張邀丹 郜國(guó)明 鄧宇 李志軍 李國(guó)玉 郭維東

摘要：掌握黃河河冰的基本物理性質(zhì)是研究黃河冰凌災(zāi)害的必要條件。通過(guò)在黃河巴彥淖爾段渡口、四科河頭、敖包、三湖河口4個(gè)河道斷面主河槽、岸邊河冰及烏梁素海的湖冰現(xiàn)場(chǎng)取樣，觀測(cè)冰下流速、冰晶體結(jié)構(gòu)、冰密度和含泥量，分析結(jié)果表明：黃河巴彥淖爾段河道內(nèi)不同位置冰層中的冰晶體結(jié)構(gòu)差異明顯，單一的粒狀冰和柱狀冰很少，大部分冰晶體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為粒狀冰與柱狀冰相互交替，而烏梁素海湖冰的晶體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為顯著的柱狀冰;流速在一定程度上會(huì)對(duì)冰的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響;冰密度隨冰內(nèi)含泥量的增大逐漸變大，且不同類型冰晶體的冰內(nèi)含泥量不同，黃河巴彥淖爾段河冰密度和含泥量波動(dòng)范圍大，明顯大于烏梁素海湖冰密度和含泥量。

關(guān)鍵詞：河冰;晶體結(jié)構(gòu);冰密度;含泥量;黃河巴彥淖爾段

中圖分類號(hào)：TV311;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

冰作為水的固態(tài)形式，其自身的物理性質(zhì)與生長(zhǎng)環(huán)境密不可分，并且控制著冰的力學(xué)性質(zhì)[1]以及冰的其他性質(zhì)。每年冬季，我國(guó)北方地區(qū)河流、湖泊和部分海域均會(huì)產(chǎn)生冰凍現(xiàn)象，這些冰凍現(xiàn)象與人民生活、生產(chǎn)息息相關(guān)，一直以來(lái)備受關(guān)注。黃河是中國(guó)北方大河，水動(dòng)力條件復(fù)雜[2]，夾帶大量的泥沙，被稱為世界上含沙量最大的河流。其冬季冰情復(fù)雜，凌汛頻繁，冰凌可以對(duì)橋梁、堤壩等寒區(qū)水利工程造成不同程度的破壞，威脅河流、湖泊附近人民財(cái)產(chǎn)安全。國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)黃河河冰的研究十分重視，近年來(lái)在冰凌冰塞的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)方面取得許多研究成果[3-5]。關(guān)于黃河冰物理性質(zhì)的研究歷史較短，目前正在積極開(kāi)展這方面的研究，并將研究成果同冰的力學(xué)性質(zhì)聯(lián)系起來(lái)[6-7]，探索雷達(dá)探測(cè)黃河冰厚度的物理機(jī)制[8]，但目前對(duì)黃河冰物理性質(zhì)的研究水平仍然有待提高。冰晶體結(jié)構(gòu)、冰密度和含泥量是河冰的基本物理性質(zhì)指標(biāo)，本文以黃河巴彥淖爾段渡口、四科河頭、敖包、三湖河口4個(gè)河道斷面以及黃河的河跡湖烏梁素海的湖冰為調(diào)查對(duì)象，測(cè)量黃河河冰和烏梁素海湖冰的冰下流速，觀測(cè)它們的冰晶體結(jié)構(gòu)，測(cè)量其冰密度和冰內(nèi)含泥量，對(duì)比分析調(diào)查結(jié)果，期望在黃河冰基本物理性質(zhì)對(duì)黃河冰探測(cè)、預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)防的影響研究方面提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 調(diào)查方法

1.1 氣象監(jiān)測(cè)

烏梁素海是黃河的河跡湖，湖水均來(lái)自黃河，因此烏梁素海湖水和黃河河水水質(zhì)相同。冰層的生長(zhǎng)和消融與當(dāng)?shù)氐臍庀蟓h(huán)境有著密切關(guān)系，為了進(jìn)一步比較氣象因素對(duì)黃河河冰和烏梁素海湖冰冰晶體類型的影響，本次調(diào)查在烏梁素海設(shè)立自動(dòng)氣象站，用于對(duì)比烏梁素海和其附近黃河的氣溫變化趨勢(shì)和差異。圖1為黃河和烏梁素海在觀測(cè)期間的平均氣溫變化曲線。可以看出：黃河和烏梁素海在觀測(cè)期間氣溫變化趨勢(shì)一致，但氣溫波動(dòng)的情況不同，黃河河水冰凍過(guò)程的氣溫波動(dòng)比烏梁素海湖水凍結(jié)過(guò)程的氣溫波動(dòng)情況復(fù)雜，在整個(gè)觀測(cè)期間，黃河氣溫多次波動(dòng)到融點(diǎn)0℃以上，而烏梁素海氣溫持續(xù)低于0℃。

