2019—2020年度黃河頭道拐斷面冰厚增長影響因素分析

李龍強(qiáng) 霍庭秀 沈國庭

摘 要：為了解黃河干流同一斷面冰厚增長差異及其產(chǎn)生原因，依據(jù)2019—2020年度冬季對(duì)頭道拐斷面封凍期原型觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析冰厚增長方式以及負(fù)積溫、流速、冰花等對(duì)冰厚增長的影響。結(jié)果表明：頭道拐斷面冰層上層由冰花凍結(jié)形成;距左岸400～500 m為非主流區(qū)且區(qū)間內(nèi)測(cè)點(diǎn)的冰生長方式為熱力學(xué)生長，主要形成柱狀冰;距左岸500～740 m為主流區(qū)且區(qū)間內(nèi)測(cè)點(diǎn)的冰生長方式以冰花堆積凍結(jié)為主，測(cè)點(diǎn)之間的冰厚差異大。隨著冰厚的不斷增長，冰厚單位度日增長量逐漸減小;冰層底部有冰花堆積的冰厚單位度日增長量大于無冰花堆積的情況;當(dāng)冰厚增長到一定厚度時(shí)，有冰花和無冰花的冰厚單位度日增長量趨于一致。負(fù)積溫是冰厚增長的主要影響因素，流速對(duì)冰厚增長有抑制作用，冰層底部存在冰花對(duì)冰厚增長有促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：冰厚;冰下流速;冰花;頭道拐斷面;黃河

Abstract：The research purpose of this paper is to obtain the information on the difference in ice thickness increase on the same section of the main stream of the Yellow River and its causes. Based on the data collected from observing the section freezing period at the Toudaoguai Hydrological Station in the winter between 2019 and 2020， the author analyzed the impact of ice thickness increase method， freezing degree days and flow velocity on the increase of ice thickness. The research results illustrates that the upper layer of the ice cap on the Toudaoguai section is formed by freezing ice. The area ranging from 400 m to 500 m of the left side bank is the non-mainstream zone and the ice increase at the measuring points in the interval is thermodynamic growth， mainly forming columnar ice. The area ranging from 500 m to 740 m of the left side bank is the mainstream zone and the ice increase at the measuring points in the interval is mainly ice accumulation and freezing， with relatively apparent difference in ice thickness. With the continuous increase of ice thickness， the daily increase of ice thickness is gradually decreased. The daily increase of ice thickness with frazil ices at the bottom of the ice layer is greater than that without frazil slush accumulation. However when the ice thickness increases to a certain degree， the difference disappears. Freezing degree days is the main factor influencing the increase of ice thickness. The average velocity of the vertical line inhibits the increase of ice thickness. The presence of frazil ices at the bottom of the ice layer can promote the increase of ice thickness.

Key words： ice thickness; flow velocity under-ice; frazil slush; Toudaoguai section; Yellow River

