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水 利 学 报

２０２３年 ４月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ４期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０４ － ０４７４ － １２

黄河头道拐段冰输移及堆积过程数值模拟

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李 超 ，冀雪飞 ，赵水霞 ，ＨｕｎｇＴａｏＳｈｅｎ
（１．内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 ０１００１８；
２．水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 ０１００２０；
３．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｌａｒｋｓｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＰｏｔｓｄａｍＮｅｗＹｏｒｋ１３６９９，ＵＳＡ）

摘要：头道拐河段因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段最易形成冰坝的河段，研究该河段河冰输
移及堆积过程是理解内蒙古段河冰过程及卡冰结坝作用机理的关键。本文基于耦合的二维有限元水动力学模型和
ＤＰＭ（ＤｉｓｃｒｅｔｅＰａｒｃｅｌＭｅｔｈｏｄ）河冰动力学模型，模拟了黄河头道拐河段 ２０２０—２０２１年冬季封河过程并进行了验证，
讨论了不同水力条件、上游流凌密集度及河道形态对封河过程的影响。结果表明：相比于官牛犋弯道，河道弯曲
率大、束窄程度高的什四份子弯道更易形成卡冰，且流量越小，卡冰作用越明显，冰盖向上游发展速度越快。河
道流凌密集度小于 ０．４时，各种流量下研究河段未发生卡冰；流凌密集度增大至 ０．４，表面流冰首先在弯曲率系数
较大的什四份子弯道处形成卡冰，随着流凌密集度和流量的进一步增大，下潜并输移到下游的流凌也会在官牛犋
弯道形成卡冰，因此，头道拐河段形成卡冰的流凌密集度临界条件为 ０．４。应用冰水耦合二维动力学模型可以很
好地模拟天然河道河冰输移、堆积过程中河道的水力特性、冰厚增长及封河形态，揭示了影响河冰过程的相关因
素及作用机理，为黄河内蒙古段防凌减灾工作提供技术支撑。
关键词：黄河内蒙古段；河冰输移；卡冰结坝；河冰动力学；数值模拟
类
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分
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文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０６２９
中
１ 研究背景
冰塞（坝）是高纬度地区河流冬季封、开河期河道常见的冰凌现象。冰塞（坝）的发生会严重缩窄
河流过水断面，迅速壅高上游水位，可能造成水漫堤岸的情况，威胁两岸堤防安全。尤其是冰坝溃决
后促使槽蓄水迅速释放，继而会引发冰凌洪水。冰塞（坝）的形成始于河道的卡冰，河流卡冰常发生在
高纬度地区河流的弯曲段、浅滩以及河道比降由陡变缓的河段等 ［１］ 。在我国北纬 ３０°以北的河流，受
蒙古冷高压的控制导致冬季严寒且漫长，加之河道断面复杂，凌汛灾害频有发生。据不完全统计 ［２］ ，
１９５０—２０２０年黄河内蒙古段共发生冰塞、冰坝事件 ３３５次，其中冰塞凌情 １５次，冰坝凌情 ３２０次，
冰坝凌情占总凌情灾害的 ９５．５％。因此，冰坝是内蒙古段凌情灾害的主要表现形式。尤其近些年受气
候变化和上游海勃湾水利枢纽水力调控的因素影响，内蒙古段初始卡冰位置下移，自 ２０１４年海勃湾
水库运行 ８年以来，内蒙古段首封位置有 ４年均位于头道拐河段的什四份子弯道处。因此，分析什四
份子弯道河冰输移特性及堆积过程，揭示水力、冰情及河势等因素在卡冰结坝过程的作用机理，对于
研究内蒙古段冰凌问题及指导防凌减灾工作有重要的意义。
由于卡冰过程具有很强的突发性和随机性，传统野外观测和室内试验较难准确预测初始卡冰的位
置、时间并解释其机理过程。随着河冰理论及数值计算方法的不断发展，借助数值模拟可实现河冰过

收稿日期：２０２２ － ０８ － ０７；网络首发日期：２０２３ － ０３ － １６
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０３１５．１０３０．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５１９６９０２５）；内蒙古自治区自然科学基金项目（２０１９ＭＳ０５００６）
作者简介：李超（ １９８３ － ），博士，副教授，硕士生导师，主要从事河冰水力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｎｍｎｄｌｃ＠ｉｍａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通讯作者：冀雪飞（１９９７ － ），硕士生，主要从事河冰水力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｎｍｎｄｊｘｆ＠１６３．ｃｏｍ
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