冰盖作为冰期河流的上部约束,极大地改变了冰下水流结构.为了解冰下水流流态特征,在黄河什四份子河段开展了冰情测验,利用象限分析法对实测冰盖水流数据进行了流态分析.结果表明,各流态在各断面的出现频率基本一致;上层水体中,内向与外向交互流态对雷诺应力的贡献率之和小于喷射与下扫流态,下层水体则相反,说明上层水体主要以内向与外向交互流态为主,下层水体则主要以喷射与下扫流态为主.由于冰盖的存在,改变了水流的紊动结构,中上层水体出现逆流速梯度,改变了中上层水体的水流流态,下层水体则未受影响,冰盖对水流流速分布的影响是流态变化的根本原因.研究为冰下水流流态的认识提供了基础支撑.

冰厚是冰凌成因分析及预报的重要基础信息,可为防凌减灾提供重要依据.以黄河内蒙古段包头至头道拐水文站为例,利用Sentinel-1雷达影像结合Sentinel-2光学影像对研究区河冰厚度进行估算,首先对Sentinel-2光学影像进行处理,提取凌汛期前黄河主河道边界;然后对Sentinel-1雷达影像进行处理,提取2个强度信息和4个极化分解参数,分析6个雷达特征参数与河冰厚度的相关性;选择相关性最高的参数,采用统计回归方法建立冰厚反演线性回归模型,模型的调整R2为0.657,验证RMSE为9.82 cm,MRE为13.46％,MAE为8.26 cm;对凌汛期黄河冰厚进行反演,分析冰厚时空变化特征,并估算冰储量,同时讨论了河冰的散射机制.研究证明了主动微波遥感数据在黄河冰厚反演中的可行性,可为黄河内蒙古段防凌减灾提供科学参考.

Ice waves, a special ice phenomenon, easily form when the ice particles move together under an ice sheet, and their motion characteristics are closely related to the formation of ice jams, accumulation evolution and ice transport capacity. To explore the characteristics of ice wave motion and ice transport capacity, the basic governing equation of ice wave motion and the equation of ice transport rate were established theoretically based on the previous studies and sediment transport theory, and the constitutive relationship between the ice transport intensity of a non-dimensional cover load and the water flow intensity was further deduced. Results show that the formation of ice waves requires certain hydraulic conditions. The change of ice wave height and backflow surface wavelength is related to the Froude number Fr, which represents the water flow intensity, and is also affected by the water depth and the resistance under ice. The established ice transport rate formula reflects the relationship between ice transport capacity and flow conditions. In addition, the influence of the ice sheet was taken into account to optimize the calculation result of ice transport capacity. In general, there is a complex function relationship existing between the ice transport intensity and the water flow intensity, but the water flow intensity is still one of the main and convenient indexes reflecting the ice transport capacity. The research results can provide a theoretical reference for the calculation of river ice transport capacity in cold regions, and can also help to reveal the formation mechanism of ice jam.

以黄河什四份子弯道为研究对象,基于2019-2020年度的凌情监测影像及现场试验数据,分析了河流弯道冰水动力学行为特征.结果表明:上宽下窄的河道形态是造成弯道卡冰的主要原因,流凌-封河阶段,弯顶节点工程对水流的顶托作用促进了上游回流区的形成;受弯道离心力作用,河冰聚集于河道凹岸一侧,并在回流区堆积形成冰桥,从而缩小了断面过冰面积,河道逐渐封冻;弯顶下游流速大且来冰量少,形成清沟,主流向河中发展;冰塞堆积于弯顶上游凹岸主河槽内,水流被挤压至凸岸非冰塞区,弯道主流易位;在稳封期,河道冰水动力特征基本不再变化,在解冻开河期,凸岸非冰塞区流速较大,主流区冰盖优先解冻且沿主流输移,回流区冰盖最后消融,河道主流逐渐恢复至畅流阶段,整体呈复归式.

