耦合水流能量方程与冰塞力学平衡的梯形渠道冰塞厚度计算新方法

针对寒冷地区梯形渠道冰塞厚度计算精度不足的问题，研究人员提出了一种耦合水流能量方程与冰塞力学平衡方程的新方法。通过引入床面坡度、冰塞前缘局部水头损失系数等参数，建立了适用于梯形断面的冰塞厚度计算公式，并利用南水北调中线工程2019-2020年实测数据验证，结果吻合良好，为冬季渠道冰情模拟与防洪决策提供了新工具。

　　

在寒冷地区的冬季，河流冰盖或冰塞的形成会显著改变水流条件，将明流转变为冰盖流。随着冰塞厚度的增加，最大流速位置会向河床移动，加剧河床侵蚀并威胁水工建筑物安全。另一方面，冰塞会抬高上游水位，严重时可能引发冰凌洪水。2016年南水北调中线工程北易水倒虹吸至北拒马河倒虹吸渠段就曾因强寒潮出现严重冰塞，最大冰厚达46厘米，造成0.73米壅水，严重影响冬季输水能力。准确计算冰塞厚度对预测水位、保障输水安全至关重要。

目前冰塞厚度计算公式多基于矩形断面的力学平衡方程推导，而自然河流和人工输水渠道多为梯形断面。传统方法在应用时需简化断面形状，导致计算误差。此外，现有研究较少综合考虑床面坡度、冰塞前缘局部水头损失等因素的影响。针对这些局限，长江科学院等单位的研究人员开展了一项创新研究，成果发表在《Journal of Hydrology》上。

研究采用理论推导与实测验证相结合的方法。首先基于梯形断面冰盖流能量方程，引入局部水头损失系数ξ和摩擦水头损失系数λ，建立改进的水流能量方程。随后通过三维直角坐标系中冰塞微元体的应力平衡分析，推导力学平衡方程。将两类方程耦合后，得到梯形渠道冰塞厚度计算公式。验证数据来自南水北调中线工程2019-2020年冬季输水渠道的冰情监测资料，包括渠道几何参数、水文数据和冰塞厚度实测值。

能量方程推导部分建立了考虑梯形断面特性的冰盖流能量方程，首次将床面坡度sinθ、前缘损失系数ξ等参数纳入计算模型。力学平衡分析揭示了冰塞内部应力分布规律，提出静水压力、水流拖曳力与冰体重力分量的平衡关系。案例验证显示，新公式计算的冰塞厚度与南水北调工程实测数据误差在5%以内，显著优于传统矩形断面公式。特别是在北易水渠段，新方法准确预测了0.7米量级的壅水高度。

这项研究首次实现了梯形渠道冰塞厚度的精确计算，解决了传统矩形断面简化带来的误差问题。所提方法无需复杂参数校准，可直接应用于南水北调等梯形输水渠道的冰情预报。研究不仅为冬季输水安全提供了技术支撑，其理论框架还可推广至自然河流的冰塞模拟。未来结合遥感监测数据，该方法有望构建更精准的冰凌灾害预警系统。值得关注的是，研究团队特别指出冰塞演变存在"机械平衡必须遵循的客观规律"，这意味着即使在气候变化导致极端冰情增多的背景下，该方法的物理基础仍具有普适性。