河冰视频监测技术研究

本文分析了河冰视频监测的特点,围绕相机标定及投影转换、河冰特征识别、流冰速度解算等方面,系统介绍了河冰视频监测应用现状及关键技术,并提出应用过程中亟待解决的关键问题,为河冰视频监测技术研究提供了参考依据。

1850—2100年北极阿拉斯加地区最大河冰厚度时空变化特征

在极地放大效应的影响下,北极气温以较全球平均更快的速度变暖,从而导致了北极冰冻圈系统的剧烈变化。河冰是北极冰冻圈系统的重要组成部分,是气候变化的敏感指示器,同时影响当地的生态、水文和多年冻土等。本研究利用Stefan方程,使用实测河冰厚度数据、CMIP6历史实验数据和四个未来情景(SSP126、SSP245、SSP370和SSP585)的1850—2100年近地表日气温数据,建立了阿拉斯加地区1850—2100年最大河冰厚度,并分析其时空变化特征。研究表明:阿拉斯加地区多年平均最大河冰厚度呈现南薄北厚的特点;在东西方向上,1850—2000年的平均最大冰厚呈现东薄西厚的特点,但未来100年在东西方向上无显著差异(P<0.05)。1850—2100年阿拉斯加地区最大河冰厚度整体上呈显著下降趋势。其中,1850—2014年下降速率为(-0.72±0.25)cm·(10a)^(-1)(P<0.05);随着社会脆弱性的加剧和辐射强迫的增强,2015—2100年阿拉斯加地区河冰减薄的速度明显增大,在SSP126、SSP245、SSP370和SSP585情景下分别为(-1.39±0.76)cm·(10a)^(-1)、(-3.10±0.73)cm·(10a)^(-1)、(-6.09±0.79)cm·(10a)^(-1)和(-7.45±0.63)cm·(10a)^(-1)(显著性均达到了P<0.05)。1850—2100年最大河冰厚度的下降速率在空间上呈现出自东南向西北加快的趋势。

黄河冰三点弯曲强度的试验研究

本文介绍了河冰弯曲试验的试验方法，分析了河冰弯曲破坏的机理，提出了河冰弯曲破坏理论，给出了黄河冰三点弯曲强度试验结果，分析了应力速率和冰温对弯曲强度值的影响。结果表明：黄河冰三点弯曲强度随应力速率的增加呈马鞍型分布，随冰温的降低出现极值，在Ｔ＝１０℃时，弯曲强度达到最大值。

春季河冰流凌对桥墩撞击作用计算模型的研究

采用LS-DYNA显示动力分析软件就流冰对桥墩撞击力的计算机仿真模型进行了研究。提出了河冰的简化本构关系模型;建立桥墩与流冰接触撞击的有限元分析模型。探讨了接触类型与算法、冰排网格密度、接触区域桥墩网格密度对桥墩撞击力计算结果的影响,并与实测结果进行了对比。得出如下结论:流冰及接触区域的桥墩可采用solid164单元;河冰材料可采用线弹性模型,最大拉应力失效准则;ASTS自动面面接触类型及对称罚函数接触算法就流冰对桥墩撞击力模型是适合的;与桥墩接触的近区冰排单元大小及接触区域桥墩网格密度对撞击力均有较大影响,应注意单元尺寸的合理选择。研究结果为流冰对桥墩撞击力的计算提供了新的方法,对完善流冰撞击力的计算方法具有理论价值及现实意义。

河冰力学性能试验研究

为了解决流冰对桥梁结构作用研究中河冰强度取值问题,对黑龙江省呼玛河河冰进行抗压强度和抗弯强度试验,结合国内现有河冰力学性能研究成果,采用统计分析方法,研究了河冰力学性能。得出各温度、各加载速率下,河冰抗压、抗弯强度取值,并研究了温度、应变速率与抗压强度和抗弯强度之间的关系,建立了冰温与抗压强度的数学模型;根据压缩试验、弯曲试验资料分别探讨了河冰弹性模量的取值,分析了温度、加载速率同弹性模量的关系,建立了冰温与弹性模量的数学模型。该成果为研究河冰与桥梁结构动力相互作用过程和流冰载荷计算方法奠定了基础。

