CN110702079B - 一种冰盖下流速分布的推演方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冰盖下流速分布的推演方法，包括：选择典型河道的测量断面；选择记录测量断面的时间点；记录测量断面状态；获取流速分布数据；率定参数：将各个测量时段的流速带入公式；流速流量分布推演；不断积累数据。所述的方法通过在典型河道上结合气候条件、冰盖特征和冰封状态进行全方位的测量，并通用一个流速表达式率定若干组与这些条件有关的计算所需参数。在之后每年的封冻期只需比对气候条件、冰盖特征和冰封状态，找到相对应的计算所需参数，通用相同的流速表达式即可获得冰盖下流速分布，而无需再开凿冰面，解决了因人为把冰下流速分为冰盖区和河床区带来的同实际流动状况不相符合的情况。

Description

一种冰盖下流速分布的推演方法

技术领域

本发明涉及一种冰盖下流速分布的推演方法，是一种防灾减灾水工调控的计算方法，是一种河渠水流控制和调节的重要参数的计算方法。

背景技术

冬天封冻季节来临时，河道或者调水明渠中会形成冰盖。冰盖的存在明显影响水流流动特性，导致河道阻力增加，过流能力下降，流速分布规律发生变化。对于天然河道无法准确的知道流速和流量将导致无法准确的预计可能出现的冰情灾害，影响防灾减灾的效果。对于调水渠道，不了解水渠中冰盖下的水流流速就无法准确进行冬季结冰条件下调水渠道的安全运行调度，对调水渠道的运行产生不利影响。

现有的方式是，在冰封季节，人工在冰面上开凿孔洞，使用流速测量仪器对冰盖下的水流进行直接测量。由于这种测量通常在严冬季节进行，由于需要开凿过个孔洞，并进行许多次的测量，科研人员的劳动强度极大，另一方面在流冰或冰塞的情况下，冰面情况复杂，有时根本无法测量。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种冰盖下流速分布的推演方法。所的方法通过对冰封期的冰面的观察和测量，率定若干组数据，在之后的冬季用这些数据进行对比，精确推演冰面下的流速，减少了开凿冰面的劳动强度，提高了工作效率。

本发明的目的是这样实现的：一种冰盖下流速分布的推演方法，所述方法的步骤如下：

步骤1，选择典型河道的测量断面：选择主流河道设置测量断面；对于自然河道则选择在水文站附近，河床形状相对规则，比降适中，水流相对平稳的位置；对于引水渠道则选择在控制闸门和分水口一定距离的位置；测量断面选定后记录测量断面的河床状态，包括：是否为砂石河床、有植被河床、混凝土衬砌河床；根据已有水文资料，将测量断面的水位分为低水位、中水位和高水位；

步骤2，选择记录测量断面的时间点：

将冰期全过程分为流冰期、封冻期和开河期，将封冻期过程分为初封期、稳封期和开河前期：将测量断面的封冻30％、50％、60％、80％作为河道未完全封冻的测量时段；测量断面的初封期测量时间间隔不大于2天，稳封期的测量时间间隔不大于7天，开河前期的测量时间间隔不大于2天；根据冰面具体变化情况或适当的河道断面间距设置，调整封冻期的测量频率；

步骤3，记录测量断面状态：在各个测量时段记录测量断面的冰盖特征以及气象条件，冰盖特征包括：封冻状态平封或立封、是否存在冰塞或冰坝、冰盖清沟量、冰的类型；

步骤4，获取流速分布数据：在各个测量时段在测量断面的冰盖上开凿多个测量孔，在各个测量孔使用流速测量仪对测量断面所设定深度的流速进行测量并记录；

步骤5，率定参数：将各个测量时段不同水深位置的流速带入公式：

进行分时段参数率定，率定与流量相关的参数α、与冰盖糙率相关的系数m_i、与河床相关的系数m_b；公式中：y为测量点到冰盖下端的水深；v为测量点的流速；H为测量点对应冰盖下端到河床的总水深；

步骤6，流速流量分布推演：在测量断面记录之后的气候年冬季的整个冰冻期，比对各个测量时段对应的选择推演时段，在推演时段比对同一测量断面的冰盖特征以及气象条件，选择相同的冰盖特征以及气象条件的与流量相关的参数α、与冰盖糙率相关的系数m_i、与河床相关的系数m_b带入公式：

