黄河冰花冰晶体结构及内部气泡分析

黄河冰花冰物理性质独特,对冰凌的生消演变有很大影响。为深入认知冰花冰晶体结构的物理特性,利用冰样采样器对黄河头道拐河段的冰花冰进行采集,利用费氏台获取冰花冰的图像,分析冰晶体及气泡细观结构特征。结果表明:在垂直方向上,冰晶体的平均等效直径范围为1.48~5.85 mm,随深度增加逐渐增大;在同一水平面内,冰晶体粒径差别明显,微小晶粒占比较大;冰花冰主要由0.1~7.0 mm的晶粒组成,直径为0.1~1.0 mm的微小晶粒占比为47.54%;冰花冰气泡平均等效直径在0.3~0.7 mm之间变化,随深度增加逐渐增大;气泡含量在1.90%~6.76%波动,随着深度增加逐渐减小。

无临设工程施工的沉桩方法及工法设计

传统的打桩(振动、冲击)技术,不仅需要打桩机,还需要施工车辆、大型附带设备及暂设工程,施工效率低、占地面积大,对生态环境影响大。以黄河堤岸刚性加固为需求导向,设计了无临设工程施工的沉桩方法,并开发出整套设备,该设备主要包含静压植桩机、动力单元、桩用起吊装置及桩材自走装置。该工法实现了无暂设工程施工,提高了作业效率,减小了对生态的影响。从工法特点、施工周期、施工成本、硬质地层适应性、成桩质量、占地面积和环境影响(CO_(2)排放)等方面对比分析了此方法与传统施工的优缺点。结果表明,该方法可广泛应用于坝决口封堵、堤防加固、植入式斜桩护岸、挡土墙、止水墙、基础和地基工程加固等方面。

提升识别河道倾斜流凌图像准确度的理论基础与实践

针对黄河什四份子弯道远程监测视频中流凌图像存在倾斜变形问题,基于摄影测量学原理对倾斜变形图像进行校正,建立一种考虑相机安装高度、相机倾斜角度及河道水位变动影响的图像像点比例尺校正方法。以2021—2022年凌汛期什四份子弯道监测图像为例,结合现场测量数据与雷达数据,拟合水平比例尺和竖直比例尺表达式,根据图像信息和水位信息实时计算流凌真实位置信息,公式拟合图像比例尺的相对误差在±6%以内;采用比例尺表达式对图像进行校正,获得校正后流凌密集度、流速等参数,统计流凌密集度与流速关系,证明了倾斜流凌图像校正的必要性。

2016年达拉特旗淤地坝水毁原因及拦沙效果

为核查淤地坝水毁原因及对入黄泥沙的影响,基于西柳沟和罕台川小流域19座淤地坝决口现场调查资料,分析得出2016年“8·17”暴雨降雨过程和入黄水沙的特征。针对淤地坝结构和运行特点,结合现场对淤地坝水毁情况尤其是决口部位冲蚀形态的详细查勘,从降雨以及淤地坝规划、设计、施工、管理等方面分析了淤地坝水毁原因,定性给出了淤地坝决口形式及拦沙效果。提出优化坝系布局和建设标准,改进放水建筑物结构并强化施工质量管理,重视预警预报等非工程措施建设等建议。

黄河河道冰层雷达波特征图谱的现场实验研究

2013年-2014年冬季,利用RIS K2型探地雷达在内蒙古头道拐水文站黄河河道断面开展冰层厚度探测试验。试验使用不同频率天线探测冰厚,并与钻孔实测冰厚对比。结果显示200 MHz频率天线可探测到冰下更深部位的状况,并能够识别出冰花层。利用雷达探测图谱中电磁波传播时间和实测冰厚得到盛冰期雷达电磁波在冰内的实际传播速度为16.3cm/ns;而融化期雷达电磁波在冰内的实际传播速度小于15.0cm/ns。雷达探测结果还显示垂直于河道断面方向的冰层厚度分布不均匀。主流区是以热力学生长的颗粒冰和柱状冰为主,最大冰厚约为60cm;而非主流区是以冰花冰为主,最大冰厚约为70cm。另外,雷达图谱也可以确定冰层裂缝的具体位置、走向。

长期低含沙水流作用下黄河下游河势调整过程

小浪底水库运用以来长期下泄清水或低含沙水流,游荡性河道河势发生显著调整,研究其变化过程特征,对于深化认识游荡性河道演变规律并进行有效调控具有很大意义。依据2000—2015年的河势资料,对铁谢—高村游荡性河道的河势调整过程进行了分析,提出了应对河势变化的建议。结果表明:①在长期清水或低含沙水流作用下,游荡性河道的河势变化较大,河宽增大、心滩增多、河势较散乱、畸形河湾现象突出;②2000—2015年黄河下游河势调整具有明显的时空特征,前期河势以下挫为主,后期则以上提为主,且河势调整从上至下逐步演进;③对危及滩区群众安全的东安—桃花峪、三官庙—黑岗口、堡城—青庄河段,急需进行河道整治,对长期持续清水或低含沙水流作用下的河势新情况应给予高度重视,确保防洪安全。

