（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于人工神经网络的冰情预测研究.pdf

中文摘要 河流冰情预测是人们一直关注的重要课题，但由于影响冰情的各因素与冰情 的发展之间没有确切的函数关系，目前冰情预测领域的许多问题还没有得到很好 的解决，特别是开河预报和冰塞冰坝的预报。人工神经网络以其很强的非线性映 射能力，在解决冰情预测问题方面具有很大的优越性。 通过河流冰情生消演变的分析，总结出了影响河流冰情的因素，包括热力因 素、动力因素、河道形态、人为因素、上下游影响和地表径流六个方面。除河道 形态是短期内固定值外，上述每个因素的大幅度变化都有可能成为冰情发展的控 制因素。 依据开河机理，结合松花江哈尔滨站的历史资料，设计出了哈尔滨站开河日 期预报的两个数学模型。模型一所考虑因素的数据距离发生开河的时间更近，影 响关系密切，是具有可期待的、前瞻性的工作成果，它的精度保证也将依赖于天 气和水文等预报水平和精度的提高。模型二操作简便，不受将来 天气和水 文等预报数据控制，但由于考虑因素距离实际开河发生日较远，导致相关性不太 强，对预报精度造成一定的影响。在实际操作中可以将两个模型联合使用。考虑 到模型一的实际应用问题，采用循环递进的方法建立了模型一的实用预测模型。 经验证表明，此方法是可行的。本文中的人工神经网络均采用单隐层的b p 网络， 训练方法采用l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算法。 利用v i s u a l b a s i c 和m a t l a b 开发出的冰情预测系统程序可以作为人工神经网 络模型训练和冰情预测的平台，程序被设计成下拉菜单和控制按键的结构型式， 可以在不了解人工神经网络理论的情况下进行操作。 关键词：河流冰情预测，人工神经网络，l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 算法，开河口期， v i s u a lb a s i c a b s t r a c t r i v e ri c ec o n d i t i o nf o r e c a s t i n gi sa ni m p o r t a n tp r o b l e mt h a ti sa l w a y sc o n c e m e d b yp e o p l e b e c a u s et h e r ei sn od i s t i n c tf u n c t i o nr e l a t i o nb e t w e e nf a c t o r sa n di c e c o n d i t i o n ，l o t so fp r o b l e m sh a v en o tb e e ns o l v e dc o m p l e t e l y ，e s p e c i a l l yi nt h e f o r e c a s t i n go fb r e a ku p ，f r e e z eu p ，i c ej a ma n di c ed a m g o o dn o n l i n e a rm a p p i n g p o w e rg e t s a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt h ea d v a n t a g et os o l v et h ei c ec o n d i t i o n f o r e c a s t i n gp r o b l e m w i t ht h ea n a l y s i so ft h ea p p e a r , d i s a p p e a ra n de v o l v e m e n to ft h ef i v e ri c e c o n d i t i o n ，s l a mu ps i xa s p e c t so ft h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h er i v e ri c ec o n d i t i o n , c o n s i s t o fh e a tf a c t o r , d r i v ef a c t o r , f i v e rc h a n n e lc o n f i g u r a t i o n ，p e o p l ea c t i o n ，e f f e c to fu pa n d d o w ns t a t i o n sa n dd i r e c tr u n o f f e x c e p tt h ef i v e rc h a n n e lc o n f i g u r a t i o ni ss e t t l e di na s h o r tp e r i o d ，a n yb i gc h a n g eo fo n eo ft h ef a c t o r sc o u l db et h ed o m i n a t ef a c t o