1.2 試樣采集

2016年1月28日-2月20日在黃河巴彥淖爾段4個(gè)河流斷面進(jìn)行取樣，4個(gè)取樣斷面從上游至下游分別為渡口、四科河頭、敖包和三湖河口。在黃河渡口和敖包斷面不同位置各取4個(gè)冰樣，在三湖河口和四科河頭不同位置各取2個(gè)冰樣，取樣時(shí)利用冰鉆鉆孔，然后用冰尺測(cè)得冰厚[9]，用電阻溫度計(jì)測(cè)量氣溫和冰溫。取樣時(shí)實(shí)測(cè)冰厚范圍為35～60cm，平均氣溫為-10.4℃，平均冰溫為-3.1℃。2016年1月22日在烏梁素海2個(gè)地點(diǎn)取2個(gè)冰樣，取樣時(shí)采樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)冰厚分別為43cm和45cm，平均氣溫為-20.8℃，平均冰溫為-4.7℃。取樣時(shí)標(biāo)記冰的生長(zhǎng)方向和正北方向，并用GPS對(duì)取樣地點(diǎn)進(jìn)行定位，記錄取樣位置和冰厚。

1.3 冰晶體制備

在氣溫低于-6℃的環(huán)境下，將取出的冰樣垂直冰面方向從上至下依次分割成高度為8～10cm的垂直試塊，在試樣上標(biāo)記順序和上下方向，并將試樣用于制作薄切片的側(cè)面用手工刨和砂紙磨平，同時(shí)用熱水袋加熱玻璃片至其溫度略高于0℃[10]，然后將用于觀測(cè)的冰樣側(cè)面貼到玻璃片上;在玻璃片上標(biāo)記試樣順序和上下方向;用手工刨將冰樣厚度修整至約為0.5mm[11]最后將制作好的薄冰片放在萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，進(jìn)行冰晶體結(jié)構(gòu)觀測(cè)[12]。

1.4 冰密度與冰內(nèi)含泥量測(cè)量

冰密度的測(cè)量方法有質(zhì)量一體積法和排液法兩種[13]，考慮到黃河冰物理調(diào)查要測(cè)量冰密度和冰內(nèi)含泥量2個(gè)指標(biāo)，采用質(zhì)量一體積法測(cè)量冰密度。將試樣垂直冰面方向從上至下依次分割成高度為5cm的冰塊，再加工成規(guī)格為10cm×10cm×5cm的試樣，用電子秤測(cè)試樣質(zhì)量，計(jì)算冰密度;然后將試樣放入塑料盒內(nèi)融化，經(jīng)過(guò)濾、烘干和干泥沙稱重，計(jì)算出單位體積冰試樣的冰內(nèi)含泥量。

1.5 冰下流速測(cè)量

采用ADCP多普勒流速儀對(duì)黃河封凍期冰下流速進(jìn)行測(cè)量。該儀器具有測(cè)量精度高，且在有流冰存在和含泥量大的情況下也能觀測(cè)到冰下流速的優(yōu)勢(shì)。在進(jìn)行冰下流速測(cè)量時(shí)，首先用冰鉆鉆孔，人工打開(kāi)冰蓋，然后將ADCP放入冰孔下，直接測(cè)量該冰孔位置冰下的垂線流速，最后計(jì)算出該測(cè)點(diǎn)的冰下平均流速。

2 調(diào)查結(jié)果

2.1 晶體結(jié)構(gòu)

由于采樣地點(diǎn)較多，因此僅從渡口、四科河頭、敖包和三湖河口4個(gè)河道斷面各列舉一例，烏梁素海列舉一例典型的冰晶體結(jié)構(gòu)圖，見(jiàn)圖2。由圖2可知：整體而言，冰晶體結(jié)構(gòu)類型有柱狀冰和粒狀冰;黃河巴彥淖爾段河道內(nèi)冰層至上而下的晶體類型分布比烏梁素海湖冰的晶體類型復(fù)雜，整個(gè)冰層為單一的粒狀冰或柱狀冰的情況較少，主要表現(xiàn)為粒狀冰和柱狀冰相互交替，而烏梁素海湖冰的晶體在整個(gè)冰層中均為柱狀冰。