推演当前的流速分布；

并求出最大流速v_max和最大流速的水深y_max：

y_max＝βH

其中，

以及单宽流量：

步骤7，不断积累数据：在每一个气候年的冰冻期在推演流速和流体分布的同时，根据变化的条件进行相应的测量，不断的积累各种条件下的α、m_i、m_b。

进一步的，所述的率定参数的方式为：遗传法、BP神经网络法、贝叶斯网络法中的一种。

进一步的，所述的率定参数的步骤中，在率定参数后，根据测量断面建立缩小的实体模型，对各个参数进行试验验证。

进一步的，所述的流速流量分布推演步骤中，测量断面是引水渠道，则流量Q为：

其中：B为渠道的底宽。

本发明产生的有益效果是：所述的方法通过在典型河道上结合气候条件、冰盖特征和冰封状态进行全方位的测量，并通用一个流速表达式率定若干组与这些条件有关的计算所需参数。在之后每年的封冻期只需比对气候条件、冰盖特征和冰封状态，找到相对应的计算所需参数，通用相同的流速表达式即可获得冰盖下流速分布，而无需再开凿冰面。所述的方法抛弃了分层计算流速的方式，通过一个通用表达式计算冰盖下流速，能简单、便捷、高精度获取到天然河道流速分布，解决了因人为把冰下流速分为冰盖区和河床区带来的同实际流动状况不相符合的情况，也解决冰下流速测量操作复杂、测量不准确的难题，同时大大减轻了科研人员的工作强度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述方法的流程图；

图2是本发明的实施例一所述河段的测量断面(横切面)的截面形状示意图；

图3是本发明的实施例一所述河段的测量断面(纵切面)的冰盖下流速分布示意图；

图4是本发明的实施例四所述矩形测量断面的。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种冰盖下流速分布的推演方法，流程如图1所示。

所述方法的具体步骤如下：

步骤1，选择典型河道的测量断面：选择主流河道设置测量断面；对于自然河道则选择在水文站附近，河床形状相对规则，比降适中，水流相对平稳的位置。对于引水渠道则选择在控制闸门和分水口一定距离的位置。测量断面选定后记录测量断面的河床状态，包括：是否为砂石河床、有植被河床、混凝土衬砌河床。根据已有水文资料，将测量断面的水位分为低水位、中水位和高水位。

本实施例所述的典型河道是指在水文站附近，即能够经常性的进测量的河河段，或者历史上经常发生冰塞、冰坝的河段。测量断面应当选择在冬季能够形成冰盖1的自然河道，其河床2的横截面形状为中间较深，两侧坡面相对比较对称，且冰盖下流速近似双幂指数分布曲线形状，如图2所示。对于引水渠道则由于是人工开挖因此，其河段断面形状比较规则，并且沿途有控制闸门等有人管理设置，测量一般不成问题，因此主要选择在远离闸门和分水口的位置，以避免影响测量。

步骤2，将冰期全过程分为流冰期、封冻期和开河期，将封冻期过程分为初封期、稳封期和开河前期：将测量断面的封冻30％、50％、60％、80％作为河道未完全封冻的测量时段；测量断面的初封期测量时间间隔不大于2天，稳封期的测量时间间隔不大于7天，开河前期的测量时间间隔不大于2天；根据冰面具体变化情况或适当的河道断面间距设置，调整封冻期的测量频率。

测量时间点选择，当然是选择在冬季水面开始出现流凌直至第二年春天冰面完全融化的整个期间。选择时段除了用年月日时的分段方式外，还要根据冰冻的状态进行分段。本实施例将河道开始出现冰花到河面出现冰盖之前阶段称为流冰期；将河道出现固定冰盖，敞露水面面积小于河道面积20％阶段称为封冻期；将冰盖破裂，冰块开始移动到冰块完全消失阶段称为开河期。将封河期分为3各阶段，冰盖厚度快速增长期为初封期；当冰盖增长一定厚度，冰盖增长缓慢，或者保持不变阶段称为稳定封冻期；随着气温升高，冰盖厚度减小到开河前阶段称为开河前期。对于称为封冻期的完全封冻状态，在实际测量过程中按时日进行测量外，还要根据气候的条件增加测量时段，如在气温骤降等条件下。