ro ft h e i c ec o n d i t i o n sd e v e l o p m e n t t w ob r e a ku pd a t ef o r e c a s t i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l so fh a e rb i ns t a t i o no ns o n g h u ar i v e rw e r ef o u n d e d ，b a s e do nt h em e c h a n i s mo ft h eb r e a ku pa n dt h ei c e c o n d i t i o nd a t ao ft h es t a t i o n t h ef i r s tm o d e li saw i t h i np r o s p e c to fa n df o r w a r d l o o k i n gp r o d u c t i o n ，b e c a u s ei t sd a t ao ff a c t o r si sc l o s et ot h eb r e a ku pd a t e b u ti t s p r e c i s i o ni sr e s t r i c t e db yt h ep r e c i s i o no fa i ra n dh y d r o l o g yf o r e c a s t i n g t h es e c o n d m o d e li se a s i l yt oh a n d l ea n di s n tr e s t r i c t e db yt h ep r e c i s i o no fa i ra n dh y d r o l o g y f o r e c a s t i n g ，b u ti t sp r e c i s i o ni si n f l u e n c eb yc o n s i d e r i n gt h ed a t ai sf a rw i t ht h eb r e a k u pd a t e t h et w om o d e l sc a nb eu s e dt o g e t h e ri na c t u a lu s e c o n s i d e r i n gt h ea c t u a l p r a c t i c eo ft h ef i r s tm o d e l ，t h ea p p l i e dm o d eo ft h ef r s tm o d ew a sf o u n d e dw i t ht h e i t e r a t i v ea l g o r i t h m i ti sp r o v e dt h a tt h em e t h o di sd o a b l e t h ea r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r ko ft h i sp a p e ri sb pn e t w o r kw i t ho n eh i d d e nl a y e r , a n dt h et r a i n i n gm e t h o di s l e v e n b e r g m a r q u a r d ta l g o r i t h m t h ep r o g r a mo fi c ec o n d i t i o nf o r e c a s t i n gs y s t e mw h i c hi sp r o d u c eb yv i s u a l b a s i ca n dm a t l a bc a nb eu s e da st h ep l a t f o r mf o rt r a i n i n gt h em o d e lo ft h ea r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r ka n dt h ef o r e c a s t i n go ft h ei c ec o n d i t i o n t h ep r o g r a mi sd e s i g n e dt ob e t h ef o r mo fm e n ua n dc o m m a n db u a o n ，a n dy o uc a nu s ei tw i t h o u tt h ek n o w l e d g eo f a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k k e yw o r d s ：r i v e ri c ec o n d i t i o nf o r e c a s t i n g ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，l e v e n b e r g m a r q u a r d ta l g o r i t h m ，b r e a ku pd a t e ，v i s u a lb a s i c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作撇：夕海 槲期：”椤年删日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权晚明) 学位论文作者虢夕海 签字日期：力年月f 日 导师签名： 签字日期：扫驴7 年月2 日 第一章绪论 1 1 本课题研究的工程背景 第一章绪论 松花江是黑龙江最大的支流，上游有两源，其一为源于白头山天池的第二松 花江，另一为源于小兴安岭的嫩江。