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冰期流量变化的影响因素


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评论(0)|2017-03-20|发布:淳淳 |收藏

  辽宁省中小河流域处于中高纬度,冰期时间长达130~170 d,水文气象的地理环境比较复杂,冰期径流量往往占年径流量的20%~30%,汛期径流量直接下沉或入海,使得枯冰期的水量在水资源匮乏的北方省份十分重要,冰期的流量变化不仅变幅大,测次难于掌握,而且既有急剧的变化过程(液态转变到固态又转变回液态),又有结冰期、封冻期、解冻期各自的基本特征和特殊因素。

  冰期条件下的阻塞和冰晶形成到封盖一直到冰块解体,其结构上质的变化,在2个热力冰期的因素作用过程中,还有水力因素、冰底粗度流速以及短时间的区间槽蓄量等变化。如此复杂的变化加上流量与热力作用因素的作用,在水文分界的统一固定的界限下,不可能对流量变化的均值用单一因素建立简单的函数关系或是单独的参变量影响关系[1]。
  1影响冰期流量变化的主要因素
  1.1热力因素
  热力因素在冰期流量变化总的过程即从微冰开始到封盖再到冰情消失,始终起到主要的支配作用,结冰期的过冷却水气交换形成,随热力的变化产生滞后的流量剧烈变化。封冻后冰盖封严,冰盖隔绝了水气交换,但落冰的凝结至冰厚最大的前期热力与辐射热依然产生缓慢的变化,封冻后期的直辐射量穿透冰层改变了水温相对稳定状态,促成冰质变化。封冻后期与冰初期的增温聚热作用,促进冰块解体的阶段的前期热力变化,自然起到主要支配作用,解冰后期向畅流期过度阶段,热力因素才减弱消失,热力对变化的作用变幅锐减后,为冰凌与水力因素代替。12月下旬辐射量显著增加至2月中下旬辐射热量显著高于气温,正处于最底阶段辐射由于光的强度透过冰层产生乱折射促成结冰结晶的破坏,特别是冰底面的折射及河底的吸热增温作用,气温处于最底时间,而辐射比气温早回升的特性促成透过冰层水温的增加。水温的变化使冰厚开始减薄[2-3]。这是封冻后期一个特殊的吸热增热的条件,对封冻后期的平均流量的增加以及平均流量过程形成的改变起到重要的作用,当然,辐射量在夜间也有轻微的辐射的过程。
  1.2冰情因素
  冰情是影响流量变化的重要因素,在水流中起到阻力作用,根据冰情对水流的不同阻力可分为不可见冰情与可见冰情2个方面。
  1.2.1不可见冰情。由于水面在过冷却气水交换时形成一个显著的摩擦面,在河底的粗糙泥石上也产生底冰,即水内冰的增大摩阻而使一层液体产生阻力。在流体力学中提出对水粘滞性很小的液体,对水流而言是液体化为过渡到固态的某一个小的质,如冰晶的形成需要凝结核,在水流中是一个无限小的阻力面,或是附着于河底的水内,冰质量的气泡上升成为岸冰或流动的不可见的细冰、冰凇之类的过程,它的运动过程阻塞了水流断面而形成阻力,还有黑色难分的小冰凇群,团团与水流发生摩擦声音,都是阻力现象。
  1.2.2可见冰情。可见冰情在量上指标即为疏密度,疏密度的物理意义是指全河宽冰情物占平均宽度的比例,从阻力因素解释应该将疏密度扩展为整个水流在一个横截面上冰的垂直于水流的几何疏密度。
  1.3水力因素
  在流量变化的整个时期,水力因素是一个辅助因素,但是在冰塞、冰下冰花瞬时产生时,由于冰塞等影响水位提高导致流量减小,或冰塞等消失时水位下降流量增大,对流量的变化有一定影响。特别在结冰的中后期、解冰的初期是屡见不鲜的。改正与处理水与阻塞的影响对流量的变化十分重要。中小河流解冰过渡期水位变幅不大,流量变幅大即△Q/△H的变化率出入较大,这样一般观测水位记至厘米不能满足正理分析的需要,需要提高精度至0.002~0.005 m的精度。坡降对特殊冰情如冰塞,冰坝等区间蓄水的特殊情况是一个重要因素。中小河流冰底摩擦阻力变化比较大,而垂线流速的计算往往只用0.5一点法施测,不用0.15、0.5、0.85三点发施测或多点发施测,对流量的影响较大[4-5]。特别是冰底的粗度,在结冰期有着显著的变化,用一点法施测误差偏大20%~30%,影响流量变花K值的精度,解冰期冰底粗度降低,垂线流量又改变形状,因而,不可忽视。
  2小结
  在热力方面水温因子变化对流量的关系,特别是不可见细冰晶产生对水流阻力,既是畅流期转变到冰期,或冰期转变到畅流期H-Q关系,Qi-Qi关系中重要的点据,也是流量变化中水冰转化随水温的消长水的粘系变化的重要依据,由于水的质量变化引起的阻力的问题,在冰期水文中尚未引起注目,而目前测法在基本冰情只能反映N>0.1,N<1.0间的情况,而N<1的复杂现象不能解释,还有在流量受热力因素影响中的封盖冰后的阶段,影响流量变化的因素水位、冰底高程、断面、比降均不变的条件下,流量在显著变化,这一点说明无论大中小河流其冰期的流量均不同程度的受粘性液态动流影响,永远有着为转换热力而产生的阻力付作功的消耗。
  整个冰期存在流量问题,特别是结冰期的流冰花、解冰期的流冰块、封冻初期的冰塞冰的缓动,都意味着冰体的流动,这在解冰及结冰期估水量的比例很大,这一部分影响流量变化过程和均值在测验手册有具体的规定,冰改为水应考虑冰的密度与密度的常差[6]。
  3参考文献
  [1] 于桂亮,黄书腾.对中国河流冰情的认识科海[J].故事博览:科技探索,2011(11):94.
  [2] 秦建敏,刘笑达,李学春.基于空气、冰与水物理特性的冰情检测系统[J].信息与电子工程,2011,9(5):646-650.
  [3] 张凤,徐雷.浅谈镇西站冰情调查与冰情计算[J].吉林水利,2011(3):40-41,44.
  [4] 郭立新,曹烨,王明虎,等.黄河山东段冰情影响因素、机制及观测[J].水利规划与设计,2010(6):19-22.
  [5] 姜喜民,朱晶,金鑫家.浅议冰期流量测验方法及精度分析[J].黑龙江水专学报,2009(2):42-44.
  [6]汤锦如.农业推广学[M].北京:中国农业出版社,2002.

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