冰厚是冰層穩(wěn)定性和冰層破裂的關(guān)鍵物理參數(shù)[1]，準(zhǔn)確地估計(jì)冰厚對(duì)防凌具有重要意義。

冰生長過程的主要影響因素是熱力學(xué)因素。Stefan創(chuàng)建了適用于靜水條件的冰凍度日法，運(yùn)用負(fù)積溫與冰厚的關(guān)系較為準(zhǔn)確地對(duì)冰厚增長過程進(jìn)行估計(jì)[2]。但是河冰的生長過程受到熱力因素、水力因素與河勢(shì)因素的共同作用，當(dāng)河水水溫降到冰點(diǎn)（0 ℃左右）以下時(shí)，少量的冰晶會(huì)漂浮在水面上，隨著負(fù)氣溫的不斷積累，冰晶密度增大并相互凝結(jié)形成更大的冰花團(tuán)或冰盤，也稱為流凌[3]。因河岸處流速較小，故冰花首先在岸邊堆積凍結(jié)形成初生岸冰。當(dāng)氣溫繼續(xù)保持在冰點(diǎn)以下時(shí)，隨著時(shí)間的推移，初生岸冰會(huì)逐漸增厚并向河道中間發(fā)展，形成靜力冰層。與此同時(shí)，流凌向下游運(yùn)動(dòng)，受阻堆積并逐漸由下游向上游發(fā)展成整片的冰層[4]。氣溫持續(xù)低于冰點(diǎn)，冰層底部向下生長。近些年來，為了準(zhǔn)確地對(duì)河冰冰厚進(jìn)行估計(jì)，國內(nèi)研究者也運(yùn)用多種方法進(jìn)行研究。張學(xué)成等[5]建立了黃河冰層厚度演變模型，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)率定模型參數(shù)，應(yīng)用于黃河不同河段冰層厚度的計(jì)算與預(yù)報(bào);李志軍等[6]基于Stefan方程引入水流流速的動(dòng)能效應(yīng)，對(duì)松花江哈爾濱至同江河段的冰厚進(jìn)行調(diào)查，得到松花江干流河冰厚度統(tǒng)計(jì)關(guān)系式;練繼建等[7]提出了靜水、動(dòng)水冰厚預(yù)測(cè)方法的輻射冰凍度日法，在冰厚生消過程中考慮了水溫和輻射影響，得到動(dòng)水條件下水溫對(duì)冰厚影響很大，輻射是冰消融期的主要影響因素。但是，黃河冰生長過程的影響因素復(fù)雜，在初始冰層形成后，上游冰花潛入冰層底部[8]，冰層底部冰花也會(huì)對(duì)冰厚增長產(chǎn)生影響。張邀丹等[9]通過對(duì)黃河巴彥淖爾段采集的冰晶體分析，得到流速在一定程度上對(duì)冰的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，整個(gè)冰層多為柱狀冰與粒狀冰相互交替分布。

冀鴻蘭等[10]在南湖水塘進(jìn)行了靜冰生消原型試驗(yàn)，探究了南湖水塘在靜水狀態(tài)下冰的生消過程及冰厚增長消融規(guī)律。為進(jìn)一步了解河冰生長規(guī)律以及影響因素，對(duì)2019—2020年度冬季冰生長期黃河河道斷面冰情進(jìn)行調(diào)查，地點(diǎn)選擇在南湖水塘附近黃河干流頭道拐水文站斷面。

1 研究地點(diǎn)與數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究地點(diǎn)

頭道拐水文站（北緯40°16′，東經(jīng)111°4′）位于黃河干流內(nèi)蒙古段托克托縣境內(nèi)，地處高緯度寒冷地區(qū)。近些年來頭道拐水文站平均流凌日期為11月22日、平均封河日期為12月11日、平均開河日期為3月17日[3]，冰封期從12月到次年3月。頭道拐河段是直河段，2019—2020年度最大冰厚為90 cm。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

2019—2020年度，在頭道拐水文站斷面上距河道左岸400～740 m范圍內(nèi)設(shè)置18個(gè)測(cè)點(diǎn)（各測(cè)點(diǎn)間隔20 m，本文中分別稱各測(cè)點(diǎn)為樁號(hào)400、樁號(hào)420、樁號(hào)440、…、樁號(hào)740，見圖1），調(diào)查斷面冰厚的增長情況及其影響因素。

在不連續(xù)的10 d里（2019年12月11日、2019年12月17日、2019年12月23日、2019年12月24日、2019年12月26日、2019年12月31日、2020年1月1日、2020年1月7日、2020年1月14日、2020年2月9日），測(cè)算18個(gè)測(cè)點(diǎn)的垂線平均流速。同時(shí)，利用冰花尺測(cè)量冰花厚度，測(cè)量精度1 cm;利用冰尺測(cè)量冰厚，測(cè)量精度1 cm。從黃河網(wǎng)（www.yrcc.gov.cn）上收集頭道拐水文站凌期內(nèi)每天的氣象數(shù)據(jù)，用來分析負(fù)積溫對(duì)冰厚增長的影響。2020年1月15日在現(xiàn)場(chǎng)采集冰樣，在測(cè)點(diǎn)附近用油鋸采出橫截面尺寸為20 cm×20 cm的長方體冰樣，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行冰晶體制備及冰晶體結(jié)構(gòu)觀測(cè)[9]。

