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水 利 学 报

2021 年 3 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 3 期

文章编号：0559-9350（2021）03-0341-08

冰盖下典型复式断面河道水深平均流速的横向分布

邹德昊 1，2，3 ，戴长雷 ，郭显峰 ，路锦枝 3
1，2
1，2
（1. 黑龙江大学 寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080 2. 黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；
3. 流域水循环模拟与调控国家重点实验室 中国水利水电科学研究院，北京 100038）

摘要：开展冰盖下典型复式断面河道水深平均流速的横向分布规律研究，对于凌汛防治具有重要意义。本文在
SKM 法的基础上，结合双层假设理论，并将二次流项并入雷诺切应力项，建立了考虑河床摩擦、冰盖阻力、横向
剪切湍流和二次流影响的准二维数学模型。与相应的物理模型实验结果对比发现，所提出的准二维数学模型能够
合理预测复式断面河道各断面的水深平均流速横向分布及河道过流量。本文提出的数学模型，无需通过计算机编
程联立求解复杂方程组，即可获得水深平均流速的横向分布特征，对研究具有复式断面的覆冰河道的水流特征具
有一定的指导意义。
关键词：冰盖；复式断面；流速分布；准二维模型
中图分类号：TV133 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200226

1 研究背景

天然河道的过流断面常常可概化为渠道复式断面的形式，在北方的冬季，一旦河道封冻形成冰
盖，复式断面流速的分布规律就会发生改变，滩槽的阻力和输水能力都会受到影响，因此研究冬季
冰封河道的流速分布规律对于凌汛防治具有重要意义。冰盖的出现增加了过水断面的湿周和阻力，
使得河渠的断面流速分布和输水能力发生显著改变。当河渠为复式断面且冬季冰盖糙率不断发生变
化时，如在漫滩水流中，由于主槽和滩地之间水力条件存在差别，使得交界面出现剪切层并强烈影
响着各种水力参数的分布，因此采用一维模型计算可能产生较大的偏差。
［1］
现有研究采用二维 k-ε紊流模型计算出复式断面河渠的横向流速分布。Shiono 和 Knight 提出的
SKM 法以水深平均的 Navier-Stokers 方程为基础，描述了复式河道断面的过流情况，给出了断面的横
向沿水深方向平均流速的计算公式。许唯临等 ［2-3］ 从 SKM 法出发，将二次流项归并入雷诺切应力项，
结合主槽与滩地的水深平均流速，推导出无冰盖复式河道横向流速分布和床面切应力分布的计算公
［4］
式，并由实测数据给出了涡黏性系数的经验公式。吉祖德和胡春宏 的研究表明：在明流复式断面
上，主槽和滩地平衡区的垂线流速服从对数律公式，但是，在边壁区，流速不再服从对数分布，其
［5］
最大流速不在水体表面，而是有所下移。杨开林 研究了水流的非均匀性对矩形河渠水深平均流速横
向分布的影响，算例表明，在实际流动为非均匀流的情况下，采用 SKM 模型计算的流量存在很大的
偏差，提出了改进的非均匀流计算模型。刘沛清和冬俊瑞 ［6］ 探讨了复式断面渠道中主河槽和滩地之
间水流的动量传递机理，应用动量定理导出了复式断面渠道中恒定均匀流的计算公式，并与实验资
［7］
料进行了验证。Knight 和 Hamed 根据试验结果给出了具有直角突变床面的对称复式断面渠道的边界
［8］
剪切力分布，并评估了子区域之间的动量传递对垂向和横向流速分布的影响。Peters 和 Dow 的研究
收稿日期：2020-04-05；网络首发时间：2021-01-26
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210126.1117.001.html
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基金项目：国家自然科学基金项目（41202171）；黑龙江省大兴安岭水文局项目 （2013230101001188）
作者简介：邹德昊(1992-)，硕士生，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail：717512913@qq.com；
通讯作者：戴长雷（1978-），博士，教授，主要从事寒区地下水及国际河流研究。E-mail：daichanglei@126.com
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