为提高黄河冰厚测量效率,利用无人机载雷达对黄河内蒙古什四份子弯道进行了冰厚测验,并与人工实测冰厚进行了对比,描述了冰层典型特征雷达图谱.结果表明:弯道冰厚分布不均匀,整体冰厚40～80 cm,纵向冰厚沿程逐渐减小,弯顶处冰厚最小,横向冰厚凹岸侧大于凸岸侧,清沟断面冰厚呈小-大-小趋势,靠近水面位置冰厚最小;立封区测验效果一般,雷达测量结果大于人工测量结果,误差在10％左右,平封处精度良好,误差在5％以下,雷达与人工对冰厚走向的测量结果基本一致;雷达波在冰层中传播速度为15～17 cm/ns;雷达图谱可以反映冰层结构,确定裂缝的走向、位置,平立封冰盖的雷达图谱差别较大.无人机载雷达能快速对一定区域的冰厚进行连续测量,极大地提升了小范围冰厚的测验效率,为分析黄河冰的冻融过程、冰层结构提供了技术参考,是一种较为理想的冰层探测方法.

长期以来,黄河凌汛破冰除险方式主要依靠航弹和火炮.因其受气象条件制约大、投弹精度低、时效性差的缺点,以及随着经济社会的高速发展,跨河桥梁和水工建筑物增多,实施的难度逐年增大.针对新形势下防凌措施需快速、灵活、精准和高效的技术需求,研制了使用无人机载破冰弹、冰下爆破带和轻型破冰船的点-线-面结合的破冰排凌技术.该技术破冰装备远程定位精度控制范围小于50 m,单具冰下爆破带破冰范围超过27 m×14 m,破冰船最大破冰厚度大于50 cm.

采用VOF技术,利用RNG k-ε湍流模型,结合拉格朗日粒子模型,通过建立弯曲度不同的弯道,对流凌条件下弯道的水力特性进行了模拟研究.结果表明:流凌过弯后主要集中在凹岸,集聚明显;流凌的存在增大了凹岸表层水流的横向环流,在一定程度上影响凸岸底部大环流的发展;各弯道进口断面最大水面流速均大于出口;随弯曲度的增大,冰水流凹岸低流速区和高紊动能区呈扩大趋势,弯顶断面主流区逐渐向凸岸偏移.

河道冰厚是黄河防凌研究的重要指标,目前通过人工钻孔或触冰式探地雷达获取黄河冰厚均要求河流稳定封冻,且工作人员必须在冰面上作业.因此,积极探索更加高效的非接触式冰厚获取方法意义重大.利用无人机搭载探地雷达对黄河什四份子弯道冰厚进行探测,通过现场人工钻孔测量冰厚数据反算雷达波在冰层中的传播速度.结果 表明,弯道冰厚分布不均匀,凹岸侧冰厚比凸岸侧大;清沟断面最大冰厚91 cm,最小冰厚19 cm,靠近水面附近冰厚较小;雷达测量与人工测量结果基本吻合,平均误差不超过2 cm.实践证明,无人机载雷达回波图可直观地反映空气—冰、冰—水分界面及冰厚情况,且探测方法具有快速、高效、安全等优点.研究结果对于开发黄河冰厚全新化的监测技术具有重要参考价值.

为了掌握黄河下游水沙关系变化趋势,基于黄河中游潼关站58 a的入库水沙量资料,采用P-Ⅲ型曲线建立径流量与输沙量的频率曲线,通过保证率对黄河下游的水量和沙量进行丰平枯划分,进一步提出了潼关站水沙协调度的定义和判别方法.结果表明:进入黄河下游水量和沙量丰平枯变化趋势基本一致,整体呈现出下降趋势,近10 a来水量在个别年份有向偏丰发展的趋势,而沙量有进入特枯的趋势;在58 a的水沙过程中,水沙协调度由水少沙多的搭配关系向水多沙少的搭配关系转变,特别是1997年以后,这一趋势更加明显.

根据黄河流域生态保护和高质量发展这一重大国家战略的目标要求,梳理了当前黄河流域生态保护中存在的突出问题,从科学研究的角度,探讨了针对生态保护问题亟须开展的研究课题,并在此基础上初步提出了黄河流域生态保护的对策与建议.黄河流域生态保护中的突出问题为:黄河源区生态退化问题仍未根本解决;黄河上游农业面源污染仍未有效治理;黄河中游水土流失治理任务依然艰巨;黄河下游及河口地区生态系统质量有待提升;黄河流域生态流量保障程度亟待提高;黄河流域水生态水环境问题不容乐观.针对这些问题,亟须在生态保护配置格局、水源涵养能力、水生态环境修复、水生态环境承载力、新兴污染物及流域生态补偿机制等方面开展相关的理论分析和技术研究,同时,加强战略层面研究、加快流域河湖岸线确权划界工作、实施生态水量统一调度、做好黄河文化支撑、推进黄河立法,多措并举,确保黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略稳步推进.

