冰層厚度監(jiān)測技術(shù)的研究進展

王 星，賈 青

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150086)

在北方寒冷地區(qū)，由于氣溫的降低，會在江河湖海的表面形成厚度不等的冰蓋，在形成過程中和形成后對水工建筑物產(chǎn)生靜冰壓力與動冰壓力兩種作用力，從而造成不同形式的破壞。在地球表面，常年處于冰凍的地區(qū)約達到3.0×107km2，加上季節(jié)性冰凍地帶，約占地球表面的40%。而我國的寒區(qū)主要分布在東北地區(qū)、黃河上游，以及高海拔的青海西藏地區(qū)，這些地區(qū)比較分散，當(dāng)?shù)貧夂驐l件差別很大，對冰的形成有不同的影響，造成冰內(nèi)部結(jié)構(gòu)、冰層生消變化和力學(xué)性質(zhì)往往不同。因此不同地區(qū)的冰要加以區(qū)別的研究，不能一概而論。

冰層生消變化最顯著的特征就是冰層厚度的變化。Ashton提出冰厚是研究河冰和湖冰最重要的物理參數(shù)[1]，同時也是冰情監(jiān)測與預(yù)報最為重要的參數(shù)之一。冰層厚度生消過程的分析對寒區(qū)的航運和水資源的利用也都極為重要[2]。

正因為冰層厚度是寒區(qū)冰工程領(lǐng)域中主要的參數(shù)之一，所以準(zhǔn)確的監(jiān)測冰層厚度尤為重要。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，測量冰厚的方法也不斷的擴充和完善。依據(jù)對冰層的有無破壞，主要分為破壞式和非破壞式兩種方法。下面主要介紹這兩種測冰厚的方法，對今后的冰層監(jiān)測有參考和借鑒意義。

1 破壞式測冰厚

破壞式測冰厚主要是用某種儀器穿透整個冰層來達到測量冰厚的方法。此方法比較直觀簡便，測量數(shù)據(jù)容易讓人信服。但是工作量大，且破壞了原始的冰蓋，對冰層的生消有一定的影響。

1.1 鉆孔測冰厚

人類對冰厚的測量，最簡單也是最傳統(tǒng)的就是鉆孔測冰厚。以前人們用手搖鉆鉆透冰層，通過不斷地旋轉(zhuǎn)曲桿，使鉆頭不斷地鉆向冰層，最終鉆透冰層。因為此種測冰厚方法需要消耗人的很多力氣，不能連續(xù)且快速的操作，所以現(xiàn)在采用在鉆頭的另一端安裝電鉆的旋轉(zhuǎn)裝置，通過電鉆持續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)，能夠快速鉆透冰層，節(jié)省了大量的人力和時間，如圖1(a)所示。冰層轉(zhuǎn)透后，將米尺深入冰孔中，米尺要緊靠冰的側(cè)面，使米尺端部卡在冰層底部，然后蹲下讀取冰厚值。如圖1(b)所示。

圖1 鉆孔測冰厚及其讀數(shù)

1.2 電阻絲測冰厚

熱電阻絲測冰厚是通過電阻絲通電發(fā)熱，在冰內(nèi)形成一條可以自由移動的通道，測量冰面以上電阻絲的長度，進而求出冰層厚度的方法。此方法通過簡易的裝置固定在冰面上，可以定點測量某一點的冰厚值,如圖2(a)所示。該裝置主要由電阻絲、擋板、支架、重錘，以及導(dǎo)線和鉛蓄電池等共同組成。電阻絲使用電阻率大的鎳鉻合金，接通電源后，電阻絲可以在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量，從而融化周圍的冰，形成自由移動的通道。因為木頭導(dǎo)熱性能差且絕緣，適宜做裝置的支架。電阻絲底端的擋板和重錘，可以在提起電阻絲的時候卡在冰層底部，在放下電阻絲時可以自由下落。

實際測冰厚時，首先將電阻絲兩端接通電源，然后將電阻絲頂端的把手向上提，直到擋板卡在冰層底部，最后用尺子測量冰層上部電阻絲的長度。電阻絲總的長度是已知的，總長度減去冰層上部電阻絲長度，就是冰層的厚度值。示意圖如圖2(b)所示。此方法相對于鉆孔測冰厚，省時省力，簡單易行。許多冰工程領(lǐng)域的學(xué)者都采用此方法測冰厚值，如李志軍[2]采用此方法掌握了水庫空間上冰厚度的變化和取水口對冰生長的影響。

圖2 電阻絲裝置的現(xiàn)場圖及示意圖

2 非破壞式測冰厚

非破壞式測冰厚主要通過特定儀器，在不破壞冰層的條件下，得出冰厚值。此方法保留了冰層的原始形態(tài)，對冰下水動力條件沒有任何影響，可以得出準(zhǔn)確的冰厚值。此方法主要有超聲波法和探地雷達掃描法。

