黄河（内蒙古段）河冰生消演变特性及数值模拟研究

摘要

河冰是影响寒区水资源开发利用的重点因素，黄河（内蒙古段）因其特殊的气候特征、地理位置和河道走向而成为冰情严重、凌灾频发的地区之一。根据多年的数据统计及野外观测发现，弯道处冰塞、冰坝的形成及发展是诱发黄河(内蒙古段)凌灾的主要原因。本文以黄河（内蒙古段）为研究区域，通过对2012-13年和2013-14年冬季河冰过程的野外观测，分析研宄河段内河冰的生消演变特性。并采用DynaRICE河冰动力学模型对弯道进行数值模拟，结合河冰生成的热力过程、岸冰生长及冰盖发展理论，探讨弯道河冰的生长、输移、堆积及冰盖发展过程。应用耦合的热力-动力河冰模型模拟三湖河口弯道的河冰过程。
　　1)受气候变暖影响，黄河（内蒙古段）整个冰期缩短，冰厚变薄。封河期下游河段较易发生冰坝，而开河期由于上、下游河段气温高先开河，中游段因气温低，加之槽蓄水量下泄而使其成为易卡冰结坝的危险河段。
　　2)首凌位置均发生在玮度高、气温低的中游段，当日均气温降到-51以下时即可能发生流凌，流凌密度与气温呈负相关，同时与上、下游的卡冰情况及河道形态有关，流凌历时取决于气温强度变化。封河速度与气温相关，气温冷暖交替，封河速度慢，一般中、下游封河速度快，上游封河速度慢，封河初期封河速度快，后期封河速度慢；封河顺序基本上都是从下游到上游，但也出现分段封河的现象。开河期顺序与封河顺序正好相反。
　　3)表面冰的输移过程受到水流拖曳力和重力沿流动方向的分力的影响，弯道横向环流在表面冰输移中的作用可忽略不计。表面冰随主流输移，易在弯道出口河面束窄处卡冰堆积，初始卡冰位置受弯道上游流凌密度、弯道处河冰形态、水力条件及河道形态等因素影响。
　　4)蒸发-凝结通量φ和传递热量输送φc在河冰形成的热力作用中占主要因素，而气温和风速是影响φe和φc的主要因素，流速小于0.4爪4的区域有可能形成岸冰。不同的水力和热力条件岸冰的形态和冰盖的增长模式不同。冰盖形成初期，其热力增厚较快，后期因热量损失减小，冰厚增速减慢。开河期冰盖受热力和水力共同作用而消退速率较快。
　　5)应用河冰热力-动力耦合模型对三湖河口弯道河冰过程进行模拟，结果表明:岸冰的形成降低了表面冰输移能力，随着上游流凌密度增大，在弯道曲率较大的位置最先形成卡冰，冰盖由此向上游发展，卡冰位置下游因来冰量减少而形成清沟。

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