北方河流冬季河冰运动会带来凌汛灾害威胁,研究流凌运动对水流、泥沙和河道的影响具有重要工程意义。本文在平面二维河冰动力学模型基础上,建立二维水冰沙耦合数值模型。基于三角形的非结构网格,采用具有迎风特性的Petrov-Galerkin型有限元法计算非恒定水流过程、非恒定非均匀沙输运和河床冲淤变化,利用无网格的SPH法计算河冰运动,基于河冰对岸滩的刮擦切应力计算岸坡侵蚀,再利用双泥沙休止角法分析不同含水层岸坡的稳定坡面。该模型创新性地耦合水沙理论和河冰理论,能模拟北方河流全季节及河冰全过程的水位流量波动、河冰运动、泥沙输移、河床冲淤及岸滩崩塌过程。通过实验条件下溃坝引起的岸坡崩塌侵蚀验证了模型的准确性和可靠性,研究结果显示该模型能再现水流、河冰、泥沙、河床及河岸间的复杂耦合作用,揭示河冰刮擦对岸滩侵蚀破坏的促进机理,可进一步支撑冬季河道防凌减灾和岸滩水土保持研究。

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。

冰盖厚度是冰工程研究中最重要的特征参数之一。为明晰寒区静冰生长和消融的过程,准确计算冰盖厚度,通过分析影响静冰生消的各热力过程,建立了生长期和消融期冰厚计算的热力学模型,采用黑龙江省青花湖8号水塘的冰情观测数据对冰厚计算模型进行了验证,并分析了塘冰温度链观测数据。结果表明:提出的冰厚计算模型可用于精确预测冰盖厚度的生消过程;通过回归分析得到了表面冰温随气温和风速变化的表达式;冰层内的冰温变化与气温波动存在一定的响应关系,且随着冰深增加,冰温波动幅度减小;在冰盖生长期,冰下水体持续降温,随着水深的增加,水温变化速率逐渐减小;在冰盖消融期,水温先缓慢回升随后快速升高,最大升温速率可达0.13℃/d。研究成果可为寒区静冰生消分析及冰厚计算提供科学依据。

从河渠冰水力学基本理论7个方面(水热循环机理、流冰形成输移扩散机理、锚冰岸冰形成发展释放、封河冰塞机理、开河冰坝机理、水工建筑物冰塞机理、水冰沙互馈作用机理)、河渠冰情预测预报及过程模拟、河冰关键参数观测技术与装备等层面介绍了国内外的河冰水力学研究的主要进展和动向,剖析了当前科学研究和工程应用研究中存在的难题,并从理论和技术角度阐明了相关原因并指出方向.总结提出了河渠冰水力学未来需要重点开展的研究,如在河渠冰水力学基本理论拓展方面,应进一步完善现有河冰理论框架,尤其是河流锚冰生长和释放过程、卡冰和初始冰盖形成的热力-动力-地形特征影响的定量化机制、复式断面冰盖下水力特性和河冰运动与岸滩侵蚀过程中的水冰沙耦合作用机理等;在变化环境下的冰情预报方面,应多尺度结合,进一步探索中长期气候变化或短期极端情况对北方河流冰情的影响,尤其是研发不同尺度区域、长短期结合的水文-水力预测预报模型技术,对于科学研判河流冰情未来情势具有指导意义;在冰凌灾害全过程监测与防控技术装备方面,应进一步研发能反映冰塞内部渗流、冰塞内摩擦力以及冰塞冰坝内部反映其演化过程的关键监测传感器和装备,弥补现有观测的不足;在冰湖溃...