基于数字图像处理技术的冰凌参数识别方法

基于黄河防凌远程视频监视系统现场采集到的视频影像,采用图像识别的方法提取黄河沿岸关键冰凌参数,包括密集度及流速。对于冰凌密集度的提取方法,是先将摄像设备取得的视频变为单帧图像,然后对单帧图像进行二值化处理,利用图像分割技术得到冰凌所在区域,最后统计得出冰凌的密集度;对于冰凌流速提取,是用摄像设备取得视频图像序列,利用稠密光流法标记各图像的特征点位置,追踪特征点,从而得到移动距离,最后根据时间间隔计算得出冰凌的流动速度。

1988-2018年黄河内蒙古段河道边界演变特征及影响因素

[目的]获取河道边界演变特征,为黄河内蒙古段的堤岸防护建设提供重要的理论依据。[方法]基于1988—2018年期间7期Landsat卫星影像,利用修正的归一化水指数(MNDWI),对黄河内蒙古段7期的河道边界信息进行提取,并计算不同时期河道摆动面积、最大摆动面积、摆动方向等指标,分析近30 a河道的时空变化特征。[结果]黄河内蒙古段在上游巴彦高勒—三湖河口和三湖河口—包头弯道区域曲率较大的河段摆动较严重,整体呈现向右岸迁移的趋势。河道摆动的时空差异受河床物质组成、水动力条件、水利工程、水土保持工程等人类活动因素的综合影响。[结论]黄河内蒙古段的堤岸防护建设重点应集中在巴彦高勒—三湖河口全段以及三湖河口—包头弯道曲率较大的河段。

用气温和冰厚修正黄河冰内雷达波速的物理机理和参数化

黄河平封冰和立封冰中冰晶体间以水膜形式存在有未冻结的自由水和非自由水,其含量随冰温变化。理论上冰内雷达波速取决于冰体自身的晶体结构和组分,但冰内未冻水含量可对其产生明显的影响;冰内未冻水含量取决于冰温,冰温又受控于气温、辐射和冰厚。分析了黄河什四份子2020—2021年冬季气温和雷达探测冰厚数据,发现气温主导的未冻水含量变化是影响雷达准确探测平封冰厚度的首要因子。通过确定黄河冰-水界面热通量,并引入含有气温、辐射、风速、云量的一维冰热力学模型,结合13个钻孔实测冰厚,计算了与雷达探测冰厚时刻一致的1251个热力学模拟冰厚。在此基础上,分别获得了气温升高过程和降低过程中粒状冰、柱状冰内雷达波速受气温影响以及受气温和冰厚联合影响的统计关系。最终确定将气温和冰厚对雷达波速联合影响的统计关系作为平封冰雷达波速动态修正的参数化方案,依此将固定式雷达冰内雷达波速由常数更换为函数,从而提高了平封冰雷达冰厚探测的精度。根据黄河存在非冻结冰花和堆积碎冰块,建议开展不同类型冰厚探测研究。

气温变化对黄河封河期冰厚的影响分析

为分析黄河封河期气温变化对河冰厚度的影响,基于冰与水的导电特性差异性原理,建立了冰情自动监测系统,于2014年对黄河三湖河口水文站、包头水文站、头道拐水文站和万家寨水库库尾河段4个监测点封河期气温与冰厚进行了连续自动监测。监测结果表明,三湖河口水文站与头道拐水文站监测得到的数据客观上反映了负积温同冰厚的关系,引入斯蒂夫模型,建立了黄河封河期负积温变化与冰厚变化的经验关系式。

应用型本科院校材料专业课程思政体系构建

课程思政是高等教育实现立德树人根本宗旨的重要方式。针对课程思政研究存在的主要问题,提出了应用型本科院校材料专业课程思政的顶层设计方法,分别从专业教师思政教育意识和能力培养、课程思政元素网络构建、实践环节课程思政设计和第二课堂思政氛围营造等方面阐述了专业思政体系构建的基本思路。

非接触式冰厚和水位一体化远程监测装置研发

为解决冬季结冰河道冰厚和水位一体化连续监测难的问题,研发了非接触式冰厚和水位一体化远程监测装置。该装置主要由空气耦合雷达、环境温度传感器、水面/冰面温度传感器、高清红外夜视仪、避雷器、GPS模块、远程开关控制和遥测模块、太阳能和风力供电互补系统、硅能电池、超长横杆和三角钢架等组成。集成后的装置可监测冰厚、水位、环境温度和冰面/水面温度等相关参数及全天候的视频图像数据,通过采用4G模块将数据回传至控制中心并自动解译雷达图谱。该装置已安装应用于黄河内蒙古托克托县什四份险工弯道处,完整监测了2019—2020年度凌汛期冰厚和水位变化过程,采集了大量的温度和凌汛视频图像数据。该装置为冰期水文远程非接触式监测提供了新的模式和技术,可实现全年无人值守智能监测。