步骤3，记录测量断面状态：在各个测量时段记录测量断面的冰盖特征以及气象条件，冰盖特征包括：封冻状态平封或立封、是否存在冰塞或冰坝、冰盖清沟量、冰的类型。

冰盖特征在测量中占有重要的地位，须根据观察当时的气候条件进行观察记录，如：将气候环境分为：严冬、平冬、暖冬，并根据清沟的多少而确定冰盖的糙率。再如观察冰盖是否为单层冰，其单层冰是否为片状冰还是水内冰等状态。而对于冰塞的情况则观察冰是否为松散冰花、冻结冰花或片状冰等，如表1、2、3所示。

表1参数n_i的取值

表2单层冰曼宁n_i值建议范围

表3冰塞的n_i值

步骤4，获取流速分布数据：在各个测量时段在测量断面的冰盖上开凿多个测量孔，在各个测量孔使用流速测量仪对测量断面所设定深度的流速进行测量并记录。

每个测量断面通常按照一定间距布置一排测量孔。

在典型河道断面冰上打孔测量，可以采用流速测量设备ADCP(Acoustic DopplerCurrent Profilers指声学多普勒流速剖面仪)，测到该断面沿水深方向的流速分布，监测时间应覆盖初封期、稳封期和开河前期，能够体现冰盖糙率相关的系数m_i的变化规律，不同封冻期和不同冰体状态糙率变化的经验值如表1～3所示。

步骤5，率定参数：将各个测量时段不同水深位置的流速带入公式：

进行分时段参数率定，率定与流量相关的参数α、与冰盖糙率相关的系数m_i、与河床相关的系数m_b。公式中：y为测量点到冰盖下端的水深。v为测量点的流速。H为测量点对应冰盖下端到河床的总水深。

获知河渠冰盖1下流速准确分布，对研究冰情的形成和演变过程、针对性的运行调错、防治或缓解凌灾的发生具有重要意义。现在流行的研究方式是将冰下流速分布采用Einstein提出的阻力划分方法：以最大流速线(点)3，见图2，将流动沿水深方向认为分为冰盖区4和床区5，再分别等效为对应的对数水深计算。依据Prandtal的半经验紊流公式理论采用对数流速分布，对于冰盖区有：

对于河床区：

式中：u_i和u_b分别为距离冰盖底部y_i和距离河床底部y_b的流速；k_i和k_b分别为冰面和河床壁粗糙度；u_i*和u_b*分别为冰面和河床的摩阻流速，其中

为摩阻流速，τ_b为对应的渠底或冰盖下切应力，N/m²；ρ为水的密度，kg/m³。式(2)和式(3)需满足y_b＝y_i＝y_max，u_b＝u_i＝u_max，y_max为最大流速u_max出的水深，见图2所示。

传统求冰盖下流速的方法存在如下问题：首先，在天然河道中不同断面最大流速点位置难以确定，限制该方法在天然河道中应用；第二，采用分层法意味着在最大流速点出紊流粘性系数为零，即在最大流速点附近水流无动量交换发生，所以把冰盖区和河床区截然分开是不符合实际水流状态。建立一种新的表达冰盖下流速的推演方法，该方法不用分层通过一个通用表达式计算冰盖下流速，能简单、便捷、高精度获取到天然河道流速分布，解决了因人为把冰下流速分为冰盖区和河床区带来的同实际流动状况不相符合的情况，也解决冰下流速测量操作复杂、测量不准确的难题。

本实施例摒弃将水流硬性分为冰盖区和床面区的分析方式，将整个分层流速统一使用一个公式，即公式(1)。

冰盖下测量断面6上的流速分布，如图3所示。根据测量断面的横截面曲线形状，采用双幂指数分布曲线。公式(1)中y＝0(冰盖位置)或者H(河床位置)，流速v＝0。在公式(1)中，一旦α、m_i和m_b率定得到，河道断面流速分布可以直接计算得到，进而断面流量和平均流速可求得。

所述的分时段参数率定就是将各个测量时段所测得的流速分布数值分别带入公式(1)中，获得许多组的α、m_i和m_b，之后使用数学方法进行率定，找到若干组最为接近实际气候条件、冰盖特征、冰冻状态的α、m_i和m_b作为通用参数，以进行预期的推演，以确定流速分布。