以白头山天池为主源，第二松花江由东南向 西北流，在黑龙江省与吉林省交界处、松原市北面的三岔河附近与嫩江汇合后， 转向东北流，于同江附近入黑龙江。长2 3 0 8 千米，流域面积5 4 6 万平方千米。 松花江干流河道大都有较深而宽的河槽，坡度平缓，水量丰富，利于航运，由西 南向东北流经肇源、双城、肇东、哈尔滨、木兰、通河、依兰、汤源、佳木斯、 富锦、绥滨、同江等1 9 个县市和1 0 个国营农场。松花江干流三岔河一哈尔滨段 为上游，河道长2 3 2 k m ，此段流在松嫩平原上，河床坡降平缓，水流缓慢，河 道宽约4 0 0 8 0 0 米，蛇行现象发育，有许多河中岛；哈尔滨一佳木斯段为中游， 河道长4 4 4 k m ，河流穿越张广才岭和小兴安岭之间，坡度较大，江岸常有断崖耸 立，两岸多台地，在依兰附近形成的依兰浅滩，通称三姓浅滩，长达2 7 千米， 河宽变窄，最窄处仅2 5 0 3 0 0 米，并有不少岩石出露水面，为松花江上有名的 “铁门槛”，常给航运造成很大的威胁；佳木斯一同江段为下游，河道长2 5 2 k m ， 佳木斯以下，进入三江平原，河面宽阔，最宽可达5 千米。河水受黑龙江干流 洪水顶托，回水可上溯8 0 千米以上。松花江通航里程1 4 4 7 公里。汽轮可上溯到 吉林市，沿嫩江可上溯至齐齐哈尔市，哈尔滨以下可通航千吨以上的江轮。通航 期为4 月中旬至1 1 月上旬。松花江流域属寒温带大陆季风气候区，受西伯利亚 冷气流的入侵，冬季漫长严寒。松花江径流主要靠降水补给，冬季结冰，河流封 冻期( 1 1 月至翌年3 月) 约5 个月，河面冰层厚度一般可达0 8 1 m ，最厚可达 1 6 m 。多年平均径流量7 7 7 亿多立方米，水量年际变化大，最大、最小年径流量 的比值达3 2 9 倍，且由山区向丘陵和平原增大。水力资源理论蕴藏量近6 6 0 万千瓦。流域内森林茂密，覆盖率达到4 4 ，河水含沙量很小，多年平均含沙 量仅0 1 5 7 千克立方米。 松花江在航运、发电方面具有非常重要的作用，但到目前为止，松花江上冰 情预测的研究比较少，对进一步的开发利用松花江上的资源形成了一定的制约。 通过整理哈尔滨站1 9 5 3 年一1 9 8 8 年的冰情数据可以看出( 见表卜1 ) ，流凌开始 最早和最晚时间最多相差2 2 天( 春季) ，结束最早和最晚时间最多相差2 7 天( 秋 季) ，持续最长可达3 5 天( 秋季) ，最短只有1 天( 秋季) 。可见不同年份流凌开 始、结束和持续时间的变化是很大的，直接影响到该流域两岸的生活、生产相关 第一章绪论 事宜的决策及江航运输的调度，所以对松花江上的冰情进行预测是一项非常具有 实用价值的课题。 表1 1 松花江哈尔滨站冰情资料统计 流凌开始时司( 月日) 流凌结束时间( 月日)流凌持续时间( 天) 季节 最早最晚最早最晚最长 最短 春季 3 2 54 1 64 34 2 3 l l2 秋季 1 1 11 1 2 l1 1 81 2 53 51 1 2 冰情预测的研究现状 冰情预报是利用影响河流冰情的前期气象因子预报流凌开始、封河与开河时 间、冰厚、冰塞、冰坝及凌汛的最高水位等。按预见期长短可分为短期预报、 中期预报、长期预报和超长期预报。预见期随水文预报方法的不同而异，习惯上 把主要依水文要素做出的预报称为短期预报，把包括气象预报性质在内的水文预 报称为中长期预报。 我国冰情研究起步比较晚但发展很快。随着研究工作的逐渐深入，在冰情研 究方面的发展主要体现在预报方法由经验统计到经验相关逐步上升到建立在理 论基础上的数学模型，预报精度逐渐提高。冰情预报方法从根本上说可以分为统 计预报和数值预报两类。统计预报是根据各观测点记录的冰情数据，进行统计分 析后，进行的冰情预报。数值预报主要根据河冰的物理过程的原理和方法，通过 气候及冰情历史资料的统计分析，根据河冰动力学和热力学原理，提出适合于冰 动力热力学的模式，实现河流冰情数值预报。由于河流冰情现象的复杂性和 冰情观测资料的限制，加上预报要素与预报因子之间并无确定的函数关系，所以 目前冰情预报主要采用经验方法和统计分析方法。常用的方法有以下三种： ( 1 ) 预报指标法。用指标法进行冰情预报，主要是在2 0 世纪五六十年代， 可以进行流凌口期、封河日期、开河日期和开河凌峰流量的预报。寻找预报指标 是统计预报中最简单的方法。预报指标通常的含义是：当一个或几个气象、水文 因子或几个因子的组合达到某临界值时，某种冰情现象即可发生，因此可以将预 报因子的前期数量指标视为一种“信号”，用于预报后期可能出现的冰情现象。 