暴雨条件下小型水库预警模式研究

暴雨来临前,为提前预警小型水库坝前水位,充分准备防洪调度及抢险方案,基于历史降雨资料及设计资料,采用降雨-径流模型,预测不同暴雨强度条件下的坝前水位,分析水位变化对大坝的影响,最后构建气象预报-水位预警-防洪抢险三位一体的小型水库汛期安全预警模式。该模式可以解决小流域内水库安全度汛的问题。以花果山水库为例,根据该小流域内近50 a的降雨资料,预测基于灰色理论的流域内小尺度预报的2018年暴雨、设计暴雨和基于国家气象部门大尺度预报的极端暴雨等3种模式下的坝前水位,对比分析得出极端暴雨条件下会有漫坝风险,同时提出了该水库蓝色、黄色、红色三级水位预警方案以及应对不同水位预警的应急调度及抢险措施。

基于政产学研协同的材料专业“新工科”人才培养模式

政产学研协同创新是实现国家创新驱动发展战略的有效途径,是培养新工科人才的关键。基于"新工科"建设内涵,南京工程学院材料科学与工程学院以培养高素质新工科人才为目标,主动开展政产学研协同育人,坚持实施六个对接,充分利用各种优势资源,促进专业优化发展,人才培养质量得到持续提升。

适用于明渠流及冰盖流的统一泥沙颗粒起动流速公式

为得到冰盖流条件下的非黏性泥沙起动公式,揭示冰期河道断面强烈冲淤变化的机理,基于Einstein假定,推导得到了同时适用于明渠流及冰盖流的统一的非黏性泥沙颗粒起动流速公式,所得公式与已有冰下泥沙起动流速试验数据符合良好。当冰盖糙率为0时,冰盖流泥沙颗粒起动流速公式即化为明渠流泥沙颗粒起动流速公式。应用所得公式,比较了明渠流、冰盖流、冰塞条件下的起动流速及可起动最大泥沙粒径关系,冰塞条件下起动流速最小,可起动最大泥沙粒径最大。2014年冰期黄河头道拐断面发生强烈冲淤变化,是冰花集聚形成冰塞引起可起动最大泥沙粒径增大所致。所得公式及所揭示机理,将为进一步深入研究河道冰期泥沙输移规律提供重要思路和参考。

2013—2014年凌汛期黄河头道拐断面冰塞演变及河床冲淤特性

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。

基于遥感影像分析1989—2019年黄河内蒙古段河冰时空变化

获取河冰时空分布信息对黄河流域防凌减灾工作及沿岸地区可持续发展具有重要意义。收集黄河内蒙古段1989—2019年冬季河冰遥感影像数据;提出了归一化未封冻水体指数(NDUWI)用以剥离被归一化雪指数(NDSI)误分为河冰的水体像元,确定了该指数划分河冰、水体像元的阈值,并利用NDUWI结合NDSI的方法提取河冰信息进而分析河冰时空分布及变化特征,探讨了海勃湾水库调度及河床演变对河冰分布的影响。结果表明:黄河内蒙古段河冰主要分布在研究区中游(巴彦高勒—三湖河口)。1989年以来,研究区内河冰经历“平稳期”(1989—1997年)、“扩张期”(1998—2000年)、“萎缩期”(2001—2019年)3个阶段,其中2000年出现河冰面积峰值,并于2019年减小至最小。各子段中,海勃湾至巴彦高勒(R1段)2015年前河冰分布稳定,2015年起受海勃湾水库建成影响,河冰面积大幅萎缩;巴彦高勒至头道拐(R2~R4段)河冰面积变化特征大体与全段变化相同。空间上,2015年后R1段以纵向萎缩为主,巴彦高勒至三湖河口(R2段)左岸河冰萎缩,右岸河冰堆积仍有偎堤风险;三湖河口至包头(R3)段全段河冰漫滩现象严重,2016年起得以缓解;包头至头道拐(R4)段以局部漫滩为主,2016年开始以主槽封冻为主。上游海勃湾水库建成后的常规运用可有效减小下游黄河内蒙古段的河冰漫滩现象。研究成果可为黄河内蒙古段水库防凌调度及堤防安全隐患排查提供参考。

产学研合作与教材建设融合培养应用型本科人才

为实现新时代一流应用型本科人才培养目标,探索产学研与教材建设融合模式。产学研活动能提升教师实践教学能力和学生学习兴趣,是教师获取实用性教学内容素材的有效方式;教材是理论联系实际的内涵建设重要载体,能深化产学研活动深度和广度,将产学研与教材建设融合成为落实新时代一流应用型本科人才培养目标最有效措施之一。

黄河什四份子弯道冰期水流及冰塞特征研究

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。

基于分形理论的冰下水流流速垂线分布研究

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。