率定的方式可以有很多种，如：遗传法、BP神经网络法、贝叶斯网络法等。

步骤6，流速流量分布推演：在测量断面记录之后的气候年冬季的整个冰冻期，比对各个测量时段对应的选择推演时段，在推演时段比对同一测量断面的冰盖特征以及气象条件，选择相同的冰盖特征以及气象条件的与流量相关的参数α、与冰盖糙率相关的系数m_i、与河床相关的系数m_b带入公式：

推演当前的流速分布；

并求出最大流速v_max和最大流速的水深y_max：

y_max＝βH

其中，

以及单宽流量：

本步骤是将率定后的公式对流速分布进行推演的过程，首先应当根据推演时刻的气候条件、冰盖特征和冰封状态设置多个条件，根据这些条件选取相应的α、m_i、m_b参数。

流速最大v_max时的水深y_max计算：对公式(1)求导，即：

当给定α，m_i，m_b时，

即可求得流速最大v_max时的y_max值，即：

设

则有：

y_max＝βH (3)

并将β带入式(1)有：

忽略边界层对流量的影响，可得到单宽流量为：

积分，得：

对于测量截面为矩形的明渠或者近似为矩形的明渠，流量可计算为：

式中：B为渠道的底宽，Q为测量截面是矩形的明渠或者近似是矩形的明渠。

步骤7，不断积累数据：在每一个气候年的冰冻期在推演流速和流体分布的同时，根据变化的条件进行相应的测量，不断的积累各种条件下的α、m_i、m_b。

率定和推演在实际工作中是交替进行的，在第一测量后的每一个气候年所产生的气候状态、冰盖特征和封冻状态各不相同，需要不断的观察和积累。但现有的水文站记录通常没有这方面的记载，因此需要增加记录，以便在有了足够的记录后就不再需要进行冰面的开凿等户外强体力劳动，通过推演就可以精确的获得流速分布等参数了。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于率定参数的方式的细化。本实施例所述的率定参数的方式为：遗传法、BP神经网络法、贝叶斯网络法中的一种。

遗传法、BP神经网络法、贝叶斯网络法是现代十分常用的概率计算方法，由于现代计算机技术的发展，可以同时使用几种方式同时进行计算，以哪个效果最佳作为取舍。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于参数率定步骤的细化。本实施例所述的率定参数的步骤中，在率定参数后，根据测量断面建立缩小的实体模型，对各个参数进行试验验证。

参数率定后，可以根据被测河段的具体形状建立缩小的实体模型，近似的模拟河道进行参数的实验验证。

如建立一个长20m模拟天然河道的宽浅型复式断面可变底坡明渠的模拟河道的试验平台，复式断面河道采用有机玻璃材质加工，以便于观察流态和流速。采用ADV(AcousticDoppler Velocimetr，声学多普勒流速仪)和PIV(Particle Image Velocimetry，粒子图像测速法测量仪)测量流速。

冰下流速分布主要取决于流量、冰盖和河床糙率等因素的变化，实验中冰盖糙率取值为3种：0.009、0.017和0.025，实验中模型冰冰盖分别采用有机玻璃板、有机玻璃板上粘贴纱网和聚乙烯泡沫板模拟，分别代表不同封冻期的冰盖糙率。

在模拟河道上设置多个测量断面，每个测量断面沿水深方向每隔0.5cm布置一个测点,采用聚乙烯泡沫板模拟冰盖，对水深8cm时的各测点进行流速测量。

通过公式(2)数据进行曲线拟合，得到：

α＝0.80，m_i＝6.3，m_b＝4.9。

已知α、m_i、m_b，采用公式(6)计算得到流量Q＝0.056m³/s,实测流量为0.055m³/s，误差为3.6％。

对各个模型测量断面的数值分析，并与实际河流测量断面的参数进行对比两者十分接近，说明本发明所述的流速分别推演方法精确度较高，能够达到准确推演冰盖下流速和流量的效果。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于流速流量分布推演步骤的细化。本实施例所述的流速流量分布推演步骤中，测量断面是矩形或者近似为矩形，如图4所示，则流量Q为：

其中：B为渠道的底宽。

引水明渠通常为人工建造的构筑物，截面形状规则，但也有一些由于年代久远出现一些变化但多数可以作为规则形状分析计算，图4中是一个略微有些梯形的河槽，也可以认为是矩形截面形状。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如相关参数的选定、各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种冰盖下流速分布的推演方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