为全面了解黄河水沙关系变化情况并为水沙调控提供参考,引入由来沙系数计算的水沙不协调度概念,把三门峡站作为进入黄河下游水沙资料的控制站,根据其1963—2017年实测流量与含沙量资料,分析了黄河水沙关系不协调状况及变化情况.结果表明:近年来黄河的流量和含沙量呈显著下降趋势,迟滞7 a和14 a的含沙量与流量有较强的相关性,多年平均年内流量变化相对于含沙量变化存在一个月的迟滞;黄河水沙不协调在2005年以前以水少沙多为主,其中20世纪80年代中期不协调度较低,但仍呈现出显著的水少沙多状态;2005年以后水沙不协调表现为水多沙少;汛期水沙不协调是影响全年水沙不协调的主要原因,7月是年内水沙最不协调的月份.

覆冰条件下,弯道水流固有的三维特性更为复杂,对河流弯道冰下水流特征及冰塞的研究有助于推进防凌减灾工作.依据2020年1月稳封期的原型观测数据,对黄河什四份子弯道冰下水流及冰塞特征进行了详细分析.结果 表明,弯顶节点工程引起的回流是阻冰的重要条件,上游下潜的冰花因水动力不足及河势等因素影响发生堆积,冰塞在弯内形成并沿凹岸主槽逐渐向上游发展,同时,弯顶卡冰封河与下游较大的水流流速,促进了清沟的形成;入弯至弯顶区间,冰下水流流速垂线分布基本服从双对数分布规律;受凹岸冰塞及回流影响,纵向上,水流流速呈减小趋势,在弯顶附近开始恢复;径向上,河道主流被冰塞压迫并逐渐趋于凸岸,致使弯道主流易位,凸岸水流流速大于凹岸,清沟向凸岸偏移;弯道水流湍动能与雷诺应力主要在近底处存在较大的变幅,表明近底水流运动活跃,且二者大小与流速大小在径向与纵向分布上具有较好的一致性,受冰盖影响,水流湍动能沿水深近似呈“S”形分布,雷诺应力分布无明显规律.

冰下水流流速分布是冰凌生消、泥沙输移、河床演变及冰期输水的重要参考依据,基于分形理论,在前人的研究基础上,研究了冰下水流流速垂线分布规律.结果 表明,依托明渠水流的若干成果,从分形理论出发,基于Einstein假定,可推出已有冰下不同形式的流速垂线分布公式;理论分析认为,冰下分区水流流速分布近似镜像,均具有分形特征,可用双对数公式表达,实测结果证明,对于弯曲河道,水流核心区流速分布均匀,并不服从对数分布,公式在运用时需考虑适用性或引入因子项;稳封期,冰盖区水流流速分布的分维值大于河床区,流速分布更均匀,而在弯道卡冰区域,由于弯道冰下水流结构的复杂性,河床区水流流速分布的分维值无规律.对冰下水流流速的研究,拓展了分形理论在水流流速垂线分布研究方面的应用成果,概化的冰下水流结构,对工程运用有一定借鉴意义.

为提高稳封期河道冰厚的测量效率,利用机载雷达对黄河内蒙古什四份子弯道进行了冰厚测验,并与量冰尺实测冰厚进行了对比.结果表明,什四份子弯道稳封期凹岸一侧冰厚范围在50～90 cm左右,比凸岸一侧冰厚约厚10～30 cm;清沟两侧冰厚分布一致,平均约50 cm,离清沟越近冰厚越小.机载雷达的测冰效果,平封冰盖最好(绝对误差小于5 cm)、立封冰盖次之、堆积冰盖最差,雷达实测冰厚与量冰尺实测冰厚的标准差为0.0394,随机不确定度为7.88％,满足冰厚观测规范要求.机载雷达能快速对较大尺度的冰厚区域进行连续测量,极大地提升了冰厚的测验效率,可应用于黄河稳封期的冰厚测验.

