【doc】河冰生消演变及其运动规律的研究进展

【doc】河冰生消演变及其运动规律的研究进展 河冰生消演变及其运动规律的研究进展 2O02年第l期(专刊) 水力发电 JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERING总第76期 河冰生消演变及其运动规律的研究进展 茅泽育吴剑疆余云童 (清华大学水利水电工程系北京100084) 提要 河球是在特定的气象条件,地形河势和水力作用下产生的自然现象.研究河冰生消演变 及其运动规律.从而根据气象,水文,球情历史,现时信息和河道特征.应用热力学和水力 学原理.对各种冰情要素进行预报,防治球凌危害,是寒冷地区国家发展中必须考虑的一个重 要闻题.本文对河道中球的形成,演变发展,输移,积聚堆积,消融和破碎冲蚀等各种冰情现 象及其研究现状进行了,着重夼绍国外最近的研究成果. 关t词综述冰凌河流冰情凌汛冰塞球坝 一 ,日q茜 冰冻是寒冷地区普遍存在的一种自然现象.河冰生消演变及其运动是一个非常复杂 的物理过程,涉及到水动力,机械力和热力等的相互作用,同时还受到气象和水文条件的 影响.Beltaos对冬季河道中可能发生的各种冰情演变的物理现象进行了描述. 对于寒冷地区来说,河冰现象是进行水资源开发利用时需要考虑的一个重要因素,河 冰的形成影响水利工程设施的设计,运行和维护等.工程方面所关心的与河冰有关的主 要问题包括冰凌洪水,水电站运行,内河航运,输(调)水以及河冰对环境,生态和地貌的影 响等.然而,和不封冻或敞流河道研究相比,河冰研究还处在较低的水平.由于涉及的因 素众多,这一研究不论在深度和广度上都还很不够,学科本身在理论和计算方法上都还很 不完善,还有不少问题仍处于探索阶段,对于许多冰情的定义及有关术语都还存在大小不 同.尤其在我国,冰情分析与计算更是一个较新的课题,实践经验不多. 冬季,随着气温的下降和太阳辐射的减少,河水冻结成冰,而春季随着气温的升高和 太阳辐射的增加,又由冰融化成水,这一过程产生了量与质的变化及形态变化的复杂的冰 情现象.按照冰量的增减,可分为成冰和融冰两个阶段.按照冰的形态变化,可分为结冰 期,封冻期和解冻期三个阶段.河道中伏秋大汛和凌汛均是一种涨水现象,但因其形成的 原因有别,它们的涨水过程并不相同.凌汛是河道里的冰凌对水流的阻力作用而引起的 一 种涨水现象.冰凌的危害可分为由静止的冰和运动的冰所形成的两种,静止的冰是通 过结冰时冰体的膨胀力而形成危害,运动的冰是通过流动冰块的撞击或大量堆积而形成 危害.后者的危害远远大于前者.河道中的凌汛灾害是由运动的冰所造成,它的危害一般 有两种情况(囝1和图2).一种是发生在封河期,即形成封河冰塞;一种是解冻开河 时形 成开河冰坝. 奉文于2OO1年8月31日收到. 154水力发电 近二十年来,国内外对河冰问题的研究取得了较大进展,但仍有许多问题有待于进一 步研究.河冰生消演变和运动涉及到水力因素,热力因素,河道特征和冰冻等方面的因素 影响,而且彼此相互联系,相互制约:水力条件影响热力交换和冰冻过程,热力条件决定冰 冻过程,冰冻条件又反过来影响水力条件和热力条件. 圈1冰骞示意图圈2球坝示意图 二,水流热平衡分析计算 河道中各种球凌现象的发生,演变及消失,主要原因之一是热力因素作用的结果.只 有当河道中的水体支出热量大于收入热量,且水温降到0?以下时,才能产生冰凌现象. 