2.2 冰密度和冰內(nèi)含泥量

同樣考慮到采樣測(cè)量點(diǎn)較多，僅從黃河巴彥淖爾段渡口、四科河頭、敖包和三湖河口4個(gè)河道斷面各選一次取樣，烏梁素海選擇一次取樣的結(jié)果，分析冰密度和冰內(nèi)含泥量沿深度方向的分布，見(jiàn)圖3、圖4。圖3和圖4顯示：黃河巴彥淖爾段河道內(nèi)不同點(diǎn)位的冰密度和冰內(nèi)含泥量沿深度方向的分布均表現(xiàn)為變化幅度大，分布規(guī)律性不強(qiáng)。而烏梁素海湖冰密度沿深度方向逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定;烏梁素海湖冰的冰內(nèi)含泥量沿深度分布具有一定波動(dòng)，深度0～5cm的冰內(nèi)含泥量明顯大于5～40cm的冰內(nèi)含泥量。

2.3 冰下流速

冰下流速的分布與斷面形狀、冰花和冰塞的厚度及位置有關(guān)。通過(guò)測(cè)量黃河河冰的冰下流速（見(jiàn)表1），發(fā)現(xiàn)渡口、四科河頭、敖包和三湖河口4個(gè)河道斷面不同點(diǎn)位冰下的流速均比烏梁素海冰下的流速大，且黃河巴彥淖爾段不同采樣點(diǎn)冰下的流速不同，分布情況復(fù)雜。本次測(cè)得黃河12個(gè)采樣點(diǎn)的冰下流速范圍為0.30～1.02m/s，烏梁素海的冰下流速均為0.01m/s。

2.4 晶體結(jié)構(gòu)、冰密度和含泥量對(duì)比分析

將渡口、四科河頭、敖包、三湖河口4個(gè)河道斷面12個(gè)采樣點(diǎn)及烏梁素海2個(gè)采樣點(diǎn)的冰晶體結(jié)構(gòu)類型、冰晶體中粒狀冰和柱狀冰所占總冰厚的百分比、冰密度、冰內(nèi)含泥量的變化范圍和采樣時(shí)用ADCP測(cè)試的冰下流速統(tǒng)計(jì)在表1，并繪制各采樣點(diǎn)冰層中柱狀冰占比與流速的關(guān)系圖（圖5）和冰密度與冰內(nèi)含泥量的關(guān)系圖（圖6）。結(jié)合圖2的冰晶體結(jié)構(gòu)和表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：黃河巴彥淖爾段河冰晶體結(jié)構(gòu)比烏梁素海湖冰晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，黃河冰不同取樣點(diǎn)冰晶體結(jié)構(gòu)類型不同，同一河道斷面、不同采樣位置的冰晶體結(jié)構(gòu)類型也不同，而且不同采樣位置的粒狀冰和柱狀冰所占總冰厚的百分比不同。而烏梁素海2個(gè)采樣點(diǎn)的湖冰晶體均為顯著的柱狀冰結(jié)構(gòu)。黃河巴彥淖爾段河道內(nèi)不同采樣點(diǎn)冰密度和冰內(nèi)含泥量變化范圍均比烏梁素海的大，黃河巴彥淖爾段冰密度和含泥量變化范圍分別為864.9～964.6、0～4.920kg/m³，烏梁素海冰密度和含泥量范圍分別為883.0～907.2、0.002～0.243kg/m³。盡管不同采樣點(diǎn)河冰冰內(nèi)含泥量范圍不同，但對(duì)比發(fā)現(xiàn)主河槽的冰內(nèi)含泥量明顯大于岸邊位置的冰內(nèi)含泥量，且它們?cè)诒鶎硬煌恢玫臄?shù)值變化較大，冰晶體結(jié)構(gòu)更替復(fù)雜。

從圖5可以看出：在流速低于0.3m/s時(shí)，整個(gè)冰層幾乎全部為柱狀冰;而流速為0.3～0.9m/s時(shí)，水動(dòng)力條件對(duì)冰層內(nèi)冰結(jié)構(gòu)類型的影響較大，隨著流速的增大，冰層中柱狀冰含量逐漸減小;當(dāng)流速大于0.9m/s時(shí)，冰層中柱狀冰含量趨于穩(wěn)定且柱狀冰占整個(gè)冰層的比例最小，整個(gè)冰層以粒狀冰為主。

敖包2#和三河湖口2#冰內(nèi)含泥量沿深度方向的分布變化較大，最大含泥量分別為4.153、4.920kg/m³。從圖6可以看出：無(wú)論是柱狀冰還是粒狀冰，冰密度都隨著冰內(nèi)含泥量的增大逐漸變大，但柱狀冰的冰內(nèi)含泥量相對(duì)粒狀冰的小。

