Page 74 - 2022年第53卷第4期

Rℎ CN
V a T a
气
Rℎ CN α st I st
V a T a
气 石 k st H st
α i I i I ′ i
冰 k i T i H i 冰 k i T ′ i H i

水 F w 水 F w

（a） 天然冰层 （b） 铺放石笼沉排冰层
（图中：风速（ V ）、气温（ T ）、相对湿度（Rℎ）、云量（ CN ）、冰面反照率（α ）、冰内热传导系数（k ）、冰温（ T ）、冰厚（H ）、冰层上表面净输入
a a i i i i
热通量（I）、冰底热通量（F ）、石头反照率（α ）、石头热传导系数（k ）、加石头后冰温（ T ′ ）、石头厚度（ℎ ）、石头上表面净输入热通量
i
st
st
st
w
i
'
（I ）、石头传递给冰上表面的净热通量（I））
i
st
图 3 二种情形热量平衡示意图
模型；对石笼沉排下冰层采用气-石-冰-水四层结构热力学模型。二种结构的热力学平衡示意图由图
3 给出。由于 HIGHTSI 模型及其参数化方案在国内冰研究中有详细介绍 ［30］ ，具体细节不再叙述，仅给
出该模式计算关键参数的取值。
（1）石笼沉排外围冰层热平衡方程思想：在风速、相对湿度、云量、辐照度（冰面反照率影响）和
气温联合作用下产生的净热通量I 向下输入冰层，冰-水界面热通量F 向上输入冰层。
i w
I i = F w （1）
（2）有石笼沉排时冰层热平衡方程思想：在风速、相对湿度、云量、辐照度（石头反照率影响）和
气温联合作用下产生的净热通量I 向下输入石头层，在石头热传导率k 影响下，传递到冰层上表面的
st
st
净热通量I ′ 再向下输入冰层内，冰-水界面热通量F w
i
表 1 HIGHTSI 模式关键参数取值表
向上输入冰层。
I ′ = F w （2） 项目 取值 备注
i
冰反照率α 0.4 见文献[30]
利用 HIGHTSI 模型开展冰厚和冰温模拟计算，所 i
冰内热传导系数k ( W (m·K ) ) 2.1 见文献[30]
i
涉及关键参数取值见表 1。
石头反照率α st 0.3 见文献[31]
3.2 冰-水界面热通量的确定 冰-水界面热通量F w
石头热传导系数k ( W (m·K ) ) 2.7 见文献[32]
st
是 HIGHTSI 模式中关键热力学参数，应用中需要首先
确定适用于黄河宁蒙段的归一化冰-水界面热通量，
之后利用优化后冰-水界面热通量输入 HIGHTSI 模型计算冰温，冰温将作为冰力学计算的输入参数。
以冰-水界面热通量（F ）为辨识参数，构建观测冰厚与 HIGHTSI 模拟冰厚差值最小为目标的最优
w
辨识模型，见式（3）和式（4），确定冰-水界面热通量。根据已有湖冰冰-水界面热通量观测结果 3～
2［30］
10 W/m ，黄河冰底因水流流动冰-水界面热通量可能会有所增加，因此本文以FW =[0，15]为冰-水
界面热通量辨识范围，辨识间隔为 0.01 W/m 。
2
n
)
) ) ) = ∑(H cal (t k |F w - H obs ( ) ) 2
g (F w = g (H cal (t k |F w t k （3）
k = 1
最优辨识模型
) )
ì min( g (F w
ï ï
íF w ∈ FW （4）
ï ï )
î H cal (0|F w = H 0
)
t
F
式中： g ( )为性能指标函数；H (t |F 为t 时刻热通量为F 时计算的模拟冰厚；H ( )为t 时刻观
obs
k
k
k
cal
w
w
k
w
测冰厚；n为模拟计算冰厚次数；H 为模拟计算初始冰厚值，取 0.48 m；FW 为冰-水界面热通量辨识范围。
0
不同时期冰-水界面热通量是不同的，本文将主要确定试验期间（施工前一周和施工期）的冰-水
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