河冰水力学研究进展

近几十年来,随着经济的发展,河流冰情灾害引起的损失越来越大,因此很多专家、学者投入到河冰问题的研究,使得河冰水力学得到了很大的发展。分别从天然河道、水库、人工输水渠道等原型观测研究,新型冰情观测仪器的研发和使用,冰塞演变机理、冰盖下的流速分布和泥沙输移等实验研究,冬季河道冰情发展演变过程、冰塞的形成、冰塞溃决时的洪水波等河冰动力学数值模拟研究,以及基于神经网络技术的冰情预报等方面,综述了国内外学者在冰情研究中最新的研究进展,重点介绍了其中一些具有代表性的成果,并对目前河冰工程研究中仍未解决的问题和以后需要进行的工作进行了尝试性地分析。

呼玛河冰灾害试验研究

为了了解高寒地区水工建筑物受春季流冰的威胁程度,选取呼玛河冰为研究对象。通过一系列单轴无侧限抗压强度试验,就温度与加载速率对河冰抗压强度、应力-应变关系、弹性模量的影响进行了研究。利用统计分析与曲线拟合,得出了抗压强度与温度间的相关关系。在呼玛大桥现场进行了流冰撞击桥墩的动态测量,取得了相应的实测数据,为研究冰-结构相互作用提供了有用的资料。

河冰对桥墩作用的冰荷载计算方法(Ⅰ)——河冰的力学性能试验

通过对松花江河冰的物理力学性能试验和松花江公路大桥桥墩的流冰动压力测量、桥面的脉动测量 ,依据国内外对冰 -结构相互作用的分析 ,提出了适合我国黑龙江冰情特点的春季流冰冰荷载的计算方法。

河冰单轴压缩破坏过程细观数值仿真

为了解并认知河冰材料的内在属性,对黄河封冻期的河冰进行了现场取样观测并开展了单轴抗压破坏过程的物理试验,依据物理试验结果,在细观层面将河冰看成由晶粒、晶界、初始缺陷构成的非均质材料,给出了随机缺陷界面弹簧元模型模拟河冰单轴压缩强度的数值方法,模拟了河冰在单轴受压荷载作用下的开裂破坏过程,分析了初始缺陷分布和含量、晶粒尺寸等各相组分对河冰力学性能的影响。结果表明:随着初始缺陷含量的增加,河冰单轴压缩强度呈下降趋势,但下降幅度逐渐变缓;随着晶粒尺寸的增加,河冰单轴压缩强度呈降低趋势,且与晶粒尺寸d-1/2呈线性相关关系。与物理试验对比发现,该计算模型能较好地模拟黄河冰的单轴压缩强度和开裂过程。

河冰对桥墩作用的冰荷载计算方法(Ⅱ)——冰压力计算公式

在松花江河冰力学性能试验和流冰动压力测量的基础上,回顾了国内外目前有关冰-结构相互作用与冰荷载计算的主要方法和公式,并通过黑龙江省流冰长期观测数据的统计分析,提出了适合我国国情的冰荷载计算方法,可供工程部门参考使用。

正态信息扩散法在确定河冰抗压强度概率分布中的应用

将正态信息扩散法应用于小样本条件下河冰抗压强度概率密度函数的确定,建立了小样本条件下河冰抗压强度概率分布,并结合K-S检验法和河冰抗压强度试验数据,分析了该方法的合理性。结果表明,本文方法可以较好解决小样本情况下河冰抗压强度概率分布的确定问题,正态信息扩散分布更加接近河冰抗压强度的真实分布,并优于经典分布的拟合方法。

渤海湾海冰及黄河口河冰的剪切性质

本文叙述了冰的剪切实验方法，此实验是一种小规模的野外实验，主要测试渤海湾海冰及黄河口河冰在不同温度和不同形变速率情况下的剪切强度。冰的剪切强度是冰的温度和形变速率的函数。在一定的温度和形变速率范围内，冰的剪切强度随着冰的温度降低和形变速率的加快而变，超过了一定的范围，冰的剪切强度随着冰的温度降低和形变速率的加大而变小．

基于遥感数据的河冰过程解译及分析

鉴于河冰的野外观测受观测技术、条件及方法的限制而无法获得大尺度、长序列的河冰过程数据,而遥感技术可有效完成复杂时空尺度海量信息的收集处理,以Landsat8遥感影像为数据源,通过单波段信息量比较及相关系数、信息熵和最佳指数的联合分析,得到最佳波段组合;采用监督分类的最大似然法对黄河内蒙古段三湖河口河段2013—2014年冬季不同时期遥感卫片数据进行解译,并对解译结果进行分析,从而获得该河段不同时期河冰的生消演变过程及特性。结果表明:应用7、4、3波段组合获得了较高的河冰解译精度,解译影像可以反映大尺度下冬季河冰的生消演变及输移过程,结合气象、水文等数据可以解释典型河冰现象,为河冰的理论分析及机理研究提供数据支撑。

采用适体坐标变换方法数值模拟天然河道河冰过程

为了精确模拟流动边界条件,克服边界形状复杂、长宽尺度相差悬殊及由于水位引起计算边界变化等困难,针对天然河道边界弯曲复杂的特点,建立了适体坐标下的二维河冰数值模型.应用MacCormack步进法求解,并应用黄河河曲段实测资料对数值模拟进行了验证.