2 調(diào)查結(jié)果與分析

2.1 頭道拐斷面凌汛期基本情況

頭道拐斷面凌汛期氣溫變化情況見圖2。2019年11月25日氣溫急劇下降，河面開始流凌，流凌堆積在岸邊形成岸冰。隨流凌不斷堆積，至12月8日全斷面封河，封河性質(zhì)為立封。由圖3可知，開始封河后，水位迅速上漲約1.5 m，流量下降，流速減小。封凍期冰厚增加，流量與水位同步先下降后緩慢上升，直至趨于穩(wěn)定。2020年3月14日15時(shí)斷面解凍文開，水位下降，流量增大，洪峰流量為950 m3/s。

利用2019年12月11至2020年2月9日采集的數(shù)據(jù)套繪頭道拐站河道橫斷面，發(fā)現(xiàn)在此時(shí)段內(nèi)河道斷面基本形態(tài)不變，頭道拐斷面2019年12月31日的斷面形態(tài)見圖4。樁號(hào)400—500位于河道非主流區(qū)，最大水深為2.4 m;樁號(hào)520—740位于河道主流區(qū)，最大水深為5.2 m。由圖5可知，在所調(diào)查的時(shí)段內(nèi)，非主流區(qū)各測(cè)點(diǎn)的垂線平均流速為0.18～0.36 m/s，主流區(qū)各測(cè)點(diǎn)的垂線平均流速為0.40～0.73 m/s。主流區(qū)的流速大于非主流區(qū)的流速，主流區(qū)測(cè)點(diǎn)之間流速的差異性大，非主流區(qū)測(cè)點(diǎn)之間流速的差異性小。從圖5中看出，非主流區(qū)流速基本一致;主流區(qū)垂線平均流速受河底地形影響，冰下水深越大，垂線平均流速越大。在所調(diào)查的時(shí)段內(nèi)，非主流區(qū)冰層底部僅在2020年2月9日有兩個(gè)測(cè)點(diǎn)有冰花存在（樁號(hào)460和樁號(hào)500）;主流區(qū)冰層底部在10個(gè)測(cè)量日均有冰花存在，在12個(gè)測(cè)點(diǎn)的120測(cè)次內(nèi)有87測(cè)次發(fā)現(xiàn)冰層底部有冰花，2020年1月1日冰底冰花面積最大。

2.2 頭道拐斷面冰厚增長情況

由于調(diào)查日期間隔天數(shù)不均，因此利用所調(diào)查的10 d中天數(shù)間隔相對(duì)均勻的5 d數(shù)據(jù)（2019年12月11日、2019年12月23日、2019年12月31日、2020年1月14日、2020年2月9日）對(duì)頭道拐斷面冰厚增長情況進(jìn)行分析。

調(diào)查冰厚結(jié)果見圖6。整個(gè)冰期非主流區(qū)同一時(shí)段各測(cè)點(diǎn)冰厚增量無較大差異（0≤σ≤3 cm，σ為冰厚增量標(biāo)準(zhǔn)差）;主流區(qū)同一時(shí)段內(nèi)各測(cè)點(diǎn)冰厚增量前期差異較大（3≤σ≤7 cm），主要原因是封河為立封，且冰花堆積的位置不同。在同一時(shí)段內(nèi)非主流區(qū)的冰厚增量小于主流區(qū)的冰厚增量。冰生長期前期，流速大時(shí)冰花不容易堆積，流速較小的非主流區(qū)冰厚大于流速較大的主流區(qū)的冰厚;冰生長期后期，主流區(qū)有冰花堆積，非主流區(qū)冰厚小于主流區(qū)冰厚。