预报指标可根据群众经验，以谚语和专业人员实践为线索，通过历史资料的普查、 统计和验证，用选取的与要素关系良好的因子之临界值的方法确定。 指标法用起来比较方便，但存在的问题是：部分项目预见期短，比如 第一章绪论 开河日期的预报需要用到开河期瞬时最高水位，如果瞬时最高水位用实测值，则 没有预见期，如果瞬时最高水位提前预报出来，则会出现累积预报误差。考虑 因素不全，如开河凌峰流量预报，仅考虑槽蓄水增量的大小，而没有考虑槽蓄水 增量释放速度、事实上槽蓄水增量释放速度对开河凌峰的大小影响很大。由于考 虑因素不全，必然造成较大误差，若用上站凌蜂预报下站凌峰，则预见期仪有2 3 大，甚至1 天。每年预报同一项目所用指标和指标大小都一样，由于冰情 演变比较复杂每年情况差别很大，所以指标法会造成些年份误差较大的现象。 ( 2 ) 点聚图法。点聚图是用图形来分析离散型要素与预报因子之间相关关 系的一种简便方法。图形一般选用直角坐标。单因子点聚图可以要素为纵坐标、 因子为横坐标：双因子点聚图则可将两个因子分别作为纵、横坐标，每组因子对 应为一点，相应的要素状态标记在点聚旁。冰情预报方案多为包含气象水文两类 因子的双因子点聚图。点聚图的分析应遵循客观分析原则。 点聚图法所能考虑的因素较少，只能建立一两个因素与预报项目之间的关 系，预报精度不高。 ( 3 ) 回归分析法乜3 1 。所谓回归分析法，是在掌握大量观察数据的基础上， 利用数理统计方法建立因变量与自变量之间的回归关系函数表达式( 称回归方程 式) 。回归分析中，当研究的因果关系只涉及因变量和一个自变量时，叫做一元 回归分析；当研究的因果关系涉及因变量和两个或两个以上自变量时，叫做多元 回归分析。此外，回归分析中，又依据描述自变量与因变量之间因果关系的函数 表达式是线性的还是非线性的，分为线性回归分析和非线性回归分析。通常线性 回归分析法是最基本的分析方法，遇到非线性回归问题可以借助数学手段化为线 性回归问题处理。回归分析是一种基本的统计预报方法，其主要的应用形式有两 种： 经验相关法。经验相关法主要在2 0 世纪6 0 一8 0 年代应用，并且预报方 法和预报项目在逐年的应用中不断修订和完善。预报项目有初始流凌日期、流凌 密度、封冻趋势、初始封河日期、封冻长度、冰量、封冻历时、开河趋势、开河 日期、开河最大流量及开河晟高水位等。经验相关可分成前期水力、热力等因子 与后期冰情要素之间相关和上、下游相邻河段冰情要素之间的相关两类，一般用 相关图形式表示。经验相关图可以是一条曲线，也可以是几条曲线构成的曲线族。 本方法较指标法有所进步。指标法为纯经验统计，而经验相关法基于一定的物理 基础，考虑了影响冰情的热力因素和水力因素，从预报项目到预报精度上都更加 完善和精确。预报项目有初始流凌日期、流凌密度、封冻趋势、初始封河日期、 封冻长度、冰量、封冻历时、开河趋势、开河日期、开河最大流量及开河最高水 位等。 第一章绪论 回归方程法。回归方程是根据要素与因子的观测资料求出的两者之间的 数学关系式，之中的参数按最小二乘原则确定。当因子较多时，应选择与要素之 间存在成因联系、经相关分析后确定的主要因子进入回归方程。由于回归分析使 用的要素和因子资料是同步观测资料，所以经一次回归即可求得方程中的各个参 数。 利用回归分析法进行冰情顶报有一定的物理成因基础，较指标法有进步，从 整体来说精度也较高，但是仍存在下列问题：a 考虑因素不全。由于受预报手段 以及当时冰凌研究水平的约束。普遍存在进行预报时因素考虑不全的现象，要么 热力因素考虑不全，要么没有考虑水力因素，所以引起一些年份误差较大。b 属于静态预报法。回归分析法与指标法类似，都属于静态预报法，即每年都用固 定时间内的相关因素值或固定指标进行预报出于冰情演变比较复杂，每年情况 差别很大，处于动态变化之中，所以用这种方法进行预报会出现预见期短、相关 因素代表性不好、一些年份误差大等问题。c 应用条件受到限制。随着时间的推 移，整个大气环境，地域气候以及河道条件都在发生变化。这必然会导致冰情的 变化，所以以前建立的预报方案是否适用都需要再分析研究。d 预报方法比较落 后。有些预报方案不方便建立关系式，预报时只能查图，这样一方面太慢，另一 方而每个人查的可能都不太一样，具有主观性。不能满足现代防凌工作的需要。 除了上述的经验统计方法外，2 0 世纪9 0 年代以来，逐渐学习围外冰情模拟 技术，建立了各种冰情预报数学模型h 1 。数学模型具有精度高且比较稳定、预 见期长及可以进行连续快速计算预报等优点。预报项目主要有流凌日期、封河日 期、冰盖厚度、开河日期、开河最大流量及最高水位等。冰情预报数学模型，是 一种理论与经验相结合的方法，一方面是建立在热力学理论与冰水力学基础上， 另一方面又用实测资料率定参数，具有精度较高、预见期长、预报项目全、预报 手段先进、快速和可以进行动态预报与实时修正相结合等优点。但是由于冰凌演 变的复杂性，冰情预报数学模型还存在以下问题：a 冰情预报的精度和预见期依 赖于气温预报的精度和预见期，所以提高气温预报的精度是提高冰情预报精度的 关键。b 封河预报研究得比较成熟，黄河上的研究较多，开河预报、冰塞壅水计 算和冰坝预报还需要进一步完善。