2.1 超聲波測冰厚

利用超聲波在介質(zhì)中的傳播特性，可以準(zhǔn)確測量冰層的厚度值。依據(jù)超聲波發(fā)射器的位置，分為冰層超聲測距和冰下超聲測距。冰層超聲測距是通過固定在冰層內(nèi)部發(fā)射器發(fā)射的聲波，記錄超聲在冰層內(nèi)部往返一次的時間，進而求出冰層厚度[3]。冰下超聲測距是通過固定在冰層下水中的超聲波發(fā)射器發(fā)射的聲波來測量冰層厚度的。此方法為全自動測冰厚裝置，不需要人為操作，能夠?qū)崟r監(jiān)測冰厚值，所以它能夠反映冰層連續(xù)生消變化情況。冰下超聲測冰厚原理為,超聲波發(fā)射器固定在底端為直角型的支架上，并且發(fā)射器朝冰層方向放置，放入冰下的水里，保持支架豎直狀態(tài)，直到冰孔中的水重新凍結(jié)使裝置永久固定在冰層中,如圖3(a)所示。利用已知超聲波在水中的傳播速度和超聲波發(fā)射后遇到冰面再返回到接收器的時間，可以計算出發(fā)射器和冰底面之間的距離。因此超聲測距儀測得的是冰底面的生消變化。將超聲波發(fā)射器放入水下后，應(yīng)及時測量發(fā)射器到冰面的距離，再減掉發(fā)射器和冰底面之間的距離，就是冰厚值。示意圖如圖3(b)所示。黃文峰[4]等人通過固定冰層頂部和底部的超聲測距儀，能夠?qū)崟r監(jiān)測冰層頂面和底面的變化情況。

圖3 冰下超聲測冰厚現(xiàn)場圖和示意圖

2.2 探地雷達掃描法

以上三種測冰厚方法都費時費力，不能在空間上加密測點，需建立水文氣象因子同冰生長的數(shù)值模擬來估算冰層厚度。在對冰層厚度精度要求不高的條件下，可以采用圖4的探地雷達對冰層掃描的方法，該方法具有高效、快速、無損和連續(xù)等特點。其原理為：雷達發(fā)射波的頻率對雷達波的穿透深度和分辨率起決定性作用，在實際操作時應(yīng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)雷達頻率以適用不同的冰厚。當(dāng)用雷達測量冰厚時，將雷達發(fā)射機對準(zhǔn)冰層發(fā)射超高頻寬帶短脈沖電磁波，當(dāng)遇到不同介質(zhì)交界面時，部分電磁波反射到接收器，接收器會對這些信號處理。因為空氣-冰界面和冰-水界面是不同介質(zhì)的界面，所以會反射電磁波。通過對電磁波圖像的處理，判斷出空氣-冰界面和冰-水界面，間接知道冰層厚度值。曹曉衛(wèi)[5]等人利用探地雷達探測黃河彎道及橋墩周圍冰層厚度。鄧世坤[6]采用探地雷達對冰架進行了剖面測量。

圖4 探地雷達實物圖

3 結(jié) 論

本文簡要介紹破壞式和非破壞式的四種監(jiān)測冰厚的方法，這些方法是相關(guān)學(xué)者對冰厚監(jiān)測的主要手段，經(jīng)過長期的野外實踐，也驗證了它們的準(zhǔn)確性和可靠性。

[1] Ashton G D. River and lake ice thickening, thinning, and snow ice formation[J]. Cold Regions Science & Technology. 2011,68(1): 3-19.

[2] 李志軍, 楊宇, 彭旭明,等. 黑龍江紅旗泡水庫冰生長過程現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的剖析[J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報, 2009, 25(3):270-274.

[3] 林海, 王海涵, 宮鵬. 超聲波在冰-水界面臨界入射角的實驗方法[J]. 工程與試驗， 2009,49(2): 18-20.

[4] 黃文峰, 韓紅衛(wèi), 牛富俊, 等. 季節(jié)性冰封熱融淺湖水溫原位觀測及其分層特征[J]. 水科學(xué)進展，2016,27(2): 280-289.

[5] 曹曉衛(wèi), 李春江, 顏小飛, 等. 利用探地雷達探測黃河彎道及橋墩周圍冰層厚度[J]. 南水北調(diào)與水利科技，2016,14(6): 91-95.

[6] 鄧世坤, 孫波. 冰面雷達探測揭示東南極Amery冰架內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本特征[J]. 工程地球物理學(xué)報， 2004,1(1): 1-9.