河冰演变过程分析的一维数学模型研究

第22卷第5期2011年10月水资源与水工程学报JournalofWaterResources＆WaterEngineeringVol．22No．5Oct．，2011收稿日期:2011-06-13作者简介:徐国宾(1956-)，男，河北石家庄人，教授，博导，从事水利水电工程专业教学与研究工作。河冰演变过程分析的一维数学模型研究徐国宾(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072)摘要:通常情况下，河流中的冰情可以按照冰的形成和消融过程分为3个阶段:结冰期，封冻期和解冻期。一个能够完整描述河流结冰、封冻和解冻过程的河冰数学模型由以下3个分模型组成:水力模型、热力模型和冰冻模型。水力模型用于计算河道中流场和其水力要素;热力模型用于计算水体热交换，水温分布和降温过程;冰冻模型用于模拟水内冰的产生，冰花输移，浮冰输移，底冰增厚和消融，冰盖的形成、推进和增厚，冰盖的热力增厚和消融，冰盖前缘下潜输冰能力和冰塞演变过程。这3个模型相互影响和作用，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，冰冻过程又反过来影响水力条件和热力条件。本文给出一个能够完整描述河流结冰、封冻和解冻过程的一维河冰数学模型，当然也可以用其中的分模型计算某一特定河冰过程。关键词:河冰;水力模型;热力模型;冰冻模型;数学模型中图分类号:P343．63文献标识码:A文章编号:1672-643X(2011)05-0078-06One－dimensionalmathematicalmodelsofrivericeevolvingprocessXUGuobin(StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety，TianjinUniversity，Tianjin300072，China)Abstract:Normally，accordingtotheiceformationandmeltingprogresses，rivericephenomenacanbedividedintothreesteps:iceperiod，freeze－upperiodandfrostfreeperiod．Arivericemathematicalmodelwhichcancompletelydescribetheprocessesofthesethreestepsismadeupofthreepartialmod-els:hydraulic，thermo－mechanicalandfrozenmodels．Hydraulicmodelsareappliedtocalculatetheflowfieldandotherhydraulicelements．Thermo－mechanicalmodelsareusedtocalculatetheheatex-changes，water－temperaturedistributionandthecoolingprocesses．Frozenmodelsarecapableofsimu-latingfraziliceformation，iceflowerandsuspendedicetransportation，anchoricegrowthanddecay，icecovergeneration，progressionandaccumulation，thermalgrowthanddecayoficecover，thepotentialtransportabilityoficecoverleadingedgeandicejamevolutionprocesses．Thesethreemodelsinteractwitheachother，hydraulicconditionsaffectthermalexchangeandfreezingprocesses，thermalconditionsdeterminefreezingprocesses，freezingprocessesinturnaffecthydraulicconditionsandthermalcondi-tions．Thestudypresentsaone－dimensionalmathematicalmodelwhichcancompletelydescribetheprocessesoficeformation，freezingupandmelting．Moreover，everypartialmodelcanalsobeusedtocalculateaspecificiceprocess．Keywords:riverice;hydraulicmodels;thermo-mechanicalmodel