通肯河青岡段冰厚測量與分析

荊大威

（黑龍江省綏化水文水資源中心，黑龍江 綏化151600）

1 概述

本論文主要以通肯河青岡段為研究區(qū)域，在綜合分析與實(shí)地踏勘選取特征區(qū)域的基礎(chǔ)上，選用不同的方法對(duì)冰厚進(jìn)行測量，并分析冰厚的變化因素，通過對(duì)測量數(shù)據(jù)的比較分析得出各種方法的優(yōu)劣性，驗(yàn)證和分析常規(guī)測量方法和現(xiàn)代測量方法的不同。主要研究內(nèi)容包含以下幾點(diǎn)：a.通肯河青岡段冰情調(diào)查。b.冰厚變化和氣溫、流量等因素的分析。a.冰厚與氣溫的關(guān)系；b.冰厚與流量變化關(guān)系；c.冰厚與冰上積雪的關(guān)系；d.各種觀測方法的比較分析。

2 研究區(qū)域概況

2.1 通肯河青岡段概況：

通肯河又作“通鏗河”。松花江左岸支流呼蘭河的支流。位于黑龍江省中部。發(fā)源于小興安嶺西南麓。全長378 公里，河寬10-60 米，水深0.5-5.0 米，流域總面積10583 平方公里。每年11 月中旬至次年3 月上旬為結(jié)冰期。通肯河青岡段的地理座標(biāo)為東經(jīng)：126°14′02″北緯：46°44′47″。年平均氣溫2.4°-2.6°C，歷史最低氣溫-34.0 度，無霜期為85d 至130d。年平均降水量為477.0mm。春秋分明，冬長夏短。冬季氣候寒冷，最大冰厚一般在0.60m 以上。

表1 1-3 月份氣溫變化表

圖1 氣溫變化圖

圖2 歸一后的冰厚累計(jì)負(fù)氣溫圖

圖3 累計(jì)負(fù)氣溫模擬冰厚的指數(shù)圖及其公式

2.2 分析冰厚變化

氣候變暖引起全球生態(tài)環(huán)境惡化是21 世紀(jì)人類社會(huì)發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)問題之一。其中氣溫升高導(dǎo)致全球冰的大面積融化直接關(guān)系到世界氣候的變化。這就直接的影響到了冰厚的變化，所以氣溫是影響冰厚變化的最直接原因。

2.2.1 冰厚與氣溫的關(guān)系

冰厚與累計(jì)負(fù)氣溫成指數(shù)關(guān)系，并且隨著氣溫的降低，冰厚在二月份末達(dá)到最大值，之后就逐漸消減（表1，圖1-3）。從以上各圖可以看出，冰厚的變化與封凍期期間的逐日的負(fù)氣溫變化沒有明顯的關(guān)系。從冰厚變化時(shí)程上看，冰厚隨著累計(jì)負(fù)氣溫增加而增厚，青岡站一般在二月中下旬左右出現(xiàn)最大冰厚，主要反映在岸邊和河心冰厚圖上。

2.2.2 冰厚與冰上積雪的關(guān)系

冰厚也與冰上積雪有一定的關(guān)系，積雪越厚冰厚越薄，有固定計(jì)算公式。冰厚預(yù)報(bào)公式：dh/dt=TK/80ρh；實(shí)際預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)由實(shí)測資料作出的計(jì)算公式來應(yīng)用，如果冰上有雪，則：

考慮冰上有雪，則求得最大可能冰厚公式為：

式中 h——冰厚；K——冰的導(dǎo)熱系數(shù)；S——水內(nèi)傳熱強(qiáng)度；T——冰面溫度；ρ——冰的密度；t——時(shí)間。

2.2.3 冰厚與流量變化關(guān)系

平均流速越大的地方冰厚越小，這是由斷面面積變化導(dǎo)致。當(dāng)斷面面積變小時(shí)，導(dǎo)致河流的平均流速變大，流速越大的水面就越不容易結(jié)冰，所以冰的厚度就越??；相反當(dāng)斷面面積變大時(shí)，河流的平均流速變慢，所以就越容易結(jié)冰，冰的厚度也就越大。

