【摘要】：冰塞誘發(fā)的凌洪災(zāi)害對社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境造成巨大損害,且冰塞現(xiàn)象受熱力與水力要素的影響多發(fā)生在高緯度地區(qū)封河初期和開河期。封河初期,彎道和束窄河道因特殊的河道形態(tài)易于卡冰結(jié)壩,河道內(nèi)橋墩對過水?dāng)嗝娴氖矔龃蟊l(fā)生幾率;相比封河期,開河期水鼓冰開造成的凌汛災(zāi)害破壞性更大。水面與大氣間熱量傳遞引起的冰花產(chǎn)量決定了河冰的形成過程及冰塞的堵塞程度,而冰塞的形成時間、位置及冰塞剖面等的可預(yù)測性較低,一直以來是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。冰塞引起的上游水位壅高與冰塞厚度及內(nèi)部阻力有關(guān),在明晰冰塞形成機(jī)理的基礎(chǔ)上,本文首次將非達(dá)西滲流阻力考慮到冰塞內(nèi)部阻力研究中,運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室冰水動力學(xué)模型探究了冰塞內(nèi)部能量損失機(jī)理,為受冰凌災(zāi)害困擾流域預(yù)測冰塞發(fā)生與潰決位置及決定河道內(nèi)水位流量關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)。黃河內(nèi)蒙古段基于其較高的緯度及特殊氣候成為黃河凌情最嚴(yán)重河段,基于此,本研究以黃河內(nèi)蒙古段為研究區(qū),利用3S技術(shù),對黃河蒲訖卜—岔河口河段河道近20年平面擺動變化情況進(jìn)行了分析,結(jié)合彎道及河工建筑物河段河冰生消過程的原型監(jiān)測,探究了河道地形對卡冰過程的影響;基于非線性及線性熱力學(xué)模型,對黃河內(nèi)蒙古段封河期熱量損失系數(shù)進(jìn)行率定,模擬了冰塞形成的熱力學(xué)過程;通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)對冰塞內(nèi)部阻力及冰塞內(nèi)滲流機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)研究,以期在揭示封開河冰塞內(nèi)部冰水動力學(xué)的基礎(chǔ)上,為改進(jìn)河流冰塞模型精度及建立封開河過程完整冰塞模型奠定科學(xué)基礎(chǔ)。分析結(jié)果顯示:(1)黃河內(nèi)蒙古段近57年來氣溫整體呈現(xiàn)上升趨勢,監(jiān)測河段河槽寬度近20年呈波動中萎縮狀態(tài),2013年較1995年主河槽寬度平均萎縮了 32.24m,變化率為-9%;砂質(zhì)河床泥沙侵蝕作用強(qiáng)烈,變化率在-12%～-33%,彎道河槽寬度變化率更為明顯,什四份子彎道河段變化率達(dá)-28%,受彎道橫向環(huán)流影響,該河段易形成卡冰結(jié)壩;跨河橋坐落在河道內(nèi)的橋墩縮窄了河道的過水?dāng)嗝婷娣e、改變周圍流速分布和水力特性,增大了冰塞發(fā)生幾率。(2)結(jié)合單一參數(shù)線性熱力學(xué)模型率定了黃河內(nèi)蒙古段封河期水面與大氣間的熱量損失系數(shù)為21.38W/(m2.℃);當(dāng)風(fēng)速大于4m/s時,ShenChiang's非線性熱力學(xué)模型得到的蒸發(fā)和熱傳導(dǎo)輻射與Ashton's模型結(jié)果存在一定偏差,且ShenChiang's模型下得到的水溫與實(shí)測水溫更接近;以2015-2016年冰封期為典型年,得到黃河內(nèi)蒙古段上游海勃灣至下游萬家寨河段的熱量損失呈現(xiàn)增長趨勢,由河道內(nèi)流凌密度、封河長度得到的估算封河期日均敞露水面面積經(jīng)驗(yàn)公式,經(jīng)Landsat8遙感影像驗(yàn)證,誤差小于13%,計算河道內(nèi)封河期年總產(chǎn)冰量為9.20×1010kg。(3)基于非達(dá)西滲流理論,室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果顯示,冰塞糙率是影響河道內(nèi)水流條件的主要阻力因素,與冰厚呈非線性增長關(guān)系;滲流阻力沿冰塞累積長度的能量損失與冰厚和水深之比呈正相關(guān)關(guān)系,冰厚最大位置,冰塞內(nèi)滲流流量占總下泄流量的10%-19%,造成的能量損失占總能量損失的65%,揭示了滲流在冰塞研究中的重要性。(4)冰塞內(nèi)滲流系數(shù)與孔隙率呈典型的正相關(guān),表征顆粒大小為3.81cmx3.81cmx0.64cm,且隨機(jī)堆積的立方體冰塊顆粒系數(shù)k值為0.42,不同水力條件下冰塞孔隙率在0.39-0.5之間;滲流拖曳系數(shù)(Cd)與雷諾數(shù)(Re)2次多項(xiàng)式的有理函數(shù)逼近關(guān)系(Cd=1E-7Re2-0.0011Re+2.5727)適用于雷諾數(shù)在2300-3500范圍。總之,封河期水溫與氣溫差值在6℃-8℃之間時,黃河內(nèi)蒙古段河道中易失熱出現(xiàn)流冰;彎道出口處主槽與灘地的交界處是初始冰塞剖面的堆積點(diǎn),橋墩阻冰作用會壅高上游水位,河道內(nèi)高流速區(qū)易形成清溝,并在封河期持續(xù)產(chǎn)冰輸移堆積至下游冰蓋底部;水庫運(yùn)行升高了下游一段水溫,減少了產(chǎn)冰量體積,延長了封河時間,通過流量調(diào)節(jié),對防凌減災(zāi)起到重要作用;冰塞滲流阻力的提出,為冰塞剖面精準(zhǔn)預(yù)測及合理安排水利調(diào)度提供了理論參考,且紊流條件下得到的冰塞內(nèi)滲流拖曳系數(shù)與雷諾數(shù)的擬合關(guān)系是根據(jù)紊流強(qiáng)度決定滲流拖曳力的重要方程式;滲流大小主要與孔隙率有關(guān),立方體顆粒系數(shù)k值的確定為利用非達(dá)西滲流理論模擬相同粒徑下冰塞過程提供了依據(jù);最后,明確了冰塞形成機(jī)理及冰塞內(nèi)部阻力,有利于合理分析冰塞阻水程度及實(shí)現(xiàn)凌災(zāi)的提前預(yù)防。
【圖文】：