因此,冰情的分析计算必须研究水体的热量平衡问题. 河道中水体和周围边界间的热交换率可通过水流热平衡分析及计算方法计算确 定".若已知水体面热交换,河道中水温分布的沿程变化可以根据河道中热能传输计 算确定.这种分析方法可应用于封河预报.影响水流热平衡的因素很多,但从其作用的 性质可分为两种:增热因素和失热因素.这些水流热平衡因素有些对水体增热或失热是 极为重要的,有些则是次要的,有些可忽略不计. 用热平衡方法进行冰情分析计算,解决工程设计中的实际问题,在我国尚不普遍,对 水流热平衡诸因素的定量计算也缺乏系统的研究,尚需不断探索. 三,水内冰,岸冰和锚冰的生成及演变 初冬,当水温降到零点后,进一步的冷却导致河水处于过冷却状态,随之形成水内冰. 水内冰是封冻期形成各种类型河冰的起源.河道中最初诱发水内冰形成,主要是由于水 表面上水流热交换产生过冷却,从而在水体表面产生初成冰晶.天然河道内水的流动,一 般是紊流状态.水流的紊动作用,使全断面的任何地方都会有冰晶出现.随着温度继续 下降,冰晶也随之增多,在紊动水流过冷却条件下,水内球晶尺寸增大,同时经水流的混合 混掺作用,初成球晶互相粘结聚集,逐渐发展为各种尺寸及形状的水内球.所以,河流不 仅在水面形成薄冰和岸冰,在水内,河底形成海绵状多空隙的水内冰.一般将悬浮于水中 的水内冰,薄冰和破碎的岸冰统称为冰花.附着在河底或其他水下物上的水内冰称为锚 冰或底冰.Haramar和Shen应用二维紊流模型,考虑热力增长,二次核晶和絮凝,对渠道 中冰晶的演变发展进行了分析研究.进一步的论证工作需要水内冰浓度的量测技术的研 茅泽育等:河球生消演变及其运动规律的研究进展155 究开发,从而可以获得现场原型量测数据. 浮冰的形成决定于水表面温度和水流的紊动强度,目前还段有合适的理论公式. Mat.vsek?通过对Ohio河道现场观测结果,提出了浮冰和水内冰形成的经验判别法则. 水面浮冰和悬浮于水内的水内冰浓度分布可由对流扩散方程表示.漂浮至水面的 水内冰 将进一步发展成冰盘,并由于水中悬移冰的进一步聚集,孔隙水冻结和热力增厚等,冰盘 的尺寸和强度将不断加大.在随水流向下游运动过程中,冰盘可能会继续积聚冻结发展 成为浮冰块,若遇上急流河段,则有可能破裂成为碎冰.由于表面冰的鲍热作用,水表面 被表面冰层部分覆盖的河段,其产冰量将会减少.对于冰盘的形成和浮冰块的演变发展, 除了定性描述外,还投有进一步的定量研究成果. 与此同时,随着锚冰体积的增大,其上浮力大于与河底的粘着力时,锚冰也会向上漂 浮.锚冰的形成将引起水流流动阻力,水位和流量发生变化,而这些水力因紊则是水力发 电所非常关注的.同时,锚冰的形成也对存在于水底卵石问,对水下冻结或供氧敏感的生 物产生生态方面的重要影响.但是,至今对河渠中锚冰演变发展的研究成果非常有限,目 前仅有少量理论分析和实验研究成果. 静状冰一般指生成于河道缓流区或岸边,冰晶在过冷却表层形成并停滞在水面以缓 慢的方式生成演变的岸冰.它的生成及消减受热力因素影响较大.岸冰的这一热力形成 现象至今没有得到很好的解释.除了静态热力方式形成岸冰,还会因为在河岸或已经存 在的岸冰边缘附近,表面流冰积聚堆积而形成岸冰.岸冰一旦形成.由于水面浮冰的积 聚,岸冰可能朝横向发展.岸冰宽度的增长取决于表面流冰与岸冰边缘接触的稳定性. 