步骤1，选择典型河道的测量断面：选择主流河道设置测量断面；对于自然河道则选择在水文站附近，河床形状相对规则，比降适中，水流相对平稳的位置；对于引水渠道则选择在控制闸门和分水口一定距离的位置；测量断面选定后记录测量断面的河床状态，包括：是否为砂石河床、有植被河床、混凝土衬砌河床；根据已有水文资料，将测量断面的水位分为低水位、中水位和高水位；所述的典型河道是指在水文站附近，即能够经常性的进行测量的河段，或者历史上经常发生冰塞、冰坝的河段；所述的测量断面应当选择在冬季能够形成冰盖的自然河道，其河床的横截面形状为中间较深，两侧坡面相对比较对称，且冰盖下流速近似双幂指数分布曲线形状；对于引水渠道选择在远离闸门和分水口的位置；

步骤2，选择记录测量断面的时间点：测量时间点选择在冬季水面开始出现流凌直至第二年春天冰面完全融化的整个期间；选择时段除了用年月日时的分段方式外，还要根据冰冻的状态进行分段；将冰期全过程分为流冰期、封冻期和开河期，将封冻期过程分为初封期、稳封期和开河前期：将测量断面的封冻30％、50％、60％、80％作为河道未完全封冻的测量时段；测量断面的初封期测量时间间隔不大于2天，稳封期的测量时间间隔不大于7天，开河前期的测量时间间隔不大于2天；根据冰面具体变化情况或适当的河道断面间距设置，调整封冻期的测量频率；所述的流冰期为：河道开始出现冰花到河面出现冰盖之前阶段；所述的封冻期为：河道出现固定冰盖，敞露水面面积小于河道面积20％阶段；开河期为：冰盖破裂，冰块开始移动到冰块完全消失阶段；将封河期分为3个阶段：冰盖厚度快速增长期为初封期；当冰盖增长一定厚度，冰盖增长缓慢，或者保持不变阶段称为稳定封冻期；随着气温升高，冰盖厚度减小到开河前阶段称为开河前期；对于封冻期，除按时日进行测量外，还要根据气候的条件增加测量时段；

步骤3，记录测量断面状态：在各个测量时段记录测量断面的冰盖特征以及气象条件，冰盖特征包括：封冻状态平封或立封、是否存在冰塞或冰坝、冰盖清沟量、冰的类型；冰盖特征测量须根据观察当时的气候条件进行观察记录；将气候环境分为：严冬、平冬、暖冬，并根据清沟的多少而确定冰盖的糙率；观察冰盖是否为单层冰，其单层冰是否为片状冰还是水内冰的状态；对于冰塞的情况则观察冰是否为松散冰花、冻结冰花或片状冰；

步骤4，获取流速分布数据：在各个测量时段在测量断面的冰盖上开凿多个测量孔，在各个测量孔使用流速测量仪对测量断面所设定深度的流速进行测量并记录；

步骤5，率定参数：将各个测量时段不同水深位置的流速带入公式：

进行分时段参数率定，率定与流量相关的参数α、与冰盖糙率相关的系数m_i、与河床相关的系数m_b；公式中：y为测量点到冰盖下端的水深；v为测量点的流速；H为测量点对应冰盖下端到河床的总水深；所述的率定参数的方式为：遗传法、BP神经网络法、贝叶斯网络法中的一种；

步骤6，流速流量分布推演：在测量断面记录之后的气候年冬季的整个冰冻期，比对各个测量时段对应的选择推演时段，在推演时段比对同一测量断面的冰盖特征以及气象条件，选择相同的冰盖特征以及气象条件的与流量相关的参数α、与冰盖糙率相关的系数m_i、与河床相关的系数m_b带入公式：

推演当前的流速分布；

并求出最大流速v_max和最大流速的水深y_max：

y_max＝βH

其中，

以及单宽流量：

步骤7，不断积累数据：在每一个气候年的冰冻期在推演流速和流体分布的同时，根据变化的条件进行相应的测量，不断的积累各种条件下的α、m_i、m_b。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的率定参数的步骤中，在率定参数后，根据测量断面建立缩小的实体模型，对各个参数进行试验验证。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的流速流量分布推演步骤中，测量断面是引水渠道，则流量Q为：

其中：B为渠道的底宽。

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