圖１技術(shù)路線圖逡逑Ｆｉｇ．邋１邋Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ邋ｒｏｕｔｅ逡逑

東經(jīng)１０６。－１１２。之間，受所處地區(qū)獨(dú)特的氣候特征及河道地形條件影響，該河段成為逡逑黃河流域冰凌災(zāi)害最嚴(yán)重區(qū)域。沿黃河內(nèi)蒙古段共布設(shè)了五個水文站點(diǎn)，分別為入逡逑境口石嘴山站、巴彥高勒站、三湖河口站、包頭站和頭道拐站，如圖２所示。上游逡逑石嘴山至巴彥高勒的河道走向?yàn)橛晌髂舷驏|北，巴彥高勒至頭道拐為由西向東南，逡逑頭道拐至萬家寨河段為由南向北。受地理位置的影響，萬家寨水庫處于下游緯度較逡逑高的位置，受水庫回水末端的影響，庫尾冰塞災(zāi)害時有發(fā)生。逡逑巴彥淳爾市邐＼邋④固陽縣邋＞逡逑n杭錦后旗Ｓ邐呼和浩特簾？逡逑臨河市＾￣邐烏拉特前旗邋ｐ￣＾邐１邐④土默特左旗逡逑＼邐巴Ｍ勒站邐達(dá)拉特旗邐托QW托縣逡逑頭道逡逑？杭岕邐／邋＾逡逑樞紐邐＿爾多漸市邐【縣逡逑古邐鄂爾多斯市邐準(zhǔn)格爾旗④萬家賽逡逑｜＼邋Ｔ邐邐丁ｗ逡逑圖２黃河內(nèi)蒙古段地理位置及河道走向圖逡逑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河道地形特征逡逑黃河內(nèi)蒙古段河道整體呈“幾”字型，受內(nèi)蒙古段上游鄂爾多斯高原北部沙地逡逑的影響，河道內(nèi)含沙量較大，河槽沖淤演變較為明顯。黃河內(nèi)蒙古段河道地形主要逡逑包括陰山山脈和沖積平原，河道內(nèi)淺灘彎道疊出，上下游不同河段河床比降相差明逡逑顯，各水文站點(diǎn)河床比降如表１所示，，封河和開河時期，彎道、束窄河段多形成卡逡逑冰結(jié)壩
【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TV875

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2619755