當(dāng)氣溫持續(xù)低于冰點(diǎn)時(shí)，河道內(nèi)開始流凌。河道左右兩岸流速較小，流凌期內(nèi)均有冰花堆積形成岸冰。2019年11月26日河道左岸形成岸冰，其寬度為河道寬度的1/10。隨著負(fù)積溫與冰花的共同作用，到2019年12月3日，左岸岸冰寬度增長為河道寬度的3/10，覆蓋了非主流區(qū)的6個(gè)測(cè)點(diǎn)。2019年12月2日，右岸形成岸冰，其寬度為河道寬度的1/10。2019年12月8日斷面封凍，因氣溫持續(xù)低于冰點(diǎn)，故冰層開始向下生長。非主流區(qū)流速較小，初始冰層由冰花平整堆積而成，封河后冰層底部無冰花堆積，冰樣晶體為柱狀冰，厚度均勻。主流區(qū)流速較大，冰花堆積形成冰蓋的時(shí)間相對(duì)較晚，封河時(shí)為立封，冰層厚度不均。2019年12月11日，非主流區(qū)各測(cè)點(diǎn)冰厚為20 cm左右;主流區(qū)各測(cè)點(diǎn)冰厚差異較大，最大冰厚在樁號(hào)740處，冰厚30 cm，是由冰花堆積所形成的岸冰，最小冰厚在樁號(hào)700、樁號(hào)720處，冰厚6 cm。2019年12月11—23日，樁號(hào)700、樁號(hào)720處有冰花堆積，冰厚增量分別為27、26 cm。2019年12月31日—2020年1月14日，樁號(hào)660處冰厚增長43 cm，樁號(hào)700—740增長則相對(duì)較慢。2020年2月9日，主流區(qū)的冰層厚度整體大于非主流區(qū)的冰層厚度。

結(jié)合采集的冰樣進(jìn)行分析。2020年1月15日在現(xiàn)場(chǎng)取冰樣8塊，并運(yùn)送回實(shí)驗(yàn)室。受疫情影響，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室封閉，低溫實(shí)驗(yàn)室壓縮機(jī)出現(xiàn)故障，在2020年9月13日制作冰晶體時(shí)，低溫實(shí)驗(yàn)室僅余樁號(hào)400和樁號(hào)740處的冰樣。樁號(hào)400處冰樣厚度55 cm，冰樣運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室以及在低溫實(shí)驗(yàn)室中存放的過程中，冰樣頂部與底部均損失3 cm。冰樣上層是前期形成的岸冰，有2 cm粒狀冰，有7 cm柱狀冰和3 cm泥層，下層為熱力學(xué)生長的柱狀冰37 cm。樁號(hào)400處冰生長期間，流速為0.16～0.35 m/s，下部無冰花堆積。樁號(hào)740處取樣時(shí)冰樣下層斷裂17 cm，取出厚度為38 cm。制作時(shí)冰晶體厚度為38 cm，冰樣上層為粒狀冰，厚12 cm，是由冰花堆積形成的岸冰，冰樣中層有柱狀冰9 cm，冰樣下層為含有泥沙的粒狀冰17 cm。樁號(hào)740處冰生長期間，流速為0.32～0.63 m/s，2019年12月11日冰花厚0.7 m。樁號(hào)400處于非主流區(qū)，上層為冰花凍結(jié)的粒狀冰，下層則為熱力學(xué)生長的柱狀冰。樁號(hào)740在主流區(qū)，冰樣為粒狀冰與柱狀冰交替分布。冰樣和冰晶體結(jié)構(gòu)見圖7。

2.3 負(fù)積溫對(duì)頭道拐斷面冰厚增長的影響

用前9組的冰厚數(shù)據(jù)以及所對(duì)應(yīng)的FDD值作為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過式（1）擬合出頭道拐各測(cè)點(diǎn)的α值。對(duì)第10組（2020年2月9日）的冰厚進(jìn)行預(yù)測(cè)，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。擬合結(jié)果見表1，各測(cè)點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)α值范圍為2.10～2.54。同時(shí)得出河道非主流區(qū)（樁號(hào)400—500）的擬合優(yōu)度R2>0.9，而河道主流區(qū)（樁號(hào)520—740）的擬合優(yōu)度小于河道非主流區(qū)的。這說明負(fù)積溫是冰厚的主要影響因素，尤其在流速較小的非主流區(qū)。運(yùn)用各測(cè)點(diǎn)擬合出的α值以及2020年2月9日的FDD值對(duì)2020年2月9日的冰厚進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，見表1。可見非主流區(qū)預(yù)測(cè)誤差比非主流區(qū)的大;樁號(hào)400—500的非主流區(qū)Stefan模型冰厚擬合效果良好，當(dāng)河水流速較小且冰層底部沒有冰花存在時(shí)，可以用Stefan模型進(jìn)行估算。

