前言

河冰是在特定气象水文、地形河势和水力条件作用下产生的一种自然现象。由冰凌造成的洪水常给人民的生命财产带来严重损失。我国是一个冰情严重、冰凌洪水灾害较为频繁的国家，进行江河冰凌研究具有非常重要的意义。然而由于江河冰凌的复杂性，我国在江河冰凌研究方面，特别是在冰塞理论和数值模拟，以及开河期冰盖断裂机理和准则方面的研究仍处于相对较低水平。为解决这一问题，清华大学水利水电工程系从20世纪90年代开始开展了有关的研究工作，并取得了一些成果。本书为这些成果中的一部分。

全书共分8章。第1章为绪论，由吴剑疆、赵雪峰、茅泽育编写；第2～4章为河道中冰塞形成及演变机理分析和冰塞与水内冰数值模拟研究，由吴剑疆、茅泽育编写；第5～8章为河道开河期冰盖断裂机理和判别准则研究，由赵雪峰、茅泽育、吴剑疆编写。各章主要内容如下：

第1章对研究意义、背景、国内外研究现状及主要研究内容进行介绍。

第2章对国内外冰塞形成演变机理的研究成果进行了较为系统的总结和分析。主要内容包括冰塞形成条件、冰塞类型、冰塞体厚度计算、冰塞下输冰能力计算以及冰塞河段糙率估算。

第3章介绍了描述冰塞形成及演变的动态数值模型。模型包括非恒定水流模型、敞露河段输冰模型、冰塞河段冰塞下输冰模型和水流温度场模型，可模拟冰塞前缘向上游推进过程、敞露河段水内冰浓度输运过程、冰塞河段冰塞体演变过程及整个河段水面曲线变化过程。在这一综合模型中，考虑了水流、冰花浓度、输冰量和冰塞厚度之间的相互影响，可以计算得到任一时刻和任一断面的流量、水位、敞露河段冰花浓度、冰塞河段输冰量以及冰塞体厚度。利用模型对黄河河曲段的封冻过程和稳封期冰塞体后期演变过程进行了模拟，结果表明计算值与实测值吻合较好。

第4章介绍了水内冰形成演变的垂向二维紊流数值模型。模型考虑了水温和水内冰浓度间的相互影响，方程组的离散采用有限体积法和交错网格系统。应用模型对河道中水内冰的演变和输运进行了数值实验，对水内冰浓度和水深的分布规律以及流量等边界条件对水内冰浓度和水温分布的影响进行了分析。

第5～6章以固体力学原理为基础，采用弹性地基梁的理论和计算方法，对河道春季开河前期冰盖体纵向断裂机理进行了研究，提出了纵向冰缝形成位置的计算方法；对冰盖体横向断裂机理进行了系统分析，通过对冰盖体弯矩及弯曲应力的计算，分析了两种弯曲形式造成的横向冰缝间距。

第7～8章在冰盖体纵、横向断裂研究成果的基础上，分别针对顺直河道和弯曲河道，提出了以河道纵向冰缝处冰层残余抗剪强度为基础的边壁阻力判别准则，以及反映水力、热力因素和地貌特征影响的边界约束判别准则，并应用黄河河曲段原型观测数据对两个准则进行了验证。对文开河与武开河的判别方法进行了探索性研究，提出了以开河期水位增值表示的天然河道开河方式判别准则，并应用黄河昭君坟水文站原型观测数据进行了验证。

本书主要是在学位论文《河道中冰情形成演变机理分析及冰塞和水内冰数值模拟研究》及《开河期冰盖体断裂机理及开河判别准则研究》基础上整理而成，因种种原因未能包括近几年来国内外最新的研究成果，敬请读者理解。

在本书所述内容的研究过程中，得到了合肥工业大学孙肇初教授、大连理工大学李志军教授及合肥工业大学王军教授等的帮助和支持。本书成稿后，汪易森对全书进行了审阅，提出了宝贵的修改意见，并为之作序。在此一并表示衷心的感谢！

限于作者水平有限，书中不足和疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。

作者

2016年9月