逐渐减小的特征,而有的剖面却出现局部速度增大的区域. 整体而言,冰川水平及垂直运动速度随海拔降低而减小,符合冰川运动的一般规律,但主要受地形作用的影响,垂直运动速度随海拔的变化会出现波动. 消融期月水平运动速度与同期气温和降水的变化具有一定的相关性,可能反映出气候快速变化对冰川运动的影响.     

短期水文气象资料估算哈尔滨至同江冰厚度

为估算松花江干流哈尔滨至同江段相距660 km的河冰厚度分布,用松花江干流短期实测水文和气象资料,在静态水域斯蒂芬冰厚计算公式基础上,引入水流流速的动能效应。假设河流内水流量相等,建立流速同河流宽度的简单关系,估算了一些调查断面的冰下平均流速;用地表温度资料,对干流域内缺少气象资料的调查断面,在证明结冰期间属于同一天气系统的前提下,用距离平方反比法进行空间插值。最后获得松花江干流河冰厚度统计关系式。用计算的哈尔滨至同江河冰厚度与有限的实测数据比较,发现该方法能够体现人为调节流速对冰生长速率的影响,对计算长距离河冰厚度具有一定精度。     

高棵水生植物的阻力系数在非淹没与淹没条件下的相互换算

通过模型试验测定了渠道中一种高棵、密集分布的植物,在淹没情况下的断面流度分布曲线及糙率和水深关系曲线;根据文献资料假设了植物区内的流速为均匀分布,并预测了非植物区内的流速分布,经过与实测值比较,符合较好;在这个断面流速分布的基础上,通过理论推导,得到了非淹没和淹没情况下糙率系数的换算关系;并给出了用植物模型在非淹没时的糙率系数~水深关系曲线延伸得到淹没时的糙率~水深关系曲线的实例,模型试验的结果也验证了这一换算关系。     

粘性泥石流的平均运动速度研究

粘性泥石流是泥石流类型中最常见也是危害最大的类型,泥石流的运动速度是泥石流的动力学参数中最重要的参数,因此准确而简洁地计算粘性泥石流的运动速度就显得非常重要。不同的泥石流地区的泥石流阻力有很大的不同:有的地区阻力较大,属于高阻力地区,泥石流运动速度较低;有的地区阻力较小,属于低阻力地区,泥石流运动速度较高。目前的粘性泥石流平均速度公式还不能兼顾计算所有地区的不同阻力类型的泥石流速度。泥石流的不均匀系数在不同的泥石流地区有很大的不同：不均匀系数小的地区阻力大,而不均匀系数大的地区阻力小,因此可以用不均匀系数划分泥石流沟的阻力特征,从而得到能兼顾所有不同地区的泥石流阻力规律。由一系列野外观测资料得到的由泥石流不均匀系数、泥石流运动底部纵比降和水力半径计算的粘性泥石流运动平均速度经验公式,能适应各种类型的泥石流沟,与其它系列的观测资料对比有很好的一致性,与粘性泥流的观测资料对比也很接近。由流体流动的福劳德数可以确定流动的缓急程度。一般的粘性泥石流都是急流,少数是缓流,极少数是运动速度非常缓慢的容重过大的粘性泥石流。粘性泥石流运动平均速度经验公式用于一般急流的粘性泥石流的速度计算结果很好,但不适用于容重过大的缓慢流动,对于缓流粘性泥石流速度计算偏大。在对泥石流的评估和治理中,平均速度公式可以用于泥石流堆积扇上游渠道中的粘性泥石流速度计算,对泥石流堆积扇上的粘性泥石流速度计算偏大,不适用于缓慢流动粘性泥石流,但在对泥石流的危害评估和治理中可以忽略缓慢流动的发生。     