同时也受表面流冰密度的影响,一般来说,岸冰宽度的增长速率与浮冰密度成正比. Michd等通过对St.Anne河道冰情观测,认为影响岸冰产生及发展有五个基本因紊,即 局部热交换,岸边流速,浮冰密度,河段几何形状及水深,并提出了计算岸冰增长的经验公 式.当断面平均流速超过某一临界值,岸冰宽度增长将停止.Ma~sek等经现场观测 研究,发现这一临界流速值为O.4m/s左右.Svemson等对岸冰形成增长的二维数学模 型进行了研究,并通过与Lea河道现场量测资料相比较,提出了岸冰形成的经验公式. 在低流速河段,有可能形成完整的表面冰层;而在流速较大河段,取决于流速的大小, 将发生表面薄冰和悬浮于水中的水内冰分层输移,或水内冰随水流的混合输移现象.为 了从理论上证实,需要应用两相流紊动混掺理论进行理论分析研究.另外,在河道低流速 区,水流的紊动强度不足以使水体及水内冰晶沿水深方向混合,因此,在断面平均水温降 至零点之前,河道中有可能形成表面薄冰层. 四,表面流冰输移和冰盖形成 到目前为止,人们对冰盖,冰塞和冰坝的定义,类型划分及有关术语都还存在大小的 分歧.在1986年第八次国际冰凌学术讨论会上,国际水力研究协会河冰水力学组给冰塞 所下的定义为:阻碍水流的碎诛或诛花的固定集中体,认为静止诛盖,大的锚冰都属于冰 塞的范畴,其中包括国内习惯所称的封河冰塞,开河冰坝. 与静水中因热力作用形成的平整而光滑的冰盖不同,河道上的冰盖是由顺流而下 的 l56水力发电 流冰受阻滞后而形成的.取决于上游来冰情况和水流条件,河流中冰盖向上游发展有两 种基本形式:平封和立封.平封冰面平整光滑,冰盖由冰块并置积聚形成.当河段流速较 大,或受大风影响,致使冰花相互挤压堆迭,结成冰盖后表面起伏不平,犬牙交错故称立 封.当流速大到一定程度时,在立封冰盖向上游延伸的同时,还会出现冰块和冰花随水流 下潜,并堆积在初封冰盖底下的现象,称之为初封冰塞. Pariset和}Isser最先就冰盖前缘的水动力条件与流冰在冰盖前缘的聚集类型进行 了研究,后来其他研究工作者对Parist和Hausser的研究成果进行了进一步的完善和拓展. 他们的研究结果表明,若冰盖前缘的水流n数小于第一临界佛汝德数(即来冰在冰盖前 缘向下旋转并潜没的临界佛汝德数),则产生平封冰盖,冰盖以并置积聚形式向上游推进, 其推进速度由质量守恒原理确定.Shell等建议以断面最大佛汝德数代替断面平均佛汝 德数值.野外现场观察结果表明这一值约为0.09;如果水流佛汝德数超过第二临界佛汝 德数,冰盖前缘将不再向上游发展,这时,上游冰花将潜入冰盖以下,并流向下游,直到水 流速度较小的河段,满足冰花上浮的要求.若冰盖前缘的水流n数超过第一临界佛汝 德数但小于第二临界佛汝德数,冰盖将以水力加厚的方式向上游推进.上游冰花潜入冰 盖下前缘附近运动,冰盖厚度迅速增加,冰盖前缘水位壅高,底部水流分离.为使浮冰块 潜入冰盖,所需的水流流速一般随冰盖厚度增加而增加.当冰盖前缘的来流量一定时,随 着冰盖前缘厚度逐渐增加,水流n数逐渐下降.由于冻结作用,冰盖上表面形成一层薄 冰壳使得冰盖强度显着增加. 上述理论是基于作用于浮动冰块或冰排上的内,外力静态平衡关系得出的,称静态冰 塞理论,可用于确定由表面流冰积聚堆积形成的冰层厚度变化.但是静态冰塞理论不考 虑流冰随水流的运动情况,无法描述动冰卡堵及冰盖增厚过程.流冰的阻塞只是冰塞形 成的必要条件,但是否形成冰塞,还与来冰在冰盖前缘的稳定性有关.确定何时,何地形 成初始冰塞仍是河冰研究中的一个主要问题.Shell等对河冰动态输移过程进行了一 些研究,并通过野外观察数据和室内模型实验数据进行了初步验证.