Page 76 - 水利学报2021年第52卷第6期

拟 ［54-55］ ，但开河相关的力学机制尚待完善。开河期碎冰块间歇性的运动和停滞易诱发链式冰坝的形成
和释放，伴随的凌汛洪水风险更高。开河冰坝最大的难题是冰坝坍塌释放机理和碎冰块与冰盖间的
相互作用机制，包括冰块与冰盖间的相互作用力及水对冰体的作用力等。此外，上游下泄的碎冰块
可能撞击挤压下游稳定冰盖，进而导致更多冰盖破裂，相关力学机理还需进一步研究。
2.5 河冰影响 冬季河冰运动和堆积可能影响水工建筑物运营及安全 ［56-58］ 。封河期生成的大量水内
冰能吸附在拦冰栅和取水管口，造成取水口堵塞，进而影响冬季供水和输水安全 ［25］ 。流凌运动直接
撞击或刮擦桥墩，严重的能引起桥墩混凝土表面脱落，影响桥梁结构的安全性。此外，桥墩结构所
在的断面容易造成浮冰堆积，促进冰塞冰坝的形成，引起凌汛洪水 ［59］ 。严重的冰坝能在桥梁或其它
阻水建筑物迎冰面形成较大推力，造成水工结构的破坏。
Ettema 和 Kempema 详细综述了河冰对沙质河床地形、泥沙输运、河岸侵蚀的影响，强调封河期
和开河期河冰运动对泥沙运动和河道演变的影响最为剧烈 ［60］ 。锚冰的释放能搬运大量泥沙，甚至输
运非冰期无法启动的卵石 ［37］ 。冰塞冰坝的形成和释放会导致河冰刮擦割蚀河岸，严重的能导致堤岸
崩塌破坏，诱发凌汛洪水。另一方面，岸冰的冻结能避免流凌直接刮蚀河岸，进而保护河岸 ［2，6］ 。受
限于冬季恶劣的天气条件、仪器装备的不足和理论的缺失，目前仍缺少关于河冰对河床冲淤影响的
研究，无法定量评估河冰对岸滩的刮擦侵蚀、冰盖下的泥沙输运和冰塞冰坝作用下的河道演变规律。

3 水冰沙耦合模型

3.1 河冰数学模型的基础 自从 1960 年代 Pariset 和 Hausser 将水力学基本方程引入到河冰冰塞分析，
众多研究者完善发展了冰塞理论，并促进河冰数学模型的产生和发展 ［16- 17，39，41，61］ 。基于静力平衡理论，
［62］
Flato 和 Gerard 开发了一维恒定流下的非平衡冰塞模型（ICEJAM） ，Beltaos 建立了考虑冰塞中水体渗流
［63］
的 宽 河 冰 塞 模 型（RIVJAM） 。 随 后 ， 静 力 平 衡 冰 塞 理 论 被 包 含 在 非 恒 定 一 维 商 业 模 型 中 ， 包 括
HEC-RAS和 MIKE11-ICE 等 ［64-65］ 。这些一维模型能预测冰塞冰坝等极限条件下的冰厚和水位上限，为冬
季凌汛防治提供了依据，但它们忽略了河冰运动的动力过程，并不能判断冰塞和冰坝形成的条件和位置。
Shen 等将一维非恒定圣维南方程与河冰运动、质量守恒和面密度平衡方程相结合，奠定了河冰
动力学模型的基础，能有效模拟河冰的运动以及冰塞的动态发展过程 ［46］ 。随后，Lal 和 Shen 建立了一
维非恒定流河冰数学模型（RICE），考虑水温变化、河冰热力生长过程及河冰运动与水流过程的相互
影响，能模拟水内冰、表面浮冰、岸冰和冰塞过程 ［66］ 。Shen 等在 RICE 的基础上进一步开发了 RICEN
模型，扩展了复杂河网模块、锚冰模块和基于输冰率的水内冰输移模块，并成功应用于黄河下游和
美国尼亚拉加河上游河道的河冰模拟 ［27］ 。随后，该一维河冰模型被升级为 CRISSP1D 和 RICE-E，能
完整考虑冬季河冰全生命周期的产生、发展和演变过程 ［48，67-68］ 。Pan 等基于 CRISSP1D 模型，开发了
考虑锚冰生长和释放的锚冰洪水波模块，揭示了锚冰引起的河床地形抬高、断面流量变化和河床综
合糙率变化，其中锚冰影响下的河床糙率变化是水位和流量波动的主要因素 ［25］ 。
为了考虑复杂地形和河岸的影响，Shen 等开发了二维河冰动力学模型（DynaRICE），采用基于欧
拉场的有限元法计算二维浅水方程，采用基于拉格朗日式的无网格光滑粒子法计算河冰运动，并应
用于密西西比河中游河段冰塞过程模拟，为寒区河流的防凌减灾提供了有效技术支撑 ［69］ 。随后，Liu
等 开 发 了 河 冰 全 生 命 周 期 的 二 维 数 学 模 型（Two-dimensional Comprehensive River Ice Simulation Sys⁃
tem，CRISSP2D），能模拟（1）复杂地形下的急缓流过程；（2）太阳辐射及风场影响下的水温升降规
律；（3）水内冰的生成及锚冰、岸冰和浮冰过程；（4）冰盖下的浮冰输移和沉降过程；（5）冰塞冰坝的
产生、发展和释放过程；（6）冰盖的热力增长和消融及武开河过程 ［70］ 。Knack 和 Shen 耦合二维河冰模
块与水沙数值模块，将 CRISSP2D 发展为 Hydro-Thermal-Ice-Sediment River Dynamics Model，能模拟
［4］
北方河流河冰影响下的推移质和悬移质泥沙运动及河床变形 。此后，Pan 和 Shen 将 CRISSP2D 发展
为 RICES2D，考虑河冰影响下的泥沙输运、河床冲淤变化及岸滩侵蚀等，为北方河流水冰沙耦合机
理研究奠定了基础 ［71］ ，也是本系列文章的前提。

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