c 冰情预报数学模型中，对风力的影响一般忽 略不计，是由于缺少这方面的观测资料，其实风力对封河、开河等都有较大影响， 因此以后需要将风力因素考虑到模型中。 1 3 工程研究的意义 在高纬度地区的河流，每年都会出现冰封期。在我国北方，每年冬季江河均 第一章绪论 会出现不同程度的冰凌现象。河流中的冰凌不仅直接影响到航运、交通、引水发 电、给排水等水利工程建设事业，而且当冰凌严重阻塞河道时，往往会导致凌洪 泛滥成灾，摧毁水工建筑和堤坝，给两岸人民的生命财产造成重大损失。所以流 凌产生的时间一直是人们关注的一个重要问题，准确的流凌产生时间的预报可以 使有关部门提前做好防凌准备，采取有效的破冰防凌措施，并可以提前安排河道 的航运计划。由于冰情预报涉及到的影响因素非常复杂，如何准确的预报冰情一 直是人们关注的重要课题。 人工神经网络可以通过自学习能力掌握河流的冰情与各个影响因素之间的 关系，可以在人们不清楚各个因素确切的函数关系的情况下进行冰情预测，特别 是开河预报。基于人工神经网络建立的冰情预测模型具有良好的可塑性，随着研 究的深入和资料的丰富，可以方便的在模型中加入新的冰情影响因素，使模型更 加的完善。所以基于人工神经网络的冰情预测研究具有很广阔的前景。 本文通过对河冰生消演变机理和人工神经网络特点的分析，将人工神经网络 理论应用到冰情预测中，建立了河流的封、开河数学模型，并结合松花江哈尔滨 站的历史观测数据，建立了哈尔滨站开河日期预报的两个模型，并且预测结果良 好。同时，为了方便的进行冰情预测，开发出了冰情预测系统程序，操作人员不 需要对神经网络知识的了解便可以轻松的进行冰情预测。 第二章河冰的生消演变及其影响冈素分析 第二章；- - i 冰的生消演变及其影响因素分析 2 1 河冰的生消演变过程及研究现状 河冰是在特定的气象条件、地形河势和水力作用下产生的自然现象n0 1 。研究 河冰生消演变及其运动规律，进而结合气象、水文、冰情历史资料、现时信息和 河道特征，应用热力学和水力学原理，对各种相关的冰情要素进行预报，将对准确 地进行冰情预报有重要的意义。河冰生消演变及其运动是一个非常复杂的物理过 程，涉及到水动力、机械力和热力等因素的相互作用，同时还受到气象和水文条件 的影响。按照河冰的形态变化可以把河冰的生消演变分为结冰期、封冻期和解冻 期三个阶段。 2 1 1 结冰期 河流中的水形成冰，冰随着水流动，直至流冰在局部断面受阻封冻为止。这 一时期被称为结冰期。在结冰期内，既有冰的生成，又有冰的运动，为方便起见， 把这一时期分为两部分进行论述，即成冰和流凌因为河道中的水是在流动过程 中形成冰，同时，冰又是在水体运动过程中进行演变，因此也有学者把河流结冰 期称为流凌期，把结冰过程融合在流凌过程中。 ( 1 ) 成冰 初冬，当水温降到零点后，进一步的冷却导致河水处于过冷却状态，随之形成 水内冰。河流水温的变化取决于水体与周界环境的热交换，其中包括水与大气热 交换、水与河床的热交换，有冰盖后还有冰盖与大气的热交换、水与冰盖的热交 换。水与河床的热交换量较小，因此水与大气的热交换起主导作用，当气温低于 水温时，水面向大气散热，直至水温小于等于零度。水内冰是封冻期形成各种类 型河冰的起源。河道中最初诱发水内冰形成，主要是由于水表面上水流热交换产 生过冷却，从而在水体表面产生初成冰晶。天然河道内水的流动，一般是紊流状 态。水流的紊动作用再加上风的影响，使全断面的任何地方都会有冰晶出现。随 着温度继续下降，冰晶也随之增多，在紊动水流过冷却条件下，水内冰晶尺寸增大， 同时经水流的混掺作用，初成冰晶互相粘结聚集，逐渐发展为各种尺寸及形状的 水内冰。所以，河流不仅在水面形成薄冰和岸冰，在水内、河底也形成海绵状多空 隙的水内冰。一般将悬浮于水中的水内冰、薄冰和破碎的岸冰统称为冰花。附着 第二章河冰的生消演变及其影响因素分析 在河底或其他水下物体上的水内冰称为锚冰或底冰。h a 咖n a r 和s h e n 1 应用二维 紊流模型，考虑热力增长、二次核晶和絮凝，对渠道中冰晶的演变发展进行了分析 研究。进一步的论证工作需要水内冰浓度的测量技术的研究开发，从而可以获得 现场原型测量数据。 浮冰的形成取决于水表面温度和水流的紊动强度，目前还没有合适的理论公 式。m a t o u s e k n 幻通过对o h i o 河道现场观测结果，提出了浮冰和水内冰形成的经 验判别法则。水面浮冰和悬浮于水内的水内冰浓度分布可由对流扩散方程表示。 漂浮至水面的水内冰将进一步发展成冰盘，并由于水中悬移冰的进一步聚集、孔 隙水冻结和热力增厚等，冰盘的尺寸和强度将不断加大。在随水流向下游运动的 过程中，冰盘可能会继续积聚冻结发展成为浮冰块，若遇上急流河段，则有可能破 裂成为碎冰。由于表面冰的绝热作用，水表面被冰层部分覆盖的河段，其产冰量将 会减少。对于冰盘的形成和浮冰块的演变发展，除了定性描述外，还没有进一步的 定量研究成果。 与此同时，随着锚冰体积的增大，其上浮力大于与河底的粘着力时，锚冰也会 向上漂浮。锚冰的形成将引起水流流动阻力、水位和流量发生变化。但是，至今 对河渠中锚冰演变发展的研究成果非常有限，目前仅有少量理论分析和实验研究 成果。 静状冰一般指生成于河道缓流区或岸边，冰晶在过冷却表层形成并停滞在水 面以缓慢的方式生成演变的岸冰。它的生成及消减受热力因素影响较大。岸冰的 这一热力形成现象至今没有得到很好的解释。