他们指出:初始冰塞 一 般在流冰密度较高和冰流量集中的地方形成. 五,冰盖下水内冰输运和堆积 如上所述,当遇到高流速河段时,冰盖前缘停止朝上游发展,而停留在某一断面处. 这时,冰盖前缘的上游敞流河段,在冬季将不断产生颗粒状的水内冰,并随水流输移直至 封冻河段.这些粒状冰将堆积在冰盖下表面,形成水内冰冰塞.当水内冰堆积发生在某 一 局部位置时,这一水内冰冰塞也常称为浮冰坝.水内冰冰塞的形成及发展将导致水 位 升高和冰盖厚度增加.由于冰塞体占据了部分过流断面,因此过量的水中粒冰积聚堆积. 也可能是冰塞体崩溃释放的潜在因素. 几十年来,人们对冰塞的成因,演变,冰塞阻力,冰塞的溃决消失等进行了许多原型观 测,试验研究和理论分析".对于冰塞下存在输冰的冰塞,国内外都作过相当的原型 观测,报导过与之有关的冰塞体组成,冰塞糙率,冰塞大小与水位的关系等.孙肇初等" 根据黄河河曲冰塞资料,首次提出建立水内冰冰塞大小与水力条件的计算公式.国内在 茅泽育等:河球生消演变量其运动规律的研究进展157 有输冰存在的原型观测及对有关现象的认识上处于国际水平.水内冰冰塞形成的位置和 厚度目前通常由临界流速准则或其他等价准则确定.最近,Shen和Wangl提出了输冰 能力的概念,并根据野外观测和模型实验结果,提出了输冰能力和水流强度之间的关系表 达式. 由于冰塞现象的复杂性,冰塞的形成和演变涉及到热力学,固体力学,水文学,水力 学,河流动力学等不同学科的诸多影响因素,加之冰塞变化的剧烈强度和复杂性,目前离 冰塞问题的完全解决还有一定的距离.上述大多研究成果来自于室内实验研究,天然河 流中的实测资料较少,许多研究成果尚未得到直接验证.对冰塞的消减,冰塞体的释放, 河道弯道段的冰塞形成与演变,冰盖(冰塞)下的输冰问题等问题,至今研究得还很不够, 其详细机理尚不十分清楚.由于输冰现象发生在冰塞底部,不容易观测,而且十分复杂. 虽然许多研究工作提到了冰流量,但在主要理论体系中并没有运用这个参数.大多数研 究成果是针对平衡冰塞的研究,对其它类型的冰塞研究较少. 另外,与国外相比,国内的冰塞数值模拟研究起步较晚,有相当差距.关于冰塞研究 中的一些术语,国内及国际上都存在较大分歧,这也本学科还不太成熟. 六,封冻河道的阻力研究 河流冰盖形成使得过水断面的湿周加大,水力半径减小,尤其是冰盖,冰塞的糙率作 用,大大增加了水流的阻力.一些研究工作者发现:同样水位下,河道完全封冻后,其能量 损失可比明流增加62%;同样水位下,封冻后河道流量比明流时减少29%,这意味着明流 条件下量测得到的水位一流量关系不适台于封冻河道. 河道中形成冰盖或冰塞,这时的水流阻力由两部分组成:水流与床面的摩擦切应力和 水流与冰盖下表面的摩擦切应力.Shen等通过对St.Lawrence河道实测资料的研究.认 为冰盖阻力决定于冰流条件,冰盖情况和气候条件等因素.冰盖糙率从形成初期的高起 始值直至融化,冰盖底部逐渐平滑,糙率逐渐递减或趋于一定值,继而提出了一个冰盖糙 率随时间变化的概化模型.目前.多数研究分析方法是将整个过流断面划分成上部冰盖 区和下部床面区,以最大流速所在平面作为上下两区的分界面.现有的许多冰期河道综 合糙率的研究及公式都采用了平均流速相等的假设.