中子(水冰)探测仪在月球、火星和太阳系其它天体的水冰存在和含量分布的探测中有重要应用。文章主要介绍了美国、俄罗斯等国在月球、火星水冰探测中的中子探测仪的使用情况和探测结果,以及搭载于奥德赛(Odyssey)火星探测器上的中子谱仪、高能中子探测仪和"月球勘测轨道器"(LRO)上的月球勘测中子探测仪、计划搭载于美国"火星科学实验室"(MSL)上的中子反射动能测量仪的主要原理。最后提出了我国的一种中子探测仪的初步方案设想。

月球水冰探测对未来载人月球探测以及构建月球基地意义重大。在继"克莱门汀"(Clementine)、"月球勘探者"(Lunar Prospector)和"智能一号"(SMART-1)等月球探测器的探测后,美国的"月球勘测轨道器"(LRO)和"月球环形山观测与遥感卫星"(LCROSS)实施了月球极区永久阴影区撞击和观测,初步验证了水冰资源的存在。文章通过系统分析月球水冰的重要性、可能来源、探测历程和探测手段,初步提出我国开展月球水冰探测的载荷初步配置。

月球极地水冰存在与否、存在形式和存在数量等科学问题,是当前月球科学研究的重要目标之一.2009年10月9日,美国半人马座火箭和卫星相继撞击月球南极Cabeus撞击坑,证实了月球极地水冰的存在,但对其含量、分布范围等的研究还有争议.极地水冰的存在会改变极地月壤的介电常数,而微波辐射计是获取介质介电常数的最有效的工具.因此,根据37GHz频率条件下的月壤被动微波辐射传输数值模拟结果,改进月壤辐射传输模型.对比分析了Odelevsky模型、Wagner和Landau-Lifshitz模型、Clausius模型等8个常用的混合介电常数计算模型,表明Lichtenecker模型与改进的Dobson模型得到的介电常数值相差最大,折射模型得到的结果偏大,Odelevsky模型、强起伏定理与Wagner和Landau-Lifshitz模型、Clausius模型、Bruggeman-Hanai模型得到的结果非常接近.基于Odelevsky模型和改进的月壤辐射传输模拟,建立了月壤体积含冰量与微波辐射亮温的关系.并根据嫦娥一号卫星获取的相应的微波辐射计数据,进行了Cabeus撞击坑水冰含量反演研究.结果表明...

月球上是否存在水冰是第二次月球探测热潮中的热点问题。 1 994年克莱门汀号 (Clementine)环月探测器搭载的频率为 2 .2 73GHz双基地雷达探测到月球南极一些地区出现同向极化增加等独特的回波特征 ,这些地区正好处于极地永久阴影区 ,表明这些地区可能存在水冰。Arecibo天文台频率为 2 .38GHz的地基雷达对月球极地进行制图 ,也得到类似结论。 1 998年月球勘探者号 (LunarProspec tor)环月探测器搭载的中子探测仪在月球极地永久阴影区探测到高含量的氢信号大多认为是水冰引起的。但雷达探测和中子探测结果均存在多解性。月球表面粗糙度同样可以引起雷达回波呈现出类似水冰的异常特征 ,而中子探测仪测量到的仅仅是氢信号而非水 ,而且月球勘探者号撞击月表之后并没有探测到任何的水蒸气信号。月球极地水冰存在与否、存在形式和存在数量等科学问题的回答需要对月球极地特别是永久阴影区作进一步探索

月球勘探者’在月球两极发现水冰的存在 ,不仅为人类在月球上建立维持生命系统 ,而且为我们研究地球上水的来源提供了新的线索。本文简明介绍了月球上固态水的探测、分布区、来源及其意义。

综述了月表水冰的发现,探测技术,水资源的存在形式、分布、资源量,月表水的运移和利用前景.已有的探测表明,月球上的水资源主要分布在两极的永久阴影区内,储量约为66亿吨.月表水冰主要分布于两极永久阴影区中的原因,是月球上的水可以通过弹道式跳跃逐步迁移到温度低的地区所致.本文认为月球上是否存在水对于人类进行月球基地的建设没有根本性的影响,而利用月球玄武岩中钛铁矿的反应来获取水,是更为简便和经济的方法.