冰層溫度場及冰蓋厚度演變分析

孫同非,萬守朋,李春良（.山東省交通運輸廳京杭運河工程建設辦公室,濟南　5004；.山東省交通規(guī)劃設計院,濟南　5003）

冰層溫度場及冰蓋厚度演變分析

孫同非1,萬守朋1,李春良2
（1.山東省交通運輸廳京杭運河工程建設辦公室,濟南250014；2.山東省交通規(guī)劃設計院,濟南250031）

摘要：研究冰厚的演變過程是分析冰凌演變過程的基礎。本文通過連續(xù)觀測到的冰溫及冰厚實驗數據，探討了冰層溫度場及冰厚的演變過程及影響因素，并與一種冰厚計算方法進行了對比。

關鍵詞：冰厚;演變過程;溫度場;影響因素

1　引言

冰的生消演變與其運動是一個非常復雜的物理過程，涉及到水動力、機械力和熱力等因素[1]。輸水渠道冰生消過程主要由其熱力要素控制，并可通過冰熱力模式進行模擬。本文主要研究冰蓋內溫度場和冰厚度隨著氣溫等因素的變化情況，并在深入分析冰蓋生長、消融機理的基礎上，以觀測數據驗證實用的冰厚計算方法。

2　冰情觀測試驗

2.1試驗布置及測量

為了準確把握天然冰在冰期生長情況及冰的熱力學因素對其影響，研究各相關因素之間的關系，采用加氣砂漿砌筑了長度為2.5m，寬度為1.5m，高度為1m的室外防凍裂水池，以便于密切觀測冰的動態(tài)。從2012年12月開始，開展了冰厚及不同位置溫度觀測試驗。自2012 年12月22日起，試驗池水面開始封凍。共選定三個觀測點，連續(xù)進行了定點位置的冰厚、冰溫、氣溫和水溫的觀測。為了更加準確地掌握冰蓋厚度、冰溫、水溫在一天中的變化和日平均冰厚的發(fā)展，每日進行六次觀測。觀測時間分別為：上午8：00、10：00、12：00、14：00、16：00和18：00。

2.2測量方法

冰厚測量選取三個測點，平均布置在池邊距離池中心三個位置，當水面開始結冰之日起，每次測量時將測量桿輕輕向上提起，直至測量桿下部橫板抵觸冰面下表面，讀取測量桿上刻度，即可確定冰厚。將測量架固定在試驗池中心位置，根據以往經驗預估最大冰厚，在水面及以下間隔60mm共設置6個溫度傳感器，同時又分別在水底放置一個溫度傳感器測量水溫，冰面上200mm處放置一個溫度傳感器測量氣溫。

2.3觀測結果分析

由于觀測數據較多，全部用來生成圖表會導致圖表顯示混亂，難以進行分析。此處選取1月11日至18日所測得的數據，因此時水面已徹底封凍，該數據具有一定代表性。

圖1　冰層溫度及水溫隨氣溫變化曲線

從上圖中不同時刻冰層內溫度及水溫隨著氣溫變化曲線，可以看出，冰層內溫度場隨著氣溫變化明顯，越接近冰上表面的測點冰溫隨氣溫變化越明顯。同時分析可知，當氣溫持續(xù)降低，冰表面溫度最低，冰下下表面溫度最高，形成上冷下熱的漸次增高的分布；當氣溫持續(xù)升高時，冰表面溫度最高，冰下下表面溫度最低，形成下冷上熱的漸次變化分布。當氣溫在變化幅度較小的區(qū)域內反復升降，冰層內溫度場就出現上下表面熱，中間冰層溫度低的“外熱內冷”分布。

水溫變化曲線隨著氣溫的變化并沒有太大的浮動，十分趨近于0℃，可以假定冰層下表面和水溫是一樣的，都是0℃。

2.4氣溫對冰厚影響分析

通過對比各測點冰厚變化過程和天氣狀況之間的關系發(fā)現，持續(xù)低溫作用是影響冰蓋厚度的主要因素。同時，降雪之類的天氣變化對冰蓋厚度的變化也有重要影響。

3　冰蓋厚度計算方法

練繼建[3]忽略了水、冰熱傳導對冰厚的影響，提出了靜水冰厚預測的輻射冰凍度-日法。該計算方法不需要經驗參數，各參數物理定義明確，具有廣泛的適用范圍。

4　冰厚計算算例

對2012.12～2013.1期間試驗池冰厚觀測數據，采用公式（1）的冰厚計算方法計算，并將計算結果與實測值進行對比，見圖2。

圖2　冰厚實際演變與計算結果對比

根據對比圖可以看出，公式（1）對靜水冰厚演變的計算是相當合理的。

5　結語

（1）氣溫對冰層內溫度場形成有重要作用。當氣溫持續(xù)升或降，冰層內溫度場都呈線性分布，當氣溫在較小范圍內反復升降變化，引起冰層出現“冷中間層”和“熱中間層”的分布；

（2）持續(xù)低溫作用是影響冰蓋厚度的主要因素。同時，降雪之類的天氣變化對冰蓋厚度的變化也有重要影響；

（3）在充分的實驗數據基礎上，驗證了簡易的冰厚計算方法，用以描述冰厚生長、消融的全過程。

參考文獻:

[1]茅澤育,吳劍疆,佘云童.河冰生消演變及其運動規(guī)律的研究進展[J].水力發(fā)電學報,2002(01):153-160.

[3]練繼建，趙新.靜動水冰厚生長消融全過程的輻射冰凍度-日法預測研究[J].水力學報,2011,42(11):1261-1267．