孙肇初,隋觉义"等通过对黄河河 曲段冰期观测资料研究,论证在封冻河道中冰盖和河床不同周界内取其流速等于断面平 均流速的假定是合适的.Smith和Ettema就冰盖对水流及冲积河渠道中泥沙输运舶影 响进行了研究.冰盖的存在将改变冲积河床上沙波的几何特征和输运特征,冰盖阻力与 床面阻力之间实际上是耦台的.有限的水槽试验发现,冰盖的存在使沙垄变长,输沙能力 降低,同时使颗粒阻力增加,形状阻力减少,但还需要更充分的研究. 尽管许多研究结果表明大多封冻河道流动在理论上符台对数流速分布,水力半径可 以分割以及断面各部分流速相等的假定,但仍需进一步研究.不少研究成果来自于室内 试验研究结果,部分天然河道的原型观测资料也存在着不小的量测误差;冰盖糙率和河床 糙率与时问有关,但影响因素复杂,目前还难以用理论方法预报其因时变化;一些经验参 数与河流及气象条件的地区特征有关,其结果的应用带有很大的局限性. 158水力发电 七,冰厚的热力增长和消融 河道中形成连续冰盖后,水体通过冰盖传导与大气交换热量.由于水流失去过冷却 的条件,封冻河段一般不再产生水内冰.整个冻结冰盖层发生热交换,冰盖中的充水孔 隙,将由冰盖上表面开始朝下冻结,冰盖厚度发生热力增长.春天来临,或冬季暖流期,冰 盖将发生消融.河道中,春天较高水温的径流将通过水流和冰盖问的紊动热交换加速冰 盖融化过程. 冰盖厚度的热力增长和消融过程研究相对来讲较为成熟,可通过热传导和热交换公 式分析计算".目前计算冰盖增厚和衰减一般有两种方法.一种是根据热交换过程而推 导得到的半经验,半理论法,常称为度一日法;另一种是根据系统热交换过程的纯理论法, 该方法需要输人水温记录和详细的气象资料.冰盖上表面雪层的存在和冰盖下水内冰堆 积也将影响冰层的增厚或消融.在冬季,冷潮间若重复出现大降雪,将可能形成由雪冰, 雪泥和黑冰层组成的冰盖层.消融期,由于冰盖下表面形成波纹,河水与冰盖间的紊动热 交换将会增加. 八,开河及冰坝 当气温转正,特别是白天气温较高,积雪及冰盖表面开始融化,融化的水渗人冰层,逐 渐改变冰盖下层结构.另外水温也开始回升,于是冰厚逐渐变薄,冰层开始解体,河流进 人解冻期.河流的开河(江)有文,武之分.如果春季流量保持相对恒定,冰盖保持稳定直 到最终就地融化,即以热力因素为主,在冰盖充分解体后导致开河称文开河.其特点是水 势平稳,冰盖质地酥松,大部就地融化,投有集中流冰,不会造成危害.当冰盖尚未充分解 体,由于水力因素突变,冰层被迫鼓开,这种以水力因素为主的开河称武开河.其特点是 流量骤增,水位变化迅猛,流冰量大而集中,冰质坚硬,容易形成冰坝造成灾害. 由于太阳短波辐射,有可能导致冰盖在气温回升至冰点以上之前消融.太阳辐射折 射进人冰盖内部,引起冰盖内部融化,使得冰盖失去结构上的完整性,从而引起冰 盖强度 减小.冰盖强度的减小可能是形成武开河的一个重要因素.有关冰盖内部融化及强度减 小理论的研究成果已被野外观察数据所证实.另一方面,春季,由于河道径流量增大,冰 塞体释放或水电站运行工况改变,导致河道中流量迅速增大.这时冰盖下将出现水波的 传播现象,使冰盖产生裂缝并进而破碎成碎冰块.Parkinson[]曾对冰盖出现间隔较近的 横向裂缝及冰盖破裂成碎冰块现象进行了观察研究.DalytiT!将水动力学方程和冰盖方程 耦合进行线性化扰动分析,对由水波引起间距较密的横向裂缝进行了研究. 冰盖破裂后,如果水位进一步升高,则将出现流冰现象.流冰块与静状冰盖碰撞时又 将产生新的碎冰.流冰在向下游发展的过程中,随着冰塞体的形成和释放,反复出现流冰 现象.