除了静态热力方式形成岸冰，还会 因为在河岸或已经存在的岸冰边缘附近，表面流冰积聚堆积而形成岸冰。岸冰一 旦形成，由于水面浮冰的积聚，岸冰可能朝横向发展。岸冰宽度的增长取决于表面 流冰与岸冰边缘接触的稳定性。同时也受表面流冰密度的影响，一般来说，岸冰宽 度的增长速率与浮冰密度成正比。m i c h e l 等n 3 1 通过对s t a n n e 河道冰情观测， 认为影响岸冰产生及发展有五个基本因素，即局部热交换、岸边流速、浮冰密度、 河段几何形状及水深，并提出了计算岸冰增长的经验公式。当断面平均流速超过 某一临界值，岸冰宽度增长将停止。m a t o u s e k 等n 2 1 经现场观测研究，发现这一临 界流速值为0 4m s 左右。s v e n s s o n 等n 钉对岸冰形成增长的二维数学模型进 行了研究，并通过与l u l e a 河道现场量测资料相比较，提出了岸冰形成的经验公 式。 在低流速河段，有可能形成完整的表面冰层，而在流速较大河段，取决于流速 的大小，将发生表面薄冰和悬浮于水中的水内冰分层输移，或水内冰随水流的混 合输移现象。为了从理论一1 - 证实，需要应用两相流紊动混掺理论进行理论分析研 究。另外，在河道低流速区，水流的紊动强度不足以使水体及水内冰晶沿水深方向 第二章河冰的生消演变及其影响因素分析 混合，因此，在断面平均水温降至零点之前，河道中有可能形成表面薄冰层。 ( 2 ) 流凌 流动的冰称为凌，冰在水面或水体中随水流动成为流凌。流凌包括冬季封河 流凌和春季开河流凌，前者以冰花为主，后者以碎冰块为主。这里介绍的是封河 流凌。 岸冰脱落或水内冰上浮随水流动即开始流凌，流凌起始日期是指某河道的局 部地段或断面首次出现流凌的日期。从流凌出现日起，到局部河段或断面封冻日 止，这一时段称为流凌期。流凌期的长短，取决于气温的变化、流量和流速的大 小，其中气温是起主导作用的因素，而流量和流速的大小可以推迟或提前封冻日 期。气温和流量、流速的不同组合使流凌期长短不一。 流冰的来源有岸冰脱落而成的冰块，有水内冰、河底冰脱落上浮水面的冰花、 冰淞，亦有阵雪与水面冰晶、冰淞凝结在一起形成的冰花团。流冰的形状无一定 的规律，小的有如卵石形的冰珠、冰粒，大的有棉花状的冰花团，还有互相碰撞 成菱角状的冰块。 河道流冰的多少可用流凌密度来表示。流凌密度是指在观测河段内流冰的水 面面积和同水位畅流水面面积的比值，即 d ：上1 0 0 f ( 2 1 ) 式中：d 一流凌密度； 厂一观测河段内流冰所占的水面面积； ，同水位畅流水面面积。 一般规定d 3 0 时称“稀疏流冰”，3 0 d 7 0 时称为“全面流冰”。 流凌密度的大小主要受气温的影响，在流凌期内，气温不断下降，水和大气、 冰和大气继续进行热交换。通过热交换、一方面水体不断产生新的冰晶、冰淞体， 另一方面冰体互相冻结，促使体积增大、强度增加。随着流冰的增多增大，水面 不断被冰块充塞，水与大气的热交换机遇减小，冰与大气的热交换机遇增加。由 此可见，流凌密度随气温的下降而增加，气温下降得快，密度增加得也快。 在流凌期内，由于水内冰和水面冰的阻水作用，使流速减小，同流量的水位 要比畅流期的水位高。 第二章河冰的生消演变及其影响囚素分析 2 1 2 封冻期 河道封冻是指河段内出现横跨两岸的稳定冰盖，其敞露水面面积小于河段总 面积的2 0 左右。河道封冻多数不是在全河段同时发生，它有一个封冻发展的过 程，初始封冻可能先在某一断面或几个断面发生，然后向上、下游发展，逐渐形 成全河段封冻。一般指的封冻日期是河段内某段面首次出现封冻现象的日期。全 河段封冻后，表示进入稳定封冻期。稳封期是一个年度中气温最冷的时段。习惯 上常常把河段封冻日期至全河段解冻开通之日所经历的时间称为封冻历时。 ( 1 ) 初封期 大河流的封冻，除了少数河道流向和纬度方向一致，且在强寒流袭击下能全 河段同时封冻外，多数河流的起始封冻是在水力、热力及河道边界条件的综合影 响下先在某一个断面封冻，也可以在几个断面处先后封冻。 初始封冻根据不同的成因分为两种封冻形式：由于漂浮水面的冰花、冰块 达到一定的覆盖密度，当流冰所受的阻力大于水流的输移力时则开始封河，尤其 是流冰在行进中遇到弯道、分叉、浅滩、束窄断面发生卡堵、滞留，而后继来的 流冰连续堆积或平铺，最后冻结成冰盖，初始冰盖的形成表示该河段进入初封期。 河道缓流区两岸生成岸冰，在冷空气影响下，岸边水流流速很小时( ( 0 4 m s ) ， 岸冰可以自由发展i 并向河心延伸，当河心流凌密度很大且输冰能力较小时，两 岸延伸的岸冰可以相互连接成一个或几个冰桥。冰桥是上下游为较长距离的流凌 水面、中间为横跨断面的固定冰盖。 与静水中因热力作用形成的平整而光滑的冰盖不同，河道上的冰盖是由顺流 而下的流冰受阻滞后而形成的。受上游来冰情况和水流条件的影响，河流中冰盖 向上游发展有两种基本形式：平封和立封。平封冰面平整光滑，冰盖由冰块并置积 聚形成，多发生在河道顺直、水流比较平缓的流凌河段上。当河段流速较大，或 受大风影响，致使冰花相互挤压堆迭，结成冰盖后表面起伏不平，犬牙交错故称立 封。当流速大到一定程度时，在立封冰盖向上游延伸的同时，还会出现冰块和冰花 随水流下潜，并堆积在初封冰盖底下的现象，称之为初封冰塞。