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水 利 学 报

2021 年 6 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 6 期

文章编号：0559-9350（2021）06-0700-12

河流水冰沙耦合模型研究Ⅰ：原理和方法

潘佳佳 ，Hung Tao Shen ，郭新蕾 ，王 涛 1
1
2
1，2
（1. 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；
2. Department of Civil and Environmental Engineering，Clarkson University，Potsdam，NY 13699-5710）

摘要：河流水沙研究一般忽略冬季河冰对泥沙输运、河床侵蚀和岸滩崩塌的影响，但北方河流如黄河等冬季冰期
的防凌减灾和河道的演变均不能忽略河冰过程，亟需研究河冰全过程影响下的水冰沙耦合作用机理。本文首先总
结了河冰水力学的理论发展，针对北方河流建立了二维水冰沙耦合数学模型，包括二维水沙数值模块、河冰动力
学模块和岸滩侵蚀模块，并介绍了该耦合模型的求解步骤和方法。研究表明：通过三个模块间的信息传递和数据
反馈，该数学模型具备模拟冰塞冰坝等极端工况下的水流变化、河冰堆积和释放、泥沙运动、河床冲淤和岸滩侵
蚀等过程的能力。该模型将水沙理论和河冰理论结合起来，可用于北方河流全季节与河冰生消全过程的水冰沙耦
合过程模拟，为北方河流管理提供了有力工具。
关键词：水冰沙耦合；北方河流；水沙运动；河冰动力学；岸滩崩塌
中图分类号： TV143 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200844

1 研究背景

［1］
我国北方河流如黄河、黑龙江和松花江等每年都有超过 100 天的冰期 ，而冬季河冰运动对泥沙
输运和河道演变的影响常常被忽略。一方面受地区和时间的限制，河冰影响下的水沙问题是季节性
过程，不及明渠水沙研究更具代表性，常常被研究人员忽略 ［2-4］ 。另一方面冰期河流涉及冰体堆积释
放、水位壅高、流量波动、河床冲淤变化和岸滩崩塌侵蚀等多种过程，存在复杂的水冰沙相互作
用。北方河流水冰沙耦合作用机理问题是水力学、河冰动力学和河流动力学的交叉方向，涉及的物
理因素多 ［4- 6］ ，问题复杂，是河冰领域研究的前沿和难点。
冬季河冰过程对北方河流水沙运动的影响至关重要。全球气候变化和人类活动影响下，极端冰
塞冰坝发生的可能性更大。冰塞冰坝能引起上游河道水位迅速抬高，流凌刮擦割蚀岸滩能导致堤岸
崩塌破坏，由此引发的凌汛洪灾严重威胁北方河流冬季输水安全和河流管理。河冰不仅影响泥沙运
动和河道变化，还显著影响水体温度和含氧量，例如锚冰和冰盖的形成会压缩水生物生长繁殖空
［7］
间，进而影响水生态环境 。这些河冰过程吸引了众多学者的关注，并在水内冰、岸冰、锚冰、冰
盖、冰塞和冰坝等方面取得长足进步 ［8-11］ ，但缺少耦合水沙运动和河冰动力过程的研究 ［3-4］ 。目前岸滩
的崩塌侵蚀研究主要基于无冰条件 ［12-14］ ，不能满足北方河流季节性岸滩侵蚀的研究需求。
传统的河流动力学主要研究水流、泥沙与河道边界（包括河床和河岸）三者之间的复杂相互作
用，而目前河冰动力学研究主要分析河冰运动与水流间的相互作用。本文首先简要总结了河冰水力
学的研究进展，详细综述了有关河冰过程的理论成果和已有研究的不足。这些研究是水冰沙耦合分

收稿日期：2020-10-15；网络首发时间：2021-03-15
网络首发地址：http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210312.1530.004.html
基金项目：二次青藏高原综合科学考察研究任务（2019QZKK020706）；国家重点研发计划课题项目（2018YFC1508402）；国家
自然基金项目（51979291，52009144）；中国水科院科研专项（HY0145B642017，HY0145B912017）
作者简介：潘佳佳（1988-），高级工程师，主要从事水力学及河冰动力学研究。E-mail：panjj@iwhr.com
通讯作者：郭新蕾（1980-），教授级高级工程师，主要从事水力学研究。E-mail：guoxinlei@163.com
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