利用二维三分量PIV（2D3C PIV）技术，对明渠、半覆冰和全覆冰条件下的水沙流场进行可视化测量，揭示冰盖边界对速度分布、局部涡结构及泥沙颗粒迁移的影响，为黄河冰期水沙调控与寒区农业水土生境韧性研究提供实验依据。

1 研究背景

2026年全国农业水土工程学术年会以“高水效农业与绿色发展”为主题，设置了农业水土生境调控与韧性提升、水土资源优化配置与高效利用等议题。其中“农业水土生境调控与韧性提升”与寒区河流冰期水沙演变问题具有较高相关性。冰盖形成后，河道上边界条件、近床剪切作用、泥沙起动条件及局部输沙能力均会发生变化，影响河道稳定、凌汛安全及区域水土资源调控。

图1-2026年全国农业水土工程学术年会现场

黄河宁蒙河段冬季封冻时间较长，河道易发生冰塞及泥沙淤积等问题。冰盖会改变水流速度分布和阻力结构，水动力变化进一步影响泥沙起动、悬移、推移与沉积过程，而河床形态调整又会反作用于局部流场。由此形成的冰—水—沙耦合输移过程，是影响黄河冬季河道稳定和水资源调度的重要基础问题。

现有研究多依赖理论解析与CFD数值模拟和点式流速测量方法。理论模型和计算流体力学方法虽有助于描述宏观演化规律，但其结果依赖边界条件、湍流模型及颗粒输移参数；传统点式仪器虽然能够获得局部流速，却难以完整呈现冰盖前缘、沙丘背流区和近床层等区域的瞬态流场结构。

为此，内蒙古农业大学引入千眼狼（Revealer）二维三分量PIV（2D3C PIV）技术，追踪泥沙颗粒尺度上的起动-悬停-输移全过程，定量研究冰盖边界条件下，垂向流速分布与近床紊动结构的改变对淤沙颗粒的起动概率与输移路径的影响。

2 实验目的与技术路线

实验主要目的，是验证2D3C PIV技术在明渠及覆冰条件下开展水沙流场测量可行性，并比较不同冰盖覆盖状态对流场结构和泥沙颗粒运动的影响，识别典型流动结构，为后续冰-水-沙耦合机理研究提供实验基础。

实验设置明渠、半覆冰和全覆冰三种典型工况、明渠工况用于表征自由液面条件下的基础水沙运动状态；半覆冰工况用于模拟局部封冻或冰盖发展阶段，重点观察自由液面与固定冰盖交界处的流动过渡；全覆冰工况用于表征上、下边界共同约束下的流动特征。通过对三种工况的速度矢量图、速度云图、流线图和颗粒运动参数比较，分析冰盖边界对流速分布、局部涡结构和泥沙迁移状态的影响。

3 实验设备与测量方法

3.1 实验依托内蒙古农业大学明渠实验平台开展。2D3C PIV测量系统由2台高速摄像机、连续激光器、标定装置、示踪颗粒、同步采集与流场分析软件组成。2台高速摄像机为千眼狼（Revealer）X150M型，图像分辨率@帧率为2560×1920@2000 fps，测试帧率为1000 fps；照明系统为20 W连续激光器，将激光整形成片光后照射测量区域。实验使用粒径50~100 μm的颗粒作为流动与泥沙运动识别对象，图像数据通过RFlow4 软件完成标定、图像预处理、速度场求解和结果可视化。2台高速摄像机相机从不同视角同步观测同一激光测量平面，通过立体标定建立图像坐标与物理空间坐标之间的映射关系。在完成相机内外参数标定后，利用2台相机获得的粒子位移信息重构测量平面内的三分量速度，进而分析覆冰边界诱导的离面运动。

图2-2D3C PIV系统耦合设备布置图（1-高速摄像机、2-镜头、3-激光器、4-标定装置、5-示踪粒子、6-辅助支架、7-工作站、8-实验明渠）

3.2 实验工况

实验围绕三种典型上边界条件展开。明渠条件下，水面保持自由状态，流场主要受重力、床面摩阻及沙床形态共同控制。半覆冰条件下，测量区域同时存在自由液面与固定冰盖，上边界条件沿流向发生突变。全覆冰条件下，水流受冰面与沙床双重约束，形成近似封闭水流通道。

三种工况均关注沙床邻近区域，沙丘迎流面与背流面附近的速度分布，并同步观察颗粒的起动、迁移、减速和滞留现象。由于本次实验测试样本数量有限，结果分析以定性比较为主，不对各工况间的输沙率、临届起动流速和粒径分选规律作统计性推断。

3.3 标定与图像处理

沙床实验标定难点在于床面起伏会遮挡标定板部分区域，并导致标定平面与实际测量平面不一致。实验中先降低测量区域内沙床高度，在无遮挡条件下完成标定，再将泥沙回填至规定位置，并在测试前将局部床面整平，从而减小沙坑对成像及标定的影响。该方法能够保证标定板特征点完整识别，并提高近床区域速度场重构的可靠性。