通過(guò)對(duì)黃河巴彥淖爾段渡口、四科河頭、敖包、三湖河口4個(gè)河道斷面12個(gè)采樣點(diǎn)及烏梁素海2個(gè)采樣點(diǎn)的冰晶體結(jié)構(gòu)類型、冰密度和冰內(nèi)含泥量以及流速的觀測(cè)，對(duì)比分析冰晶體中粒狀冰和柱狀冰所占總冰厚的百分比可知：黃河巴彥淖爾段河道內(nèi)冰晶體結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜、冰密度和冰內(nèi)含泥量波動(dòng)范圍大，與烏梁素海湖冰差異明顯。本次冬季采樣時(shí)黃河各測(cè)點(diǎn)的冰下實(shí)測(cè)流速不同，假設(shè)在整個(gè)冰凍觀測(cè)期，黃河巴彥淖爾段河道內(nèi)冰下過(guò)流流量不變，根據(jù)水力學(xué)公式Q=AV（Q為流量，A為河道斷面面積，V為斷面流速）可知，隨著冰厚度的增大，河道斷面面積逐漸減小，而河道內(nèi)流量不變，則河道斷面冰下流速逐漸變大，冰下流速與斷面形狀、冰花和冰塞的厚度及位置有關(guān)，因此黃河河道內(nèi)流速是不穩(wěn)定的，這與張寶森等采用ADCP對(duì)黃河冰封期冰下流速的測(cè)量結(jié)果[14]以及惠遇甲和謝學(xué)東等對(duì)黃河冰封期水動(dòng)力條件的研究結(jié)果[15-16]一致，復(fù)雜的水動(dòng)力條件導(dǎo)致黃河冰晶體結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，封凍前，初生薄層冰在風(fēng)與水流的作用下堆積并迅速凍結(jié)，冰花和流冰在碎冰排交叉面快速凍結(jié)形成粒狀冰夾層或使粒狀冰與柱狀冰相互交替，水動(dòng)力條件的影響也會(huì)使粒狀冰生長(zhǎng)于柱狀冰內(nèi)，相對(duì)烏梁素海而言，在觀測(cè)期間，黃河氣溫波動(dòng)情況復(fù)雜，當(dāng)溫度高于冰的融點(diǎn)0℃時(shí)，冰開(kāi)始融化為水，當(dāng)溫度降低到融點(diǎn)0℃以下時(shí)，水又開(kāi)始凍結(jié)為冰，氣溫的升降導(dǎo)致黃河河冰生長(zhǎng)過(guò)程中經(jīng)歷了多次凍融循環(huán)，直接導(dǎo)致黃河河冰不能穩(wěn)定生長(zhǎng)，間接影響了黃河河冰的晶體結(jié)構(gòu)，使黃河河冰的晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。而烏梁素海湖泊面積大，水流緩慢，冰期可視為靜水，水動(dòng)力條件和凍結(jié)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，在觀測(cè)期間氣溫持續(xù)在0℃以下，隨氣溫的下降，湖水在穩(wěn)定的低溫條件下逐漸生長(zhǎng)為柱狀冰。黃河河水含沙量大是導(dǎo)致其冰內(nèi)含泥量大的主要原因，而烏梁素海湖冰的泥沙主要為湖泊附近的泥沙在風(fēng)力的帶動(dòng)下，隨風(fēng)飄落到冰表面，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)的輻射及冰表面的凍融作用滲入冰表層，導(dǎo)致烏梁素海湖冰表層含泥量明顯大于下層湖冰含泥量。含泥量不同是導(dǎo)致冰密度變化的主要原因，此外，氣泡含量和冰內(nèi)水柱也會(huì)影響冰密度[11]。黃河河冰中粒狀冰的冰內(nèi)含泥量相對(duì)柱狀冰的冰內(nèi)含泥量大，主要原因是柱狀冰生長(zhǎng)的水流條件相對(duì)穩(wěn)定，柱狀冰相對(duì)粒狀冰的冰內(nèi)晶界少、孔隙少，冰晶體相對(duì)密實(shí)，而粒狀冰主要存在于冰花冰塞當(dāng)中，冰內(nèi)晶界多、孔隙多，冰晶體不密實(shí)導(dǎo)致冰內(nèi)易存泥沙，因此粒狀冰的冰內(nèi)含泥量比柱狀冰的大。

