本文是一篇给排水工程论文，本文以流体力学、河流泥沙动力学理论、系统动力学理论为基础,通过系列实体模型试验，探究了冰盖下复式河槽水流阻力、动量交换机理、过流能力、流速分布等水力特性，得到以下主要结论及认识：（1）本文首先介绍了冰盖下复式断面渠道水流的研究方式和研究进展。（2）介绍了采用 piv 技术对冰盖下复式断面水流流速的采集方式，这种方法具有不损伤冰盖就可以直接获取水流流场，直接客观的结论反映水流流动的优点。
第 1 章 绪论
1.1 研究意义
1.1.1 理论意义
在北方的冬季，复式断面河道作为天然河道的一种抽象断面，一旦河道冰封产生冰盖，断面流速的分布规律就会发生改变，滩槽的阻力和输水能力都会受到影响，由于其水流结构十分复杂，该研究对于冬季冰封河道的流速分布律和防凌防汛的研究具有重要意义。为解决上述问题，将 PIV 技术应用于复式断面冰盖下研究，采用能突破空间单点流速测量局限的 PIV 技术，观测不同水深比条件下复式断面冰盖下的水流结构，分析交汇区流场规律；并采用 ADV 多普勒超声测速仪进行核对。
所测得的流速分布数据，可以对推导的理论公式进行验证，对其精度以及便捷程度都有一定的评价意义。对今后数学模型的应用提供可靠的保障。
本文主要讨论研究了了冰盖下复式断面渠道的过流阻力、水深平均速度、动能损失率、动量运输系数、流速分布及其公式的重要参数及其敏感性分析，这些数学模型以及结论对冰盖下复式断面渠道水力特性系统研究提供了重要的理论依据。
1.1.2 实践意义
对于有凌汛灾害的河流，即使在小流量的情况下，也可能形成漫滩水流，特别是一旦河道中形成冰塞、冰坝，将同时堵塞主槽和漫滩，急剧缩小过水断面面积，导致漫坝事故。因此明确不同冰情条件下的复式断面河流过流能力和水力特性，不仅具有重要的理论意义，而且还有广泛的实际应用价值。
天然河道常为具有主槽和滩地的复式断面，明流条件下，当流量较低时，水流在主槽内流动；洪水时，水位超过滩面，形成漫滩水流。对于有凌汛灾害的河流，上述情况有所不同：浮冰堆积形成的冰盖会极大地增加湿周和水流运动阻力，即使在小流量条件下，也可能造成上游水位的大幅壅高，形成漫滩水流，特别是一旦河道中形成冰塞、冰坝，将同时堵塞主槽和漫滩，急剧缩小过水断面面积，导致漫坝事故。
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1.2 研究现状及分析
1.2.1 流速断面及冰盖相关研究
垂直于河道的主流方向的断面，为河道横断面，河道横断面的形状、尺寸等数据对于洪水计算，流速、流量、数值模拟计算有着至关重要的作用，我们常常把河道横断面抽象成矩形、梯形或者复式断面等形状。河道对于人类的作用多种多样，主要有排水排涝引水供水、生产供水、农业灌溉用水、船舶通航、景观建筑、蓄水发电、旅游观光等作用根据不同的用途要求,我们可能人工设计改造不同的河道横断面，此外自然界中也存在着可以概化为普通几何断面的河道断面。
（1）复式断面
复式断面河道是常见的人工和天然河道的断面形式，人工修建的复式断面河渠在北京、上海、大连等城市均有分布，当发生满滩洪水时，复式断面是自然河道的常见断面形式，虽然北方冬季河流处于枯水期，但是由于冰盖的形成，水流的过流能力大大减弱，所以小流量的水流也可能形成具有复式断面的漫滩水流。
（2）梯形断面和矩形断面
与复试断面相比较，梯形断面和矩形断面所需的地理地面积较少，因此，梯形断面和矩形断面经常被用于城镇中的河道建设。梯形断面或矩形断面相较于复式断面，具有一定的规则性，这使得二者应用在城镇河道的建设中时，可以提高河道的过流能力，加快污水的排放速度，然而，这样的规则性使其在美观度上有所下降，降低了河道的整体的可观性。其次，梯形断面或矩形断面大多使用笨拙的混凝土护岸工程，严重影响了水生物的生存环境和空间，对于水生态坏境起到消极作用，不利于水生态坏境的积极发展。
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第 2 章 应用 PIV 技术的冰盖下复式河槽流速分布测量试验
2.1 传统测量方式及办法
流速测量作为直接有效的了解“水流特性”的方法之一，目前，主流的流速测量方法包括：①螺旋桨式光学测速计（CollaborativeFilteringRecommendation）、②电磁测速（Content-basedRecommendation）、③多普勒超声测速仪（Knowledge-basedRecommendation）和④（HybridRecommendation）。由于 PIV 测速仪器高昂的造价，只在我国少数研究所和院校有所应用，随着各科研机构的科研经费的提高，PIV 测速设备也逐渐作为进入我国科研工作者的视线。本文意图介绍 PIV 技术在冰盖下复式断面渠道中流速测量的运用。
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2.2 PIV 技术的相关介绍