对冰塞体的形成或释放过程有一些研究,但至今还没有人对开河过程中的流冰动 态现象及渠道过冰余隙做过研究主要的问题是冰塞体释放和碎冰前缘在冰屡中推进的 机理至今仍并不很清楚.这两者均与作用在碎冰块和冰盖上的机械作用力或水动力有 茅泽育等:河球生消演变及其运动规律的研究进展159 关.冰塞体的热力消融和冰盖消融非常重要,它们能减少河道中冰的强度和冰量. 随着河道流量的增长,春季开河一般首先是由冰盖从岸边脱落开始,然后冰盖层中出 现间隔较大的横向裂缝.Beltaos提出:当河道某一特定河段出现持续的流冰运动 时,这一时刻为开河的起始时间.他基于河道平面几何地形上的边界制约情况,即 是否存 在允许出现大面积流冰运动的河道几何边界约束,给出了预测开河时间的经验方法.目 前,工程所在河段是否具有形成冰坝的地形条件,一般通过实地调查访问可以大致判定. 但是,形成冰坝体的规模及壅水高度则受多种因素的影响,具有很大的偶然性.关于冰坝 壅水高度的计算,由于问题复杂,目前还没有较为成熟的计算方法,现在常用的是简单的 经验相关方法.一般常考虑的相关因子有:上游站开河最高水位(或开河期水位涨差),上 游河道槽蓄水量,冰期降水(雪)量,开河前夕降水量,开河期气温,开河前冰盖强度,开河 期流量等,可以单因素相关,也可多因素相关. 由于所涉及的影响因素较多,对武开河,除了对其重要性有所认识外,至今研究成果 较少而且很不系统.目前,开河预报方法通常都具有很大的经验性.在进行开河预报研 究时,除了应进一步研究开河机理及冰体破碎机理,还应将春季径流预报作为一个重要的 影响因素加以考虑. 九,结语 如上所述,河道中的冰情演变与河渠中的水流条件密切相关,河冰的存在同样也对水 流产生影响.封冻河道的水动力学问题,已有一些理论分析'".研究河道结冰时的水 流流动问题,主要难点是如何确定冰对水流的流动阻力.对于浮动冰盖,也有一些经验性 的准则.但为了进一步了解静冰或动冰对河道中水流结构的影响,还需要做更多的研究. 这些研究将改进目前关于冰对水流的流动阻力的计算方法和完善表面冰与悬移球,泥沙 和污染物的混合输运的研究成果.对于冲积河流,冰的存在将减少输沙率,并引起河床和 河岸的严重冲刷,改变河床的演变过程.对于封冻河段的泥沙输移问题,也有人曾做过一 些研究,但还需进一步的研究.各种类型冰的形成,还对河流产生环境和生态方面的显着 影响.虽然人们对这一影响有所认识,但相对而言还知之甚少.冰害防治措施一般有两 种类型:冰害发生前的预防措施和冰害出现时的应急措施.采用的方式有防冰,破球和水 库调节径流减轻凌情灾害.限于篇幅,有一些研究成果未讨论进来. 河冰现象包括许多物理过程,这些过程受到周围气象条件和水文条件的影响,同时与 河道水流发生复杂的相互作用.本文对河冰演变的物理过程和研究现状进行了简单的分 析总结.对河冰问题进一步研究,需要应用各种研究方法,包括野外现场观察,室内模型 试验,数值计算和理论分析等.同时,既要注重其研究成果对工程实际应用的可行性,也 要对所涉及的每个物理现象进行基础性研究,并注重基础研究工作与工程实际相结合. 参考文献 [1]Behaos,S.,"HydraulicsofIce—coveredRiver",IssuesanddirectionsinHydraulics,T,Naka toandR,Ettema,eds.,Balkema,Rotterdanl,1996,