Page 80 - 水利学报2021年第52卷第6期

4 结论

受季节性的河冰影响，北方河流的输水安全和河道演变需考虑水流、河冰、泥沙和边界的复杂相互
作用。本文首先总结了近几十年来河冰研究的主要进展和基本理论，包括冬季水体失热、河流产冰、封
河过程、开河机理和河冰影响等五个方面。基于上述理论基础，本文提出了二维河流水冰沙耦合数学模
型，创新性地将复杂水流变化、河冰运动、泥沙输运、河床冲淤变形及岸滩崩塌侵蚀过程耦合起来。该
模型分为二维水沙数值模块、河冰动力学模块和岸滩侵蚀模块。二维水沙数值模块采用非结构的有限元
法计算非恒定水流运动、泥沙输移和河道冲淤变化，能适应复杂河道地形条件。河冰动力学模块采用无
网格的光滑粒子法求解，能模拟冰塞冰坝等复杂河冰聚集和释放过程。岸滩侵蚀模块采用双泥沙休止角
法计算，能模拟不同含水层岸坡的崩塌和再平衡过程。新模型将河冰理论和水沙理论创新性地融合起
来，既满足河冰模拟需求，也适应水沙问题研究，能模拟北方河流全季节和河冰全过程的水冰沙相互作
用。二维水冰沙耦合模型的初步建立为北方河流防凌减灾和河流管理提供了有力的技术支撑。
二维水冰沙耦合模型主要针对沙质河道和岸滩而开发，尚不包括黏性土质岸坡和河床冲淤计算
模块，也不包括岸滩植被分析功能，不适于黏性岸坡稳定性分析和密集植被影响的河道模拟。针对
非黏性土和黏性土混合的复杂河道条件，还需进一步拓展该模型的水沙数值模块和岸滩侵蚀模块。
关于河流水冰沙耦合模型研究的系列文章分为两篇，本文主要介绍原理和方法，模型具体验证
与应用将在下篇给出。

参 考 文 献：

［ 1 ］ 王涛，杨开林，郭新蕾，等 . 模糊理论和神经网络预报河流冰期水温的比较研究［J］. 水利学报，2013，44
（7）：90-95 .
［ 2 ］ PROWSE T D，BELTAOS S . Climatic control of river-ice hydrology：a review［J］ . Hydrological Processes，
2002，16（4）：805-822 .
［ 3 ］ KNACK I，SHEN H T . Sediment transport in ice-covered channels［J］. International Journal of Sediment Re⁃
search，2015，30（1）：63-67 .
［ 4 ］ KNACK I M，SHEN H T . A numerical model for sediment transport and bed change with river ice［J］. Journal of
Hydraulic Research，2018，56（6）：844-856 .
［ 5 ］ BELTAOS S，PROWSE T D，CARTER T . Ice regime of the lower Peace River and ice-jam flooding of the
Peace-Athabasca Delta［J］. Hydrological Processes，2006，20（19）：4009-4029 .
［ 6 ］ ETTEMA R . Ice effects on sediment transport in rivers［C］/Sedimentation Engineering Processes，Measure⁃
/
ments，Modeling，and Practice，2008 .
［ 7 ］ PROWSE T D . River-Ice Hydrology［M］. Hoboken，New Jersey：John Wiley，2006 .
［ 8 ］ 茅 泽 育 ，吴 剑 疆 ，佘 云 童 . 河 冰 生 消 演 变 及 其 运 动 规 律 的 研 究 进 展［J］. 水 力 发 电 学 报 ，2002，76（1）：
153-159 .
［ 9 ］ 王军，赵慧敏 . 河流冰塞数值模拟进展［J］. 水科学进展，2008，19（4）：147-154 .
［ 10］ 杨开林 . 河渠冰水力学、冰情观测与预报研究进展［J］. 水利学报，2018，49（1）：81-91 .
［ 11］ 沈洪道 . 河冰研究［M］. 郑州：黄河水利出版社，2010 .
［ 12］ 夏军强，王光谦，张红武，等 . 河道横向展宽机理与模拟方法的研究综述［J］. 泥沙研究，2001（6）：71-78 .
［ 13］ 邓珊珊，夏军强，李洁，等 . 河道内水位变化对上荆江河段岸坡稳定性影响分析［J］. 水利学报，2015，46
（7）：844-852 .
［ 14］ 余明辉，邓银玲，白静 . 影响非黏性岸滩稳定坡度的机理研究［J］. 水利学报，2010，41（3）：356-360 .
［ 15］ PAN J . River ice and wintertime stream channel dynamics［D］. Potsdam：Clarkson University，2017 .
［ 16］ BELTAOS S . Progress in the study and management of river ice jams［J］. Cold Regions Science and Technology，
2008，51（1）：2-19 .

— 708 —