2.2.1 PIV 技术的相关发展
随着测试技术的发展，一些先进的测试方法应运而生其中就包括粒子图像测速（particle image velocimetry，PIV）技术。PIV 技术[43]是在动态图像捕捉技术和应用图像处理算法技术相结合的基础上发展起来的一种多维无干扰测试流场的方法，与被测流体介质无接触的测量方式，和够得到测量区域内瞬时的流场分布是PIV 技术的优势。这种流场测试技术已经在航空动力学，水力学等领域的获得普遍认可，并且在近几年发展迅速,甚至相继推广到非流体位移场的测试中。在 PIV 技术的研究历程里，有两点值得注意:一是如何获取高质量的图像,二是如何使匹配算法的精确性和准确度得到提高。PIV 技术的图像处理方法主要根据流场中示踪粒子的位置坐标决定的。依据示踪粒子的分布的稠密不同，可分为高低密度粒子两种分布相关法，其中，局部区域内粒子分布模型的相似性原理粒粒子分布相关法的理论基础，通过结合互相关算法的图像处理的一种方法。Adrian[3]首先提出了PIV方法，张玮等[76]通过实验验证了 PIV 技术对于研究复杂的流体运动结构的实用性。因为曝光时间仅为 100 微秒到 200 微秒，所以可以认定所测得的示踪粒子的速度就是通过图像处理所得的瞬时速度。将 PIV 技术尝试引入到冰盖下的流场、流速的模型试验中具有重要的意义。
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第 3 章 冰盖下复式断面渠道水流阻力........................ 23
3.1 冰盖下复式断面渠道和明渠的阻力系数...........................23
3.2 冰盖下复式断面渠道综合糙率计算方法...........................26
第 4 章 冰盖下复式断面横向沿水深的平均流速........................27
4.1 冰盖下复式断面渠道的垂直断面的平均流速.................27
4.2 实验设计.......................30
第 5 章 冰盖下复式断面渠道动量运输系数研究................................49
5.1 冰盖下复式断面渠道动能损失强度分析.......................... 49
5.2.1 动能损失机理................................ 52
5.2.2 横向动能校正系数和动能损失率的计算式...................52
第 6 章 冰盖下复式断面渠道的流速分布
6.1 冰盖下复式断面渠道的流速分布
垂线平均流速分布的研究对河床演变及污染物的输移扩散具有重要意义，也是是复式河槽水流特性的基本水力要素。目前，复式河槽垂线平均流速分布的计算方法有以下几种：SKM 法[25]，SKM-K 法[7]，SKM-λ法[4]，杨中华法[75]，许唯临法[67]和刘超法[52]。SKM 法由 Shiono &Knight 提出，参考了 Shiono&Knight、Abril、Tominaga、Chlebek 及 Tang 等人的成果发现[14][13][1][34][6][32]，通过将雷诺平均方程沿水深方向积分求解出复式河槽的垂线平均流速分布的基本方程。SKM-λ法由Ervine 提出，是在 SKM 法的基础上将二次流项与流速密切联系起来，假设流速与垂线平均流速呈正相关。杨中华法是通过结合前两个方法，先根据不同积分假定将动量方程沿水深方向积分，再将二次流项与流速联系起来。许唯临法将 SKM 法中的二次流项归入雷诺应力项，推导出无需通过联立求解系数方程组的方法，将主槽和滩地的流速分布曲线直接相接，求出漫滩水流流速分布的计算式。刘超法是通过英国科学与工程研究理事会的洪水水槽设备实验资料计算了二次流项系数，发现二次流项系数是沿y方向发生变化的。庞炳东[56]实际测量了复式断面的洪水资料，发现了导致流速分布发生不均匀突变的原因，但随着水深不断变大，滩槽间的流速梯度逐渐变小，流速分布又趋于均匀。吉祖稳[48]发现了漫滩水流的特点，通过将复式河槽划分为滩地平衡区、滩槽交互区、主槽平衡区及边壁区，研究了不同区受滩槽动量交换的作用，其中滩地平衡区和主槽平衡区较小，其流速通常为常数，垂线分布符合对数分布，水流特性与单一河槽相同；而在滩槽交互区，流速梯度大，水流具有明显的三维特性，故此处将作为研究复式河槽水流特性的重点区域。
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第 7 章 结论与展望
7.1 论文总结
本文以流体力学、河流泥沙动力学理论、系统动力学理论为基础,通过系列实体模型试验，探究了冰盖下复式河槽水流阻力、动量交换机理、过流能力、流速分布等水力特性，