为研究黄河下游冬季极端低温变化规律及其对凌情的影响情况,利用黄河下游3个气象站1951-2017年逐日最高、最低气温序列资料,计算出霜冻日数、结冰日数、冷昼日数、冷夜日数、寒潮持续日数、月最低气温极大值和极小值等7个极端低温指数的年际序列,应用线性倾向估计法、累积距平、Mann-Kendall检验、小波分析和相关性分析等方法分析近67年来各极端低温指数的变化规律及其与凌情特征值间的相关性.结果 表明:霜冻日数(FD0)、结冰日数(ID0)、冷昼日数(TX10p)、冷夜日数(TN10p)、寒潮持续日数(CSDI)分别以2.5 d/10 a、1.4 d/10 a、1.4 d/10 a、2.2 d/10 a、1.1 d/10 a的速率显著下降(P＜0.01);月最低气温极大值(TNx)和月最低气温极小值(TNn)分别以0.44℃/10 a、0.62℃/10 a的速率显著上升(P＜0.01);极端低温指数的突变年份集中在20世纪80年代,在近67 a时间尺度上极端低温各项指数的显著周期集中于9～14 a.结冰日数、冷夜日数及月最低气温极小值与凌情特征值之间为强相关性,可以作为识别黄河下游凌情严重程度的敏感因子.研究结果可为黄河下游地区应对气候变化和滩区防凌保安提供参考.

小浪底水库异重流的调度在历年黄河调水调沙过程中举足轻重,在分析小浪底水库2004～2014年黄河汛前调水调沙期间实测资料基础上,对影响水库排沙的壅水指标进行了研究,结合其物理意义组合出多个影响调度的无量纲化参数,采用多元非线性拟合方法提出了小浪底水库调水调沙期异重流排沙比的预测方法,并预测了2015年排沙比接近0,与实测值接近.采用水量平衡的计算方法,估计了2015年异重流形成、运行过程中所需的浑水体积,进一步验证了预测结果.研究成果既丰富了河流泥沙成果,又可为多沙河流水库规划、设计服务,具有重要的应用价值和推广价值.

黄河冰凌问题在历史上以危害严重、易致决口、难以防治而闻名于世.黄河凌灾因孕灾环境复杂、突发链发性强、防御困难而成为我国冬春季节大江大河中极为突出的自然灾害.简述几十年来黄河河冰的基础理论、冰凌原型观测、凌情预报和防凌减灾技术等方面的部分研究成果,在此基础上探讨了目前黄河冰凌研究需要解决的若干科学和技术问题,初步展望了黄河冰凌研究的趋势.

采用ADCP技术,对黄河头道拐河段封冻期的冰下流速和地形变化进行监测试验,获取了断面冰下冰花、流速分布和地形变化的有效数据,并对河床断面变化和冰塞对冲淤的影响进行分析.原型观测表明,头道拐断面河床冲淤变化受冰塞的影响很大,冰花聚集位置受冰下流场影响;冰花聚集与河床冲淤呈相关关系,与流速分布和发展趋势一致;冰花聚集处压缩了过流面积,断面流速减小,河床发生淤积,主河道冰花聚集相对较少或没有冰花,河道底部流速较大,河床发生冲刷.

为提高封冻期冰下流速测验效率,在黄河头道拐河段,利用ADCP开展了黄河封冻期冰下流速野外监测试验,获取了大量的断面冰下流速有效数据.结果表明:ADCP可以完成对黄河封冻期冰下流速的监测;与走航式ADCP相比较,H-ADCP不存在上、下各50 cm的测量盲区,可以完整地采集到断面冰下垂线流速数据;在冰期人工测流非常困难的情况下,ADCP冰下测流是一种值得尝试的新方法.

掌握黄河河冰的基本物理性质是研究黄河冰凌灾害的必要条件.通过在黄河巴彦淖尔段渡口、四科河头、敖包、三湖河口4个河道断面主河槽、岸边河冰及乌梁素海的湖冰现场取样,观测冰下流速、冰晶体结构、冰密度和含泥量,分析结果表明:黄河巴彦淖尔段河道内不同位置冰层中的冰晶体结构差异明显,单一的粒状冰和柱状冰很少,大部分冰晶体结构表现为粒状冰与柱状冰相互交替,而乌梁素海湖冰的晶体结构表现为显著的柱状冰;流速在一定程度上会对冰的晶体结构产生影响;冰密度随冰内含泥量的增大逐渐变大,且不同类型冰晶体的冰内合泥量不同,黄河巴彦淖尔段河冰密度和含泥量波动范围大,明显大于乌梁素海湖冰密度和含泥量.