3研究方法

“武开河”期间河槽蓄水量充足，春季融冰期降雨量及气温等区间内变化反常，此时的热力和水力条件有利于冰坝形成，开江期流凌受河道特征影响，改变了沿程阻力及水流流速和方向，使冰凌产生堆积，形成冰坝[22]。黑龙江上游冰坝区段河道狭窄曲折，比降变化较大，使水流流态沿程分布不均[23]，原因是河道流量和流速的大小是冰凌流动中的能量和动量源[24]，因此流速变化反映了碎冰块在河道阻塞程度[25]。通过GPS追踪试验获取各河段水流平均流速，对其整理分析并与1960、1985、2000和2009年历史冰坝典型年黑龙江上游冰坝发生位置对比，筛选得出冰坝典型河段。影响发生位置的河道特征元素包括：河道长短、河网覆盖密度、河道比降、河道弯曲系数和河道突缩宽窄比等。结合黑龙江上游河道特点，选取河道比降、河道弯曲系数及河道突缩宽窄比作为模型变量，运用多元回归分析拟合方程[26]，建立统计型冰坝发生概率与河道特征的变量关系。

3.1 GPS追踪试验设计 从河道流向及历年资料综合分析，针对现有冰坝预报模型的限制性，选择黑龙江上游漠河段至呼玛段作为试验地点。黑龙江漠河段江道两岸多山，狭窄，江河蜿蜒回转与山地之间，急滩深槽上下交错，比降大，水流流态紊乱，加之地理位置和气候条件综合作用，冰凌易卡塞形成冰坝[27]。根据历史资料记载，1964、1971、1973、2000和2009年漠河段均形成灾害性冰坝，出现了严重冰坝凌汛。选择漠河河段进行流冰期现场观测，在开江期向河道抛投GPS定位器，进行流速测量。流冰开始选取形态较好的大冰块，将组装好的GPS定位器投放至冰块上，GPS定位器使用“北斗+GPS+基站”的定位模式，平面定位精度10 m，工作温度-20～70 ℃；GPS定位器采用12 V2.6 Ah蓄电池供电，正常情况下可维持定位器7～10 d供电需求。GPS定位器在有手机信号的区域以间隔10 s传回时间、经纬度、速度、速度方向信息，支持手机监测GPS定位器实时位置，方便快速研判流冰动态。图1给出了6#GPS定位器（设备名称：goome-）在整个工作时间段内漂流历程示意图，经过5 d漂流约600 km。GPS定位器返回得到瞬时速度为所在冰块的瞬时速度，此时速度为点纵向流速。通过对瞬时流速进行积分计算得到河段实际长度，河段实际长度与时间的比值为该河段平均流速，从而进一步预测冰坝冰塞易发生位置，为数值模型的率定检验提供基础数据。分析冰坝形成与河道特征的关系，建立适合黑龙江上游开河期冰坝的河道特征模型，需要先确定典型河段。通过记录GPS反馈即时流速进行积分计算可得到相应河段开河期平均流速，河段平均流速的计算公式为：

图1 6#GPS定位器漂流历程示意

式中：v0为河段平均流速，m/s；L为河段实际长度，m；n为GPS反馈次数；Ti+1为GPS第i+1次反馈时间，s；Ti为GPS第i次反馈时间，s；vi为i～i+1时间段内流速，m/s。

3.2河道特征模型基本方程根据各河段流速对比，判断阻塞情况及冰坝典型年各河段凌汛灾害程度，进而确定典型河段，并选取相应河段河道特征作为模型因子，建立适用于黑龙江上游冰坝预报模型。预报工作的关键是通过大量实测资料和观测数据建立河段冰坝发生概率与其河道特征相关变量之间的关系，根据冰凌灾害发生机理和黑龙江上游河道特征，建立了反映凌情因子的河段冰坝形成概率P，河段冰坝实际发生概率计算公式为：

式中：P为河段冰坝实际发生概率；y为河段发生冰坝年数；Y为实验样区发生冰坝年总数。模型中各河道特征因子计算公式如下，河道比降计算公式为：

式中：X1为河道比降；H1、H2分别为河段起点和终点的河床标高，m；L0为河段长度，m；J为河道比降系数。

河道弯曲系数计算公式为：

式中：X2为河道弯曲系数；L为河段两端点间沿河道中心轴线长度，m；I为河段两端点直线距离，m。

河道突缩宽窄比[28]计算公式为：

式中：X3为河道突缩宽窄比；B1为原河道断面宽度，m；B2为缩窄后河道断面宽度，m。

回归分析是确定2种或2种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法[29-30]。典型河段确定后选取各河段河道比降、河道弯曲系数、河道突缩宽窄比作为模型因子，运用回归方程拟合上述变量之间的关系，采用SPSS软件对数据进行预处理，结果显示当变量次数超过3次方时，模型相关系数增加较少，而误差增大10倍以上，因此建立冰坝比例因子同河道特征的二项式关系，模型基本方程的计算公式为：

文章来源：《黑龙江医学》 网址: http://www.hljyxzzs.cn/qikandaodu/2021/0208/769.html