针对黄河泥沙介质浑浊、颗粒反光差异化大和冰面波纹影响片光传播等问题，实验对泥沙进行了清洗、筛选和粒径分级，并通过图像增强、背景抑制和阈值分割改善粒子识别效果。整体水流速度场采用PIV互相关方法求解；对于尺寸较大、可独立识别的泥沙颗粒，则采用PTV方法提取其位置、粒径、速度和加速度信息。PIV用于描述连续流场结构，PTV用于补充离散颗粒运动特征，两者共同构成水流-颗粒协同分析方法。

图3-利用千眼狼（Revealer）RFlow 软件PTV模块计算的泥沙颗粒粒径、X/Y方向速度、加速度

4 实验结果与分析

4.1 明渠工况

速度矢量整体沿渠向排列，主流方向较为明确。近沙床区域矢量长度较短，随垂向位置升高逐渐增大，反映出床面摩阻造成的速度梯度。速度云图显示，中上层为相对高速区，近床层形成连续低速带。水流越过沙丘顶部后，背流侧出现速度下降和局部回流。

流线图进一步表明，沙丘迎流面流线逐渐抬升，经过丘顶后发生分离，在背流侧形成局部漩涡。该回流区具有较弱的平均输运能力，运动颗粒进入后容易减速、停留或沉积。颗粒识别结果与流场特征基本一致：近床高剪切区域的颗粒活动较明显，而沙丘背面颗粒迁移速度降低。明渠条件下的水沙运动主要受床面地形和自由液面流动共同控制，局部“迎流冲刷-背流沉积”特征较为突出。

4.2 半覆冰工况

速度场呈现明显的空间过渡特征，未覆冰区域的速度矢量较长，进入覆冰区后矢量长度减小，方向也发生局部调整。速度云图显示，高速区主要分布于自由液面段及冰盖前缘附近。

流线在冰盖起始位置发生压缩、偏转和重组，说明自由液面边界向固定冰盖边界的转换显著改变了局部动量分布。与明渠工况相比，半覆冰流场的非均匀性更强，冰盖前缘可能形成较大的速度梯度和局部扰动。颗粒在未覆冰段更易被水流携带，而进入覆冰段后运动趋缓，部分颗粒可能因输运能力下降发生滞留。

4.3 全覆冰工况

速度矢量图在近冰面和近床面区域均较短，中部水层相对较长，形成“上下低、中间高”的速度分布。速度云图表明，整体高速区范围明显缩小，并向水层中部集中，近床与近冰面区域均表现为低速带。

流线主要沿中部通流区域展开，较明渠条件下更为集中，沙丘背流侧的回流结构仍可出现但流动强度集体减弱。颗粒识别结果显示，泥沙颗粒的活动范围和运动强度均有所下降，持续悬浮和快速迁移现象减少。该结果说明，在上下边界共同约束下，冰盖不仅改变了速度剖面，也削弱了近床区对颗粒的动量输入，对泥沙起动和再悬浮具有一定抑制作用。

4.4 三工况对比

三种工况反映出冰盖边界逐步增强时流场由自由发展向受限输运转变的过程。明渠条件下，流场受沙床形态控制较强，背流侧回流和泥沙滞留较为明显；半覆冰条件下，上边界沿流向突变，速度分布与流线结构最不均匀；全覆冰条件下，主流区向中部收缩，整体流动强度和近床颗粒活动减弱。

从速度场结构看，冰盖的主要作用是重新分配水层内的动量。随着覆冰范围增大，高速区域逐渐由中上层宽范围分布转变为中部集中分布，近床区剪切和输沙能力相应发生变化。从颗粒响应看，明渠条件更有利于颗粒起动和再分布，半覆冰条件表现出明显的空间分区效应，全覆冰条件下颗粒运动总体趋缓。

图4-明渠、半覆冰、全覆冰工况下X150型高速摄像机捕获的原始粒子图、后处理计算的速度矢量图、速度云图、流线图

5 实验结论

本研究基于千眼狼（Revealer）2D3C PIV技术，对明渠、半覆冰、全覆冰条件下的水沙流场进行了实验测量。结果表明：

I. 三种上边界条件形成了具有明显差异的速度分布和流线结构。明渠流场受沙床形态控制明显，沙丘背面易形成回流和颗粒滞留；半覆冰条件下，高速区向水层中部收缩，近床流动和颗粒活动总体减弱。

II. PIV与PTV协同分析能够同时提供连续水流速度场和离散颗粒运动信息，适用于冰-水-沙耦合输移过程的实验观测。能够为寒区河流水沙运动研究提供新的实验手段。

III. 后续研究可进一步引入三维三分量的粒子图像测速PIV技术（3D3C PIV）与三维颗粒追踪PTV技术，以解析冰-水-沙耦合输移过程沿流向和展向的完整三维涡结构。