二维水冰沙耦合数值模拟系统（RICES2D）

任务来源：

技术领域：水土保持

技术来源：自主研发。

技术原理

基于冰水双层流动过程，以水流和河冰的连续性方程和运动方程为基础，建立了耦合非恒定水流运动、河冰动力和热力变化、泥沙输运、岸滩侵蚀和河床演变的二维水冰沙耦合数值模拟系统（RICES2D）。该系统是河冰领域唯一考虑水冰沙耦合作用的全二维平面数学模型，突破了目前一维河冰模型忽略泥沙影响、适用范围有限的技术瓶颈，可精细模拟冰凌生消、河床和岸滩变化、冰塞冰坝形成释放和冰凌洪水全过程，更真实反映自然河流冬春季冰情物理规律。该系统可应用于水冰沙输移及河道演变研究及冬季凌汛灾害分析，尤其适用于多沙河流如黄河等的冰情模拟，为河流的冰害防治提供技术支撑。

技术特色

（1）采用非结构的有限元法计算水沙运动，能较好地适应自然河流的复杂边界问题，应用范围广。（2）二维河冰模块采用无网格的光滑粒子法计算河冰运动、堆积、下潜及加厚过程，能准确模拟河冰的产生、输移和热力生长消融过程，揭示冰塞和冰坝的发展和释放规律，为凌汛灾害预警提供有力的科学依据。（3）考虑了河冰和水流共同作用下的岸滩侵蚀过程和河岸变陡失稳及崩岸土体堤脚再分布过程，通过河冰对岸滩的刮擦作用力和水流拖曳力与泥沙临界起动拖曳力的对比确定输沙率，能适应自然河流条件。（4）岸滩崩塌模块采用双泥沙休止角法判断不同泥沙颗粒级配和岸滩土体含水量条件下的稳定坡面，能更真实反映自然河流的岸滩演变过程。（5）模型通过给定耦合时间下的水流特征、泥沙信息、河冰过程及岸滩位置的信息传递与反馈，揭示各要素变化条件下的水冰沙运动规律，综合考虑复杂条件下的动力特征和地形约束，提高河冰数值模拟能力。

技术指标

（1）在给定初始冰厚、冰的面密度和冰速条件下，采用非结构网格的有限元法计算水流运动、水温变化、泥沙输运和河床变形等水动力过程。（2）在模拟的水温和水动力条件下，利用无网格的光滑粒子法模拟河冰的热力学和动力学过程。（3）在给定的耦合时间（如每10min）下，将水动力学模型模拟的水位、流速、流量、水温、河道地形传递给河冰模型，然后将河冰模型模拟的冰厚、面密度、冰速反馈到水动力模型，对水流、泥沙运动和河岸变形进行校正。（4）准确模拟出不同自然河流条件下的水冰沙要素全过程变化，模拟的冰塞冰坝洪水位和流量精度为5%，计算的冰厚、输冰量、冰的面密度、冰浓度、输沙量、岸滩侵蚀速率及河冰引起的地形变化精度为10%，满足《水文情报预报规范》要求。

应用范围及前景

适用于北方河流、湖泊、调水工程和城市河流的冬季河冰模拟预报、河道演变及高纬度寒区河流的冰害防治。典型应用案例：案例1：应用单位山西省水利水电勘测设计研究院有限公司。应用于山西省万家寨引黄入晋工程连接段清徐原水直供工程西干渠冬季输水模拟研究，分析了河冰对渠道的输水能力、运行调度和工程安全等方面的不利影响, 防止流冰堵塞多级闸门和倒虹吸结构，为西干渠的安全输水调度和渠道冰塞冰坝防治提供了有效的数值模拟技术，能保证北方河流冬季输水安全，取得了显著的经济效益。案例2：应用单位加拿大BC Hydro。应用于加拿大皮斯里弗河冰模拟，针对2014～2016年连续两个冬季封河期的锚冰过程开展数值分析，揭示了锚冰生长和释放所引起的洪水波传播过程，该洪水波能引起下游冰盖的水力加厚和冰塞冰坝形成，进而影响皮斯城附近堤岸的防洪安全。研究首次发现锚冰生长和释放引起的洪水波过程，该洪水波能引起水位和流量高达30%的振荡，该洪水波主要是由于锚冰引起的河床高程变化、流量变化及河道整体糙率变化引起。本数值模拟系统能较好地模拟锚冰洪水波的产生、发展、传播及耗散过程，设计了加拿大皮斯里弗河有关水电站的泄水方案，为冬季凌汛防治和冰塞冰坝的预防提供了有效的科学依据。案例3：应用单位美国纽约州电力管理局。应用于美国尼亚拉加河发电站取水口的防冰凌问题研究，针对不同年份的河道地形条件、气温变化和典型水文过程，设计了不同流量下的取水方案，分析不同工况下河冰输移特征及河冰堵塞取水口的临界条件，为冬季流凌条件下的取水和防冰塞提供了有力的科学依据，大幅提高了发电站冬季流凌下的取水流量，增加了水电站的发电量。研究表明当取水流量在1975年取水标准的基础上增加10%，在2月中旬大量上游来冰达到取水口前减少50%的取水量，能有效减少引水口的河冰堆积，进而壁面冰塞或河冰堵塞取水口，保障水电站冰期的安全运营，提高可用于发电的水量，在兼顾防凌要求的前提下保障水电站的经济效益，取得显著经济社会效益。

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郭新蕾

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