2.4 冰下流速對(duì)頭道拐斷面冰厚增長的影響

2.5 冰花對(duì)冰厚增長的影響

把2.2節(jié)分析的5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的冰厚增長分為4個(gè)時(shí)段，將各測(cè)點(diǎn)每個(gè)時(shí)段分為有冰花和無冰花兩種情況，運(yùn)用式（3）計(jì)算每個(gè)時(shí)段內(nèi)單位冰凍度日的冰厚增長量（本文稱為冰厚單位度日增長量）：分別計(jì)算各測(cè)點(diǎn)每個(gè)時(shí)段內(nèi)有冰花和無冰花的冰厚單位度日增長量，計(jì)算結(jié)果見圖8。在同一時(shí)段內(nèi)，測(cè)點(diǎn)的冰厚單位度日增長量與測(cè)點(diǎn)在此時(shí)段內(nèi)的平均冰厚相對(duì)應(yīng)。隨著冰厚的增加，冰厚單位度日增長量逐漸減小。在同一個(gè)時(shí)段內(nèi)，有冰花時(shí)冰厚單位度日增長量大于沒有冰花的情況，其中有冰花時(shí)冰厚單位度日增長量擬合值比無冰花時(shí)擬合值平均大0.024 cm/（d·℃），說明冰花對(duì)冰厚增長有正貢獻(xiàn)。2013—2014年度頭道拐斷面[11]主流區(qū)（無冰花）的最大冰厚約為60 cm，非主流區(qū)（有冰花）的最大冰厚約為70 cm，也從側(cè)面說明冰花對(duì)冰厚增長起到積極作用。

雖然頭道拐斷面主流區(qū)流速較大，理論上對(duì)冰厚增長起到抑制作用，但是主流區(qū)冰層底部冰花掩蓋了流速對(duì)冰厚增長的影響。同時(shí)，在放出相同熱量的條件下，冰花比水更容易凍結(jié)在冰層底部，而且隨著冰花厚度的增大，通過冰花間隙的水流速變小[12]，則冰花間隙中水更容易凍結(jié)成冰。因此，冰層底部的冰花對(duì)單位度日的冰厚增長量起到積極作用。

3 結(jié) 論

通過2019—2020年度頭道拐斷面冰厚增長的實(shí)地調(diào)查與分析，得出以下結(jié)論。

2019—2020年度黃河頭道拐水文站河道斷面在距左岸400～500 m范圍內(nèi)為河道非主流區(qū)，距左岸500～740 m為河道主流區(qū)。非主流區(qū)流速較小，主流區(qū)流速較大。

冰層形成初期非主流區(qū)流速較小，冰花沿岸堆積，冰層厚度均勻;主流區(qū)流速較大，堆積形成冰層的時(shí)間相對(duì)較晚，且冰層厚薄不一。整個(gè)冰生長期非主流區(qū)同一時(shí)段各測(cè)點(diǎn)之間冰厚增長均衡;主流區(qū)同一時(shí)段各測(cè)點(diǎn)之間冰厚增長差異較大。冰生長初期非主流區(qū)的冰層厚度整體大于主流區(qū)的冰層厚度，生長后期主流區(qū)的冰層厚度整體大于非主流區(qū)的冰層厚度。頭道拐斷面冰層上層由冰花堆積凍結(jié)而成，在冰層底部有冰花堆積時(shí)，夾帶冰花在冰層底部凍結(jié)為粒狀冰;當(dāng)沒有冰花堆積時(shí)，為熱力學(xué)生長的柱狀冰。

負(fù)積溫是冰厚增長速率的主要影響因素，對(duì)非主流區(qū)的冰厚增長影響更加明顯。樁號(hào)400—500的非主流區(qū)采用Stefan模型擬合冰厚增長趨勢(shì)，擬合效果良好，能夠運(yùn)用Stefan模型預(yù)測(cè)冰厚;而在樁號(hào)520—740的主流區(qū)擬合優(yōu)度低，運(yùn)用Stefan模型預(yù)測(cè)效果差。在非主流區(qū)，流速抑制冰厚增長;在主流區(qū)，流速對(duì)冰花的堆積有一定的影響，冰花對(duì)冰厚增長起到積極作用，冰花對(duì)冰厚增長的正貢獻(xiàn)大于流速對(duì)冰厚增長的負(fù)貢獻(xiàn)。

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【責(zé)任編輯 許立新】