基于Landsat-8 OLI影像的天山南伊内里切克冰川2016年冰川表面运动状态提取与分析

利用Landsat-8 OLI传感器获取的2016年3-9月覆盖天山西段托木尔峰-汗腾格里地区的3期光学遥感影像数据,基于频谱归一化互相关算法提取并分析了该地区南伊内里切克冰川在最近一年消融期内不同时段的表面运动速度分布及其时空变化特征。研究结果表明：2016年消融期内靠近该冰川上游区域可观测到约为55 cm·d^-1最大运动速度;由于受到冰川下游物质补给量减弱、表碛物增多等因素影响造成冰川末端区域运动速度最小,整个消融期内冰川主体运动速度基本介于20~50 cm·d^-1之间,其平均运动速度约为35 cm·d^-1。而且,可观测到位于冰川上游区域在2016年3月9日至9月17日时段内,冰川运动速度呈递增趋势,相反位于冰川下游区域冰川运动速度呈现减弱趋势。另外,与早期研究对比可知,该冰川运动速度有所减缓且冰川末端明显处于退缩状态。     

基于SAR影像的喜马拉雅山珠穆朗玛峰地区冰川运动速度特征及其影响因素分析

合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)具有其全天候、全天时、穿云透雾的工作能力, 广泛应用于山地冰川动态监测中. 利用2006年6-9月三期ALOS/PALSAR雷达影像, 采用偏移量跟踪技术, 提取了喜马拉雅山珠穆朗玛峰(珠峰)区域的冰川运动速度, 分析了区域内冰川运动速度空间差异及其影响因素. 结果表明: 研究区31条山谷冰川平均运动速度为9.3 cm·d^-1, 总体上以珠峰-洛子峰南北向山脊线为界限, 东侧和东南侧冰川日均运动速度(11.1 cm·d^-1)普遍高于北部和西北部冰川日均运动速度(5.4 cm·d^-1). 冰川消融区非表碛区冰川平均运动速度为表碛覆盖区平均运动速度的2.2倍, 冰面湖的发育在一定程度上加剧冰川运动速度波动. 在气候与非气候因子共同作用和相互间的此消彼长中, 研究区65%的冰川的运动速度自中值高度往下显著减小, 16%的冰川自中值高度往下呈显著增大趋势, 19%冰川消融区运动速度无显著变化趋势.     

黏性泥石流沟床冲刷深度研究

沟床冲刷深度是泥石流灾害防治工程设计最重要的参数之一,但到目前为止,关于黏性泥石流沟床冲刷的研究较少,沟床冲刷深度还没有权威可信的计算方法,是泥石流防治工程设计急需解决的技术问题。详细分析了黏性泥石流及可能冲刷沟床运动过程中受力情况,推导出黏性泥石流沟床最大冲刷深度计算公式。公式表明黏性泥石流沟床冲刷深度随泥石流泥深、泥石流重度和沟床纵比降及沟床堆积土体黏性的增大而增大,随沟床堆积土体内摩擦角的增大而减小。与现有计算方法相比,公式基于严格理论推导,计算结果更为精确,可用于计算已发生泥石流地区的不同频率的泥石流的冲刷深度,并举例说明了计算公式的实用价值,其结果为泥石流防治工程设计提供技术支撑。     

南极Getz F冰架表面冰流速及结构特征时空变化分析

冰川裂解与底部消融是南极冰架质量损失的主要部分,这两个过程与全球温度升高密切相关。Getz冰架较阿蒙森海其他冰架对温度的升高更为敏感,开展Getz冰架表面冰流速和结构特征长时间序列分析,对全球气候变化、极地冰川学的发展具有重要意义。基于Landsat系列影像,采用多尺度半自动化影像匹配算法重建了2000—2017年Getz F冰架表面冰流速,进一步通过遥感影像增强处理及人工目视解译,提取了2000年和2017年Getz F冰架表面结构特征,综合分析Getz F冰架长时间序列冰流速与表面特征。结果表明,2000—2017年间,Getz F冰架表面高冰流速区（850~950 m?a^-1）逐渐向西部海岸线移动,海岸线向外延伸较大;冰架中西部下游冰裂缝数量明显增多,且冰裂隙呈现由东部上游向东部下游移动的趋势;冰流速总体呈随表面高程的增加而减少的趋势。研究表明Getz F冰架流量由Berry冰川补给较多,且冰流速受变性环极深水消融影响较大;同时,Getz F冰架前缘存在着较大不稳定性。