黄河口低盐度海冰与黄河冰的抗压强度

对黄河口低盐度海冰和黄河冰水平试样进行了系列抗压强度试验。由应力一应变曲线分析了半强正切模量Ｅ＿ｃ与主要影响因素的关系。试验结果表明：两种冰韧脆过渡区对应不同的应变率范围；在试验的温度范围，过渡区抗压强度和的量值接近，与辽东湾东部海冰强度相比有明显差别；Ｅ＿ｃ随应变率的变化以及过渡区Ｅ＿ｃ随温度的变化具有规律性。获得的两种冰抗压强度经验公式和半强正切模量经验公式可用于胜利油田滨海工程和黄河水工结构物的冰荷载计算。

河冰湖突发洪水的分形和混沌特征研究

本文利用天山北坡四棵树河冰湖突发洪水洪峰流量时间序列，从吸引子分维数Ｄ_２和Ｋｏｌｏｍｏｇｏｒｏｖ 熵等方面分析了洪峰流量变化的混饨性质。初步结果表明，河冰湖突发洪 水时序分布具有分形特征，且洪峰流量的变化是一个确定性的低维混沌吸引子。文中得出该混沌动力系统可预报时间的平均长度Ｔｐ约为７ｄ，这与实际情况比较接近。

基于空气、冰和水电阻特性差异进行河冰冰厚检测方法的研究

针对内蒙额尔古纳河试验现场环境温度低于-26℃时,无法用已知的冰情检测理论知识判断空气和冰的分界面这一问题,在实验室环境下对室温～-55℃温度范围内的空气、冰和水的电阻特性进行了模拟实验和分析研究。试验结果表明:通过改变系统的电路参数,确定了新的空气和冰的电阻特性理论阈值,据此可判断出空气和冰的分界面,进而计算出冰层厚度值。这一结果可以为基于空气、冰和水的电阻特性差异检测原理设计的冰层厚度传感器关键参数值的确定提供了理论依据。

河冰抗压强度概率特征值的自助法估计

为了解决在小样本条件下河冰抗压强度概率特征值不稳定性及其概率模型确定难的问题.将增广样本统计方法——自助法应用于河冰抗压强度概率特征值的计算,解决了小样本情况下其概率特征值的不稳定性问题,从而确定其概率分布.试验数据表明:基于自助法计算得到了河冰抗压强度概率特征值优于常规方法和刀切法计算的结果.自助法能改善小样本条件下其概率特征值的稳定性.

弯道取水口河冰运动特性及导冰筏优化设置

采用DynaRICE二维河冰模型模拟弯道及其取水口附近的水面冰运动和堆积过程,探讨弯道取水口导冰筏的优化设计。该模型耦合了水动力方程和冰动力方程,分别采用有限元法和光滑粒子流体动力学法对水动力方程和冰动力方程进行求解。模拟得到弯道取水口处水流水力特性、不同角度导冰筏下河冰运动规律及其受力情况。结果表明河冰靠弯道凹岸一侧运动,并在取水口附近及其下游堆积,横向环流对河冰运动影响可忽略,取水口上游设置角度和长度合理的导冰筏可有效阻止河冰进入引水渠。但是,下游也需设置导冰筏来防止河冰在取水口下游堆积及向上游延伸到取水口。

基于数字图像相关方法的黄河冰断裂性能研究

河冰的断裂性能是衡量河冰承载力、模拟和预测开河的重要参数。为明晰黄河冰的断裂性能,基于数字图像测量技术(Digital Image Correlation,DIC)开展了黄河冰的三点弯曲梁试验,分析了不同条件下试样的断裂形态,研究了温度和加载速率对黄河冰断裂韧度的影响。研究结果表明:DIC方法适用于黄河冰断裂试验的研究;黄河冰试样的断裂形态主要受到晶体形态的影响,试样的破坏形式以Ⅰ型断裂为主;黄河冰断裂韧度随着加载速率的增加而降低,随着温度的升高而减小,但在试验给定温度范围内降幅较小;提出了黄河冰断裂韧度与温度、加载速率的关系式,为极限荷载作用下河冰断裂过程的分析及冰荷载断裂参数的选用提供了依据。