冰塞是河流在初封 期形成和发展的一种特殊冰情现象，冰塞阻力能大幅度地抬高水位，是一种灾害 性的冰情现象。 p a r i s e t 和h a u s s e r ( 1 9 6 1 年) 最先就冰盖前缘的水动力条件与流冰在冰盖 前缘的聚集类型进行了研究，后来其他研究工作者对p a r i s t 和h a u s s e r 的研究 成果进行了进一步的完善和拓展。他们的研究结果表明，若冰盖前缘的水流佛汝 德数( 厅) 小于第一临界佛汝德数( 即来冰在冰盖前缘向下旋转并潜没的临界佛 汝德数) ，则产生平封冰盖，冰盖以并置积聚形式向一k 游推进，其推进速度由质量 第二章河冰的生消演变及其影响因素分析 守恒原理确定。s h e n 等n 钉建议以断面最大佛汝德数代替断面平均佛汝德数值。 野外现场观察结果表明这一值约为0 0 9 ；如果水流佛汝德数超过第二临界佛汝德 数，冰盖前缘将不再向上游发展，这时，上游冰花将潜入冰盖以下，并流向下游，直 到水流速度较小的河段，满足冰花上浮的要求。若冰盖前缘的水流厅数超过第一 临界佛汝德数但小于第二i 临界佛汝德数，冰盖将以水力加厚的方式向上游推进。 上游冰花潜入冰盖下前缘附近运动，冰盖厚度迅速增加，冰盖前缘水位壅高，底部 水流分离。为使浮冰块潜入冰盖，所需的水流流速一般随冰盖厚度增加而增加。 当冰盖前缘的来流量一定时，随着冰盖前缘厚度逐渐增加，水流f r 数逐渐下降。 由于冻结作用，冰盖上表面形成一层薄冰壳使得冰盖强度显著增加。 上述理论是基于作用于浮动冰块或冰排上的内、外力静态平衡关系得出的， 称静态冰塞理论，可用于确定由表面流冰积聚堆积形成的冰层厚度变化。但是静 态冰塞理论不考虑流冰随水流的运动情况，无法描述动冰卡堵及冰盖增厚过程。 流冰的阻塞只是冰塞形成的必要条件，但是否形成冰塞，还与来冰在冰盖前缘的 稳定性有关。确定何时、何地形成初始冰塞仍是河冰研究中的一个主要问题。s h e n 等n 鄙对河冰动态输移过程进行了一些研究，并通过野外观察数据和室内模犁实 验数据进行了初步验证。他们指出：初始冰塞一般在流冰密度较高和冰流量集中 的地方形成。 ( 2 ) 稳封期 河段内从流冰停止、水面形成固定冰盖起，到该河段冰盖开始融化破裂，这 一时期称稳封期。河道中形成连续冰盖后，水体通过冰盖传导与大气交换热量。 由于水流失去过冷却的条件，封冻河段一般不再产生水内冰。整个冻结冰盖层发 生热交换，冰盖中的充水孔隙，将由冰盖上表面开始朝下冻结，冰盖厚度发生热力 增长。 稳封期发生在冬季气温最低的时段，此时河道流量主要靠地下水补给或水库 控制下泄。如果在稳封期气温和流量没有很大的变化，则冰情亦不会有很大的变 化，也不会有重大险情。如果在此期间气温大起大落，流量忽高忽低，则冰盖就 不稳定。随着气温的大幅度回升和流量大范围增加，冰盖就会发生融化和破裂， 甚至形成开河形势，当再遇气温急骤下降又会再次发生封冻，形成一个冬季发生 几封几开的冰情形势。 冰盖厚度的热力增长和消融过程研究相对来讲较为成熟，可通过热传导和热 交换公式分析计算“引。目前计算冰盖增厚和衰减一般有两种方法。一种是根据热 交换过程而推导得到的半经验、半理论法，常称为度一日法；另一种是根据系统 热交换过程的纯理论法，该方法需要输入水温记录和详细的气象资料。冰盖上表 面雪层的存在和冰盖下水内冰堆积也将影响冰层的增厚和消融。在冬季，冷潮间 1 0 第二章河冰的生消演变及其影响因素分析 若重复出现大降雪，将可能形成由雪冰、雪泥和黑冰层组成的冰盖层。消融期， 由于冰盖下表面形成波纹，河水与冰盖间的紊动热交换将会增加。 2 1 3 解冻期 当气温转正，特别是白天气温较高，积雪及冰盖表面开始融化，融化的水渗入 冰层，逐渐改变冰盖下层结构。另外水温也开始回升，于是冰厚逐渐变薄，冰层开 始解体，河流进入解冻期。河道冰盖解冻时因热力和水力作用的先后比重不同， 出现的开河形式也不同，一般可分为文开河、武开河和半文半武开河三种开河形 式。如果春季流量保持相对恒定，冰盖保持稳定直到最终就地融化，即以热力因素 为主，在冰盖充分解体后导致开河称文开河。其特点是水势平稳，冰盖质地酥松， 大部就地融化，没有集中流冰，不会造成危害。当冰盖尚未充分解体，由于水力因 素突变，冰层被迫断裂，这种以水力因素为主的开河称武开河。其特点是流量骤 增、水位变化迅猛，流冰量大而集中，冰质坚硬，容易形成冰坝造成灾害。半文半 武开河是介于文开河与武开河之间的开河形式，先以热力作用为主，后以水力作 用为主。其在热力作用下冰盖首先融化，冰质变酥，强度减弱，而后又在水力作 用下冰盖很快破碎流动。即使有较大的流量或水位变化，因冰盖很脆弱，不会形 成大规模的冰坝，不会造成严重灾害。 由于太阳短波辐射，有可能导致冰盖在气温回升至冰点以上之前消融。太阳 辐射折射进入冰盖内部，引起冰盖内部融化，使得冰盖失去结构上的完整性，从而 引起冰盖强度减小。冰盖强度的减小可能是形成武开河的一个重要因素。有关冰 盖内部融化及强度减小理论的研究成果已被野外观察数据所证实。另一方面，春 季，由于河道径流量增大、冰塞体释放或水电站运行工况改变，导致河道中流量迅 速增大。这时冰盖下将出现水波的传播现象，使冰盖产生裂缝并进而破碎成碎冰 块。p a r k i n s o n n 曾对冰盖出现间隔较近的横向裂缝及冰盖破裂成碎冰块现象进 行了观察研究。