头道拐河段因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段最易形成冰坝的河段，研究该河段河冰输移及堆积过程是理解内蒙古段河冰过程及卡冰结坝作用机理的关键。本文基于耦合的二维有限元水动力学模型和DPM(Discrete Parcel Method)河冰动力学模型，模拟了黄河头道拐河段2020—2021年冬季封河过程并进行了验证，讨论了不同水力条件、上游流凌密集度及河道形态对封河过程的影响。结果表明：相比于官牛犋弯道，河道弯曲率大、束窄程度高的什四份子弯道更易形成卡冰，且流量越小，卡冰作用越明显，冰盖向上游发展速度越快。河道流凌密集度小于0.4时，各种流量下研究河段未发生卡冰；流凌密集度增大至0.4,表面流冰首先在弯曲率系数较大的什四份子弯道处形成卡冰，随着流凌密集度和流量的进一步增大，下潜并输移到下游的流凌也会在官牛犋弯道形成卡冰，因此，头道拐河段形成卡冰的流凌密集度临界条件为0.4。应用冰水耦合二维动力学模型可以很好地模拟天然河道河冰输移、堆积过程中河道的水力特性、冰厚增长及封河形态，揭示了影响河冰过程的相关因素及作用机理，为黄河内蒙古段防凌减灾工作提供技术支撑。
头道拐河段因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段最易形成冰坝的河段，研究该河段河冰输移及堆积过程是理解内蒙古段河冰过程及卡冰结坝作用机理的关键。本文基于耦合的二维有限元水动力学模型和DPM(Discrete Parcel Method)河冰动力学模型，模拟了黄河头道拐河段2020—2021年冬季封河过程并进行了验证，讨论了不同水力条件、上游流凌密集度及河道形态对封河过程的影响。结果表明：相比于官牛犋弯道，河道弯曲率大、束窄程度高的什四份子弯道更易形成卡冰，且流量越小，卡冰作用越明显，冰盖向上游发展速度越快。河道流凌密集度小于0.4时，各种流量下研究河段未发生卡冰；流凌密集度增大至0.4,表面流冰首先在弯曲率系数较大的什四份子弯道处形成卡冰，随着流凌密集度和流量的进一步增大，下潜并输移到下游的流凌也会在官牛犋弯道形成卡冰，因此，头道拐河段形成卡冰的流凌密集度临界条件为0.4。应用冰水耦合二维动力学模型可以很好地模拟天然河道河冰输移、堆积过程中河道的水力特性、冰厚增长及封河形态，揭示了影响河冰过程的相关因素及作用机理，为黄河内蒙古段防凌减灾工作提供技术支撑。
基于冰盖影响下冰坝形成和演进的动力特性,该文针对冰坝与冰盖相互作用及冰盖破碎问题,在离散元河冰动力学模型的基础上,发展了具有冻结破碎功能的黏结失效模型,对碎冰在冰盖前缘堆积形成冰坝以及冰盖前缘破碎、冰坝推进下移的过程进行模拟。模拟结果显示:该模型能够较全面地描述冰盖前缘冰坝形成和冰盖破碎冰坝推移的过程;冰盖会导致堆冰发生在冰盖前端或冰盖底部,冰坝体的平衡状态受到来冰量、河道边壁阻力、冰盖强度和水力等因素的影响;冰盖在水位变化条件下先沿河岸纵向断裂,进而冰坝与冰盖前端作用并向下游推移,冰坝推移过程中冰坝与冰盖的作用力是累积-释放的循环过程;由冰盖前端破碎产生的碎冰会造成更严重的堆冰和河道壅水。模拟结果对现场观测难以捕捉到的动力过程及过程中水力、冰力等信息做出了描述,可为冰坝形成和演进的机理研究及冰区凌汛的防治提供参考。
基于冰盖影响下冰坝形成和演进的动力特性,该文针对冰坝与冰盖相互作用及冰盖破碎问题,在离散元河冰动力学模型的基础上,发展了具有冻结破碎功能的黏结失效模型,对碎冰在冰盖前缘堆积形成冰坝以及冰盖前缘破碎、冰坝推进下移的过程进行模拟。模拟结果显示:该模型能够较全面地描述冰盖前缘冰坝形成和冰盖破碎冰坝推移的过程;冰盖会导致堆冰发生在冰盖前端或冰盖底部,冰坝体的平衡状态受到来冰量、河道边壁阻力、冰盖强度和水力等因素的影响;冰盖在水位变化条件下先沿河岸纵向断裂,进而冰坝与冰盖前端作用并向下游推移,冰坝推移过程中冰坝与冰盖的作用力是累积-释放的循环过程;由冰盖前端破碎产生的碎冰会造成更严重的堆冰和河道壅水。模拟结果对现场观测难以捕捉到的动力过程及过程中水力、冰力等信息做出了描述,可为冰坝形成和演进的机理研究及冰区凌汛的防治提供参考。
河流水沙研究一般忽略冬季河冰对泥沙输运、河床侵蚀和岸滩崩塌的影响,但北方河流如黄河等冬季冰期的防凌减灾和河道的演变均不能忽略河冰过程,亟需研究河冰全过程影响下的水冰沙耦合作用机理。本文首先总结了河冰水力学的理论发展,针对北方河流建立了二维水冰沙耦合数学模型,包括二维水沙数值模块、河冰动力学模块和岸滩侵蚀模块,并介绍了该耦合模型的求解步骤和方法。研究表明:通过三个模块间的信息传递和数据反馈,该数学模型具备模拟冰塞冰坝等极端工况下的水流变化、河冰堆积和释放、泥沙运动、河床冲淤和岸滩侵蚀等过程的能力。该模型将水沙理论和河冰理论结合起来,可用于北方河流全季节与河冰生消全过程的水冰沙耦合过程模拟,为北方河流管理提供了有力工具。
河流水沙研究一般忽略冬季河冰对泥沙输运、河床侵蚀和岸滩崩塌的影响,但北方河流如黄河等冬季冰期的防凌减灾和河道的演变均不能忽略河冰过程,亟需研究河冰全过程影响下的水冰沙耦合作用机理。本文首先总结了河冰水力学的理论发展,针对北方河流建立了二维水冰沙耦合数学模型,包括二维水沙数值模块、河冰动力学模块和岸滩侵蚀模块,并介绍了该耦合模型的求解步骤和方法。研究表明:通过三个模块间的信息传递和数据反馈,该数学模型具备模拟冰塞冰坝等极端工况下的水流变化、河冰堆积和释放、泥沙运动、河床冲淤和岸滩侵蚀等过程的能力。该模型将水沙理论和河冰理论结合起来,可用于北方河流全季节与河冰生消全过程的水冰沙耦合过程模拟,为北方河流管理提供了有力工具。