Page 34 - 水利学报2021年第52卷第5期

河流凌、封河和开河日期。上述研究从不同方面推动着黄河冰情研究的进步。
较为系统的河冰发展演变过程模拟的数学模型可从 Shen 的 RICE 模型算起，该模型提出的模拟河
冰过程的双层解析框架，考虑了水温分布和冰花的浓度分布以及冰盖热力增长和消退 ［19］ ，之后不断
改 进 发 展 为 完 善 的 一 维 RICEN 模 型 ［20］ 。 类 似 的 模 拟 模 型 还 包 括 ICEJAM（Flato 和 Gerard） ［21］ 、
［22］
［23］
［24］
HEC-RAS、 ICEPRO、 ICESIM（Carson 等） 、 River 1D（She 等） 和 RIVICE（Lindenschmidt） 等 。
Shen 等建立了具有世界领先水平的二维 DynRICE 模型（CRISSP）来模拟冰凌发展过程，并考虑了河床
变化和泥沙运动，该系列模型已成功应用于世界多条河流的冰情研究中 ［25-26］ 。郭新蕾和杨开林等 ［27-28］
在 Shen 研究基础上开发了一维树状数学模型模拟调水工程等人工渠道冰盖发展过程，并成功应用到
南水北调中线工程和京密引水渠中。对黄河冬季冰水情发展过程的模拟可追溯到 1990 年代，Shen 和
黄河水利委员会合作，采用 RICE 模型模拟黄河下游冰盖下水流变化和河道冲淤过程 ［29-30］ 。黄河水文
局和 Delft 大学合作，采用黄河水利委员会的一维黄河河冰动态模型（YRIDM）模拟 2007—2008 年三湖
河口冬季流量和水位的变化 ［31］ 。但所开发的黄河冰情模拟系统很快就不能适应新的河道断面、水文
和气象条件。

乌梁素海
乌兰布和分洪区 包头
头道拐
三湖河口
巴彦高勒

海勃湾水库 万家寨水库

图 1 黄河内蒙古河段
因此，本研究分析了黄河冰情演变规律和河段断面变化规律，解决河段计算中断面资料、部分
气象和水文资料缺乏的难题，率定出黄河冰情计算中所需的关键参数。在此基础上进一步完善了冰
情模拟软件系统，开展了黄河内蒙古河段水温、冰盖厚度、冰盖前沿、流量等冰凌发展过程的模拟
和实测资料的对比验证。

2 河段断面和边界条件

内蒙古河段现有水文站 5 个（如图 1）：石嘴山、巴彦高勒、三湖河口、包头和头道拐，其中包头
水文站 2014 年 1 月 1 日才开始运行，计算所用的水文资料来自上述水文站。黄河内蒙古河段最新河道
大断面数据为 2012 年 10 月黄河水利委员会实测资料，从巴彦高勒到头道拐下游共测量 166 个河道大
断面。
2.1 河床断面 作为游荡性河道，黄河河道随水流条件的改变断面形状变化较频繁。图 2—4 为巴彦

高勒站、三湖河口站和头道拐站 2012—2013 年度凌汛前后大断面套绘图，分别比较了流凌前、稳定
封冻期和开河后断面的变化。巴彦高勒和头道拐断面凌汛后形状变化大，巴彦高勒河床最大淤积深
度可达 4 m，三湖河口主河床淤积整体超过 1 m。三湖河口位居倒“U”字形河道底部的中部，河床断
面变化不大。总之，内蒙古河道冬季流量小，过流能力低，河道呈现不同程度的淤积。黄河河道断
面冲淤变化频繁且断面形状改变较大，在冰情演变过程计算中，当年的河道断面同本年度水文信
息、冰情变化特征相联系。本研究采用 2012 年 10 月测量的河道断面资料，为了计算的准确性参数率
定、冰情模拟均采用 2012—2013 年实测的水文和气象资料。
2.2 冰桥位置 冰盖发展过程的模拟从冰桥起（Ice Bridging locations）向上游发展，也就是局部河段
的首封位置向上游推进，2012 年内蒙古河段最先封冻时间为 11 月 30 日，位于东经 109°54′12″和北纬

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