d a l y n 8 1 将水动力学方程和冰盖方程耦合进行线性化扰动分析， 对由水波引起间距较密的横向裂缝进行了研究。 冰盖破裂后，如果水位进_ 步升高，则将出现流冰现象。流冰块与静状冰盖碰 撞时又将产生新的碎冰。流冰在向下游发展的过程中，随着冰塞体的形成和释放， 反复出现流冰现象。 对冰塞体的形成或释放过程有一些研究，但至今还没有人对开河过程中的流 冰动态现象及渠道过冰余隙做过研究。主要的问题是冰塞体释放和碎冰前缘在冰 层中推进的机理至今仍并不很清楚。这两者均与作用在碎冰块和冰盖上的机械作 用力或水动力有关。冰塞体的热力消融和冰盖消融非常重要，它们能减少河道中 冰的强度和冰量。 第二章河冰的生消演变及其影响因素分析 随着河道流量的增长，春季开河一般首先是由冰盖从岸边脱落开始，然后冰 盖层中出现间隔较大的横向裂缝n9 。b e l t a o s 乜们提出：当河道某一特定河段出现持 续的流冰运动时，这一时刻为开河的起始时间。他基于河道平面几何地形上的边 界制约情况，即是否存在允许出现大面积流冰运动的河道几何边界约束，给出了 预测开河时间的经验方法。目前，工程所在河段是否具有形成冰坝的地形条件， 一般通过实地调查访问可以大致判定。但是，形成冰坝体的规模及壅水高度则受 多种因素的影响，具有很大的偶然性。关于冰坝壅水高度的计算，由于问题复杂， 目前还没有较为成熟的计算方法，现在常用的是简单的经验相关方法。一般常考 虑的相关因子有：上游站开河最高水位( 或开河期水位涨差) 、上游河道槽蓄水 量、冰期降水( 雪) 量、开河前夕降水量、开河期气温、开河前冰盖强度、开河 期流量等，可以单因素相关，也可多因素相关。 由于所涉及的影响因素较多，对武开河，除了对其重要性有所认识外，至今研 究成果较少而且很不系统。目前，开河预报方法通常都具有很大的经验性。在进 行开河预报研究时，除了应进一步研究开河机理及冰体破碎机理，还应将春季径 流预报作为一个重要的影响因素加以考虑。 2 2 影响河流冰情的因素 通过河冰生消演变过程的分析可以看出，影响冰情变化的主要因素有热力因 素、动力( 水力) 因素、河道形态、人类活动、上下游的影响和地表径流。 2 2 1 热力因素 热力因素包括太阳辐射( 含散射辐射) 、气温、水温等。太阳辐射和地面反射 辐射决定大气温度，气温又影响着水温和冰温，因此，气温是影响冰情变化的热 力因素的集中表现。气温的高低决定着冰质和冰量，是影响河道结冰、封冻和解 冻开河的主要因素，因此可以用气温作为表征热力状况及其变化的基本要素。 初冬气温开始转负，负气温累积的多少影响水体的总失热量，累积负气温与 流凌密度、冰厚的增长等有很大的影响，一般来说气温越低，流凌密度越大，封 河速度越快。冬季气温的高低决定封冻的冰量和冰厚的多少，封冻期气温越低， 冰量和冰厚的增长越快，封冻的天数也越长。春季气温开始转正，累积正气温与 融冰速度有很大的关系，累积正气温越高，冰盖的厚度和强度也减小的越快，越 容易开河。解冻开河时，气温的高低不仅影响开河的速度，同时也能够改变开河 的形势，所以气温对动力作用有着一定的制约作用。 第二章河冰的生消演变及其影响因素分析 寒流对冰情也有很大的影响，寒流可以造成气温骤降，容易促成封河。寒流 过后气温一般又会大幅回升，如果气温回升过高，可以造成刚刚封冻的冰盖融化 甚至开通，造成河流的多次封冻和开通现象。 2 2 2 动力因素 动力因素包括流量、水位、流速、风力、波浪等。流量的动力作用反映在水 流速度的大小和水位涨落的机械作用力上，流速大小直接影响结冰条件和影响冰 凌的输移、下潜、卡塞等，水位的升降和开河形势关系比较密切，水位平稳能使 大部分冻冰就地消融形成“文开河”形势，水位急骤上涨能使水鼓冰裂形成“武 开河”形势。水位和流速的变化取决于流量的变化，水位、流速和流量之间具有 一定的函数关系。流量大，则流速大，水位高。因此，可以用流量的大小作为冰 情演变的动力团素。另外，流量本身具有热能量，在水温相同时，流量越大，水 体储存热量越多，流量越大，水流动力作用越大，在同样的气温条件下，结冰越 晚。同时，风力和波浪对封河有一定的延缓作用，对开河有一定的促进作用。 2 2 3 河道形态 河道形态包括河道的平面位置、走向及河道的边界特征等。河道的地理位置 和走向又与热力因素联系在一起。气温一般随地理纬度的增加而降低，故处于高 纬度河流的气温低于处于低纬度的气温，南北流向的河流，南部河段气温一般高 于北部河段。 河道边界特征主要指局部河段的宽窄、深浅、比降、弯曲、分叉等。河道边 界特征通过改变水流条件反映出来，故和动力因素联系密切、在气温和流量变化 不大的情况下，在缩窄、弯曲、浅滩、分叉及回水末端等局部河段易发生流冰卡 堵、堆积、封冻、结坝现象。局部的河道持征会直接影响到水流形态，进而又通 过水流作用影响冰凌的流动。顺流河段，流冰在水面上的分布是比较均匀的。在 弯曲河段，由于横向环流的作用，流冰沿凹岸呈带状移动，到了拐弯处，由于惯 性作用流冰在弯顶部位会堆挤在一起，在凸岸则有少部分流冰滞留在回流区。因 此，流冰在弯道处很容易引起堵塞封冻。在河道分叉处，水流分散、流速减小也 易引起排冰不畅。 2 2 4 人为因素 人为因素主要指在河道上修建水