[发明专利]一种结冰水库回水区冰塞反演及预测方法

说明书

本发明公开了一种结冰水库回水区冰塞反演及预测方法，在考虑水动力‑冰动力‑地形耦合作用下，对建立的平面二维水‑冰动力耦合模型进行求解，得到结冰水库的流场分布、水温分布和冰场分布，从而实现结冰水库库尾回水区的冰塞进行反演或预测；由于考虑了水动力和热力过程、表面冰动力、颗粒冰输移与堆积、堆冰头部位置的平均水深等影响因素，可以更加准确地反演或预测不同水库运行方式下、不同来冰条件下结冰水库库尾回水区的冰塞体形态、大小与引起的壅水水位，并可获取动力演进的时空变化过程。

技术领域

本发明属于水利水电技术领域，涉及结冰水库回水区冰塞研究，尤其涉及一种基于水-冰动力学模型耦合的结冰水库回水区冰塞反演及预测方法。

背景技术

寒区河流上水库的修建，使库区及上下游河道的水力学特征发生显著变化，并直接影响到原河道的冰情过程。特别是水库回水末端，其水力学条件由河流过渡到水库，水面比降减小，水流流速降低，入库冰凌在此堆积；尤其是在结冰期容易产生冰塞，这将造成回水末端及部分上游河道水位壅高，严重时淹没两岸农田、房屋，对人民生命和财产安全产生直接威胁。水库库尾发生冰塞事件后，通常情况下采取低水位运行方式来减轻或消除灾害影响，其作用效果视具体情况而定，但较大程度直接影响到水库的发电效益。

尽管水库回水区冰塞现象普遍存在，其与河道冰塞在形成和演变机理方面具有一定的相似性，但影响要素更多、边界条件更为复杂而有所差别，具有河冰和水库冰的双重属性，采用河流冰塞理论难以直接描述水库回水区冰动力学变化和演变规律。限于水库回水区冰凌过程的复杂性和水库冰的研究进展，目前主要采用经验公式方法或静态冰坝理论对冰塞堆积体大小及水位壅高幅度进行估算，然而这些方法忽略了冰塞的动力过程，难以确定冰塞发生的时间和地点，同时更无法反映水库调度方式对回水区冰塞发展过程的影响。由于缺乏对水库回水区冰塞成因及过程的深入认识和系统有效的防凌调度方案，现阶段仍需要花费人力和物力进行现场实时追踪监测，以应对复杂的凌情变化并及时作出合理的防凌减灾措施。

因此，针对寒区工程的实际需求，开展水库回水区冰塞动力学的作用机理和演变规律研究，可为寒区水库工程设计、冰期调度运行和防凌减灾等方面提供重要的科技支撑，而建立能够同时考虑冰-水动力耦合的模型，实现对结冰水库回水区冰塞反演和预测，是研究和解决这一问题急需有效的必要手段之一。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种结冰水库回水区冰塞反演及预测方法，基于所建立考虑冰影响下的水动力和热力过程、表面冰动力、颗粒冰堆积层输移与堆积、堆冰头部位置的水深平均的平面二维水-冰动力耦合模型，可以反演、预测和评估结冰水库回水区冰塞体及其引起的水位壅高的时空变化过程，以及水库回水区冰塞壅水对河道的影响程度和影响范围。

为达到上述目的，本发明采取以下技术来实现。

本发明提供的结冰水库回水区冰塞反演及预测方法，以结冰水库水域为研究对象，将其沿水流方向和宽度方向划分为若干三角形单元体，按照以下步骤对结冰水库回水区冰塞反演及预测：

S1给定水库边界条件以及水库初始水力、水温分布、冰场和堆冰头部位置条件；

S2利用水动力模块和热力模块获取当前时刻的水库回水区水力、水温以及水内悬浮颗粒冰浓度分布；

S3遍历水库，识别流速和水温与前一时刻相比，是否发生变化，若已发生变化，更新岸冰边界，然后进入步骤S4；否则直接进入步骤S4；

S4利用表面冰模块获取当前时刻的水库回水区表面冰压力、表面冰浓度和表面冰厚度分布；

S5遍历水库，判断水库表面各单元体节点的表面冰浓度是否大于设定的最大冰浓度，若是，表明表面冰发生机械增厚，修正表面冰厚度，然后进入步骤S6；若不是，则直接进入步骤S6；

S6遍历水库，利用颗粒冰堆积层输冰能力模型对存在表面冰的单元体节点下水流强度所能支撑的颗粒冰堆积层输移能力进行计算；