3 結(jié)論

（1）黃河巴彥淖爾段河道內(nèi)不同取樣點(diǎn)的冰晶體結(jié)構(gòu)類型不同，單一粒狀冰和柱狀冰的情景較少，大部分冰層從上至下的冰晶體表現(xiàn)為粒狀冰與柱狀冰相互交替。烏梁素海靜水中生長(zhǎng)的淡水冰，晶體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為顯著的柱狀冰。相對(duì)烏梁素海而言，黃河的氣象因素和水動(dòng)力條件是導(dǎo)致其冰晶體結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜的主要因素。

（2）黃河巴彥淖爾段河道內(nèi)河冰的冰密度和冰內(nèi)含泥量的變化范圍相對(duì)烏梁素海湖冰的大，黃河巴彥淖爾段河冰的冰密度和冰內(nèi)含泥量的變化范圍分別為864.9～964.6、0～4.920kg/m³，烏梁素海湖冰的冰密度和冰內(nèi)含泥量的變化范圍分別為883.0～907.2、0.002～0.243kg/m³。

（3）冰內(nèi)含泥量不同是導(dǎo)致冰密度變化的主要原因，且粒狀冰冰內(nèi)含泥量相對(duì)柱狀冰冰內(nèi)含泥量大，但無(wú)論粒狀冰還是柱狀冰，其冰密度均隨冰內(nèi)含泥量的增大而變大。

（4）黃河巴彥淖爾段河道內(nèi)河冰的冰密度和冰內(nèi)含泥量沿深度方向波動(dòng)幅度大，不同采樣點(diǎn)冰密度和含泥量變化范圍不同;烏梁素海湖冰的冰密度沿深度方向逐漸減小，但冰內(nèi)含泥量沿深度方向波動(dòng)幅度相對(duì)較大，冰表層0～5cm的冰內(nèi)含泥量明顯大于深度5～40cm的冰內(nèi)含泥量。

參考文獻(xiàn)：

[1]TIMCO G W，WEEKS W F.A Review of the EngineeringProperties of Sea Ice[J].Cold Regions Science&Technolo-gy，2010，60（2）：107-129.

[2]梁卉.黃河包頭段彎曲河道水流特性及河道沖淤特性分析[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017：1-49.

[3]劉吉峰，霍世青，王春青.黃河凌情預(yù)報(bào)研究與防凌需求[J].中國(guó)防汛抗旱，2017，27（6）：10-13.

[4]鄧宇，岳瑜素.基于無(wú)人機(jī)航測(cè)的黃河冰凌監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究[J].中國(guó)防汛抗旱，2016，26（4）：34-38.

[5]艾明耀，姚遠(yuǎn)，徐路凱.輕小型地面雷達(dá)近實(shí)時(shí)冰凌監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].人民黃河，2016，38（8）：31-33.

[6]肖贊，張寶森，鄧宇，等.黃河冰斷裂韌度的巴西試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2017，39（4）：43-47.

[7]王慶凱，張寶森，鄧宇，等.黃河冰單軸壓縮強(qiáng)度的試驗(yàn)與影響因素探究[J].水利水電技術(shù)，2016，47（9）：90-94.

[8]張寶森，張防修，劉滋洋，等.黃河河道冰層雷達(dá)波特征圖譜的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2017，15（1）：121-125.

[9]雷瑞波，李志軍，秦建敏，等.定點(diǎn)冰厚觀測(cè)新技術(shù)研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，2009，20（2）：287-292.

[10]SCHWARZ J，F(xiàn)REDERKING R，GAVRILLO V，et al.Standardized Testing Methods for Measuring MechanicalProperties of Ice[J].Cold Regions Science andTechnology，1981，4（3）：245-253.

[11]李志軍，賈青，黃文峰，等.水庫(kù)淡水冰的晶體和氣泡及密度特征分析[J].水利學(xué)報(bào)，2009，40（11）：1333-1338.

[12]王國(guó)志，黃文峰，李志軍，等.大慶紅旗泡水庫(kù)冰內(nèi)部組構(gòu)觀測(cè)方法[J].黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào)，2009，36（4）：75-78.

[13]董領(lǐng)鋒，袁英.采用排液法測(cè)量多孔材料的密度[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程，1998（1）：77-80.

[14]郜國(guó)明，張寶森，張防修，等.ADCP技術(shù)在黃河河道冰下流速監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].人民黃河，2018，40（6）38-42.

[15]惠遇甲.長(zhǎng)江黃河垂線流速和含沙量分布規(guī)律[J].水利學(xué)報(bào)，1996，27（2）：11-17.

[16]謝學(xué)東，李萬(wàn)義，趙惠聰，等.黃河內(nèi)蒙古段封凍期垂線流速分布規(guī)律分析[J].人民黃河，2005，27（1）：30-32.