□張良

張家口市區(qū)河道最大冰厚預(yù)測(cè)

□張良

分析最大冰厚的影響因素及計(jì)算方法，以累積日平均負(fù)氣溫為基礎(chǔ)，對(duì)張家口市區(qū)河道最大冰厚進(jìn)行預(yù)測(cè),計(jì)算成果與實(shí)際觀測(cè)資料相比精度較高，可以作為張家口市區(qū)河道最大冰厚推求的依據(jù)。

張家口市區(qū)；最大冰厚；預(yù)測(cè)

冰厚的影響因素主要是由氣溫、輻射、水溫、積雪、流速、污染物以及人類(lèi)活動(dòng)的影響等組成。氣溫是影響冰厚的重要因素之一，且容易獲得，可以通過(guò)對(duì)氣溫的分析研究對(duì)冰厚進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.冰厚的計(jì)算方法

德國(guó)科學(xué)家Stefan于19世紀(jì)80年代，在提出冰層表面溫度與大氣溫度相等的假設(shè)基礎(chǔ)上建立了冰厚的熱量平衡方程:

式中：

ki—冰的傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；

Ta—?dú)鉁?，℃?/p>

t—時(shí)間，s；

hi—冰厚，m；

Li—結(jié)冰潛熱，J/kg；

ρi—冰的密度，kg/m3。

由熱量平衡方程可以推導(dǎo)出冰厚的計(jì)算公式：

式中：

α-經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，W/(m·K)；

Ta(t)-氣溫，℃；

式中：

k—系數(shù)，可以通過(guò)實(shí)測(cè)冰厚與實(shí)測(cè)的日累積負(fù)氣溫得出；

-T—自秋季日平均氣溫穩(wěn)定轉(zhuǎn)負(fù)之日起的累積日平均負(fù)氣溫，℃。

這與《冰情觀測(cè)規(guī)范》中冰厚計(jì)算公式是一致的。

2.張家口市區(qū)河道最大冰厚預(yù)測(cè)實(shí)例

表1 張家口水文站實(shí)測(cè)最大冰厚與推求冰厚誤差表

以張家口市區(qū)內(nèi)清水河代表站張家口水文站觀測(cè)的氣溫和冰厚為例，推算張家口市區(qū)河道斷面處的最大冰厚。

張家口水文站自2008年1月將測(cè)驗(yàn)斷面遷至通泰大橋上游，2009年9月張家口水文站測(cè)驗(yàn)斷面處橡膠壩運(yùn)行蓄水，自此測(cè)驗(yàn)斷面位于橡膠壩內(nèi)，近幾年封凍期橡膠壩蓄水水深一直保持著1.5m以上。

選取張家口水文站2014年11月～2015年3月、2015年11月～2016年3月的日平均負(fù)氣溫（以每日8時(shí)觀測(cè)的負(fù)氣溫代替）及實(shí)際觀測(cè)冰厚資料，點(diǎn)繪冰厚與散點(diǎn)關(guān)系圖，見(jiàn)圖1。通過(guò)點(diǎn)群中心繪制關(guān)系曲線可以看出，冰厚與的關(guān)系是冰厚逐漸增加，也逐漸增加，到達(dá)最大冰厚以后，雖然仍然增加，但冰厚在逐漸較少，這時(shí)候出現(xiàn)一個(gè)臨界點(diǎn)，這與2008年李志民提出的在臨界累積日平均負(fù)氣溫前，冰厚與累積日平均負(fù)氣溫正相關(guān)，在臨界累積日平均負(fù)氣溫后，冰厚與臨界累積日平均負(fù)氣溫負(fù)相關(guān)的觀點(diǎn)是一致的。

圖1 冰厚與累積日平均負(fù)氣溫關(guān)系圖

表1為清水河代表站張家口水文站2014年11月～2016年3月實(shí)測(cè)最大冰厚與推求冰厚誤差表，通過(guò)冰厚系數(shù)計(jì)算最大誤差為4cm，最大相對(duì)誤差絕對(duì)值在7%以?xún)?nèi)，通過(guò)關(guān)系圖查線最大誤差為4cm，最大相對(duì)誤差絕對(duì)值在5%以?xún)?nèi)，具有較高精度。兩種方法產(chǎn)生偏差的較大原因是關(guān)系圖查線需要繪制通過(guò)點(diǎn)群中心的關(guān)系曲線，受人為經(jīng)驗(yàn)、主觀的影響有所偏差。

3.結(jié)論

冰厚的計(jì)算參數(shù)氣溫可以通過(guò)水文站實(shí)測(cè)氣溫資料或氣象局資料來(lái)獲得，通過(guò)以上方法計(jì)算最大冰厚的精度較高，可以作為張家口市區(qū)河道最大冰厚推求的依據(jù)。□

2017-06-14

張良，男，漢族，張家口水文水資源勘測(cè)局，高級(jí)工程師。