表2 流量、平均流速、最大測點(diǎn)流速表

圖4 流量、平均流速、最大測點(diǎn)流速

圖5

3 分析和比較各種測量方法

固定點(diǎn)冰厚測量的目的是為了隨時(shí)掌握冰厚的變化過程和為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。測量時(shí)測量地點(diǎn)應(yīng)能代表河段的一般情況。應(yīng)離開清溝、岸邊、淺灘和距離冰上道路有足夠的距離。冰厚測量在同一斷面上分兩處進(jìn)行，一處在河心，一處離水邊5～10 米。固定點(diǎn)冰厚測量的地點(diǎn)應(yīng)能代表河段冰厚的平均情況，并應(yīng)符合下列要求：（1）離開清溝岸邊淺灘和河上冬季道路有足夠的距離；（2）不受泉水工業(yè)廢水或污水匯入影響；（3）應(yīng)避開有冰堆冰塞冰壩冰上冒水等冰情現(xiàn)象出現(xiàn)的地點(diǎn)；（4）在下游回水或上游電站泄流影響范圍之外；（5）所選地點(diǎn)宜與基本水尺斷面相結(jié)合。一直以來,冰厚都被認(rèn)為是冰最難監(jiān)測的物理指標(biāo)之一。鉆孔測量是測量冰厚最可靠的監(jiān)測手段,但其低效性難以滿足定點(diǎn)冰厚連續(xù)觀測的需要。目前國內(nèi)外已發(fā)展了多種自動(dòng)化冰厚觀測技術(shù),其中衛(wèi)星遙感、雷達(dá)探測、浮筒測量、電阻加熱測量、電磁感應(yīng)和激光測距技術(shù)的組合、艦載聲納等設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了中、大尺度的冰厚探測。這些探測設(shè)備的廣泛應(yīng)用,為掌握大范圍冰厚度分布狀況及其年際變化特征提供了可能。本文介紹了常規(guī)固定點(diǎn)冰厚觀測技術(shù)，簡述其測量原理，并結(jié)合其現(xiàn)場的應(yīng)用研究結(jié)果并分析其應(yīng)用適用性和價(jià)值體現(xiàn)。

以下是對(duì)每種方法的比較分析：

3.1 鉆孔測量在精度控制方面的優(yōu)劣。常用測量工具主要是鑿孔工具和量冰尺兩類，鑿孔工具有冰穿和冰鉆兩類。冰穿一般為錐型，冰鉆有曲柄式，雙人式和電動(dòng)式等。量冰尺有普通量冰尺和固定量冰尺。普通冰尺設(shè)備簡單，適用于各種情況，其形式主要有L 形、鉤形、山形和桿形量冰尺。固定式量冰尺設(shè)備較為復(fù)雜，但不必每次都開鑿冰孔，它適用于水較深的冰層，測得的資料前后聯(lián)系，是水文站使用較為廣泛的測冰工具。至今仍然被廣泛采用，但這種方法很難實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)實(shí)時(shí)觀測，并且因?yàn)閯趧?dòng)強(qiáng)度大，工作效率低下，只能用作關(guān)鍵點(diǎn)的測量，在結(jié)冰期和融冰期，出于安全考慮而難以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于國內(nèi)的河冰層厚度的測量，主要依靠水文站在冰封期用人工測量。普通方法能保證精度，能對(duì)固定點(diǎn)冰面水與冰接觸面的情況進(jìn)行詳細(xì)觀測，觀測時(shí)需要開鑿冰眼，同時(shí)觀測過程中要用量冰尺進(jìn)行不同方向的測量，觀測人員工作程序?qū)ζ渚扔绊戄^大。同時(shí)也不具備連續(xù)觀測的功能。

3.2 雷達(dá)測量在精度控制方面的優(yōu)劣。探地雷達(dá)簡稱GPR，也稱地質(zhì)雷達(dá)，是一種對(duì)地下的或物體內(nèi)不可見的目標(biāo)或界面進(jìn)行定位的電磁技術(shù)。這種方法可以實(shí)時(shí)連續(xù)對(duì)冰厚進(jìn)行觀測，實(shí)現(xiàn)對(duì)河道縱、橫斷面分布情況的測量，但是受其電波在不同介質(zhì)中傳輸速率影響，出現(xiàn)誤差較大，尤其是在含有一定泥沙雜質(zhì)的情況下，同時(shí)其對(duì)河流的水質(zhì)要求也較高，要保證電波在水與冰分界面出現(xiàn)較大速率變化時(shí)，在有些界面分的并不是十分清楚，降低了測量精度。

4 結(jié)論

本章主要是對(duì)冰厚的變化做了三方面的分析以及對(duì)實(shí)地測量中用到的兩種測量方法做了精度控制方面的優(yōu)劣分析。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析得出以下影響冰厚的結(jié)論：a. 冰厚與累計(jì)負(fù)氣溫成指數(shù)關(guān)系，并且隨著氣溫的降低，冰厚在二月中下旬左右達(dá)到最大值，之后就逐漸消減。b.平均流速越大的地方冰厚越小。c.冰厚也與冰上積雪有一定的關(guān)系，積雪越厚冰厚越薄。