黃河巴彥淖爾段冰晶體、密度和含泥量調查

張邀丹 郜國明 鄧宇 李志軍 李國玉 郭維東

摘要：掌握黃河河冰的基本物理性質是研究黃河冰凌災害的必要條件。通過在黃河巴彥淖爾段渡口、四科河頭、敖包、三湖河口4個河道斷面主河槽、岸邊河冰及烏梁素海的湖冰現場取樣，觀測冰下流速、冰晶體結構、冰密度和含泥量，分析結果表明：黃河巴彥淖爾段河道內不同位置冰層中的冰晶體結構差異明顯，單一的粒狀冰和柱狀冰很少，大部分冰晶體結構表現為粒狀冰與柱狀冰相互交替，而烏梁素海湖冰的晶體結構表現為顯著的柱狀冰;流速在一定程度上會對冰的晶體結構產生影響;冰密度隨冰內含泥量的增大逐漸變大，且不同類型冰晶體的冰內含泥量不同，黃河巴彥淖爾段河冰密度和含泥量波動范圍大，明顯大于烏梁素海湖冰密度和含泥量。

關鍵詞：河冰;晶體結構;冰密度;含泥量;黃河巴彥淖爾段

中圖分類號：TV311;TV882.1 文獻標志碼：A

冰作為水的固態形式，其自身的物理性質與生長環境密不可分，并且控制著冰的力學性質[1]以及冰的其他性質。每年冬季，我國北方地區河流、湖泊和部分海域均會產生冰凍現象，這些冰凍現象與人民生活、生產息息相關，一直以來備受關注。黃河是中國北方大河，水動力條件復雜[2]，夾帶大量的泥沙，被稱為世界上含沙量最大的河流。其冬季冰情復雜，凌汛頻繁，冰凌可以對橋梁、堤壩等寒區水利工程造成不同程度的破壞，威脅河流、湖泊附近人民財產安全。國內研究人員對黃河河冰的研究十分重視，近年來在冰凌冰塞的監測和預報方面取得許多研究成果[3-5]。關于黃河冰物理性質的研究歷史較短，目前正在積極開展這方面的研究，并將研究成果同冰的力學性質聯系起來[6-7]，探索雷達探測黃河冰厚度的物理機制[8]，但目前對黃河冰物理性質的研究水平仍然有待提高。冰晶體結構、冰密度和含泥量是河冰的基本物理性質指標，本文以黃河巴彥淖爾段渡口、四科河頭、敖包、三湖河口4個河道斷面以及黃河的河跡湖烏梁素海的湖冰為調查對象，測量黃河河冰和烏梁素海湖冰的冰下流速，觀測它們的冰晶體結構，測量其冰密度和冰內含泥量，對比分析調查結果，期望在黃河冰基本物理性質對黃河冰探測、預報、災害預防的影響研究方面提供科學基礎。

1 調查方法

1.1 氣象監測

烏梁素海是黃河的河跡湖，湖水均來自黃河，因此烏梁素海湖水和黃河河水水質相同。冰層的生長和消融與當地的氣象環境有著密切關系，為了進一步比較氣象因素對黃河河冰和烏梁素海湖冰冰晶體類型的影響，本次調查在烏梁素海設立自動氣象站，用于對比烏梁素海和其附近黃河的氣溫變化趨勢和差異。圖1為黃河和烏梁素海在觀測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期間氣溫變化趨勢一致，但氣溫波動的情況不同，黃河河水冰凍過程的氣溫波動比烏梁素海湖水凍結過程的氣溫波動情況復雜，在整個觀測期間，黃河氣溫多次波動到融點0℃以上，而烏梁素海氣溫持續低于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個河流斷面進行取樣，4個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個冰樣，在三湖河口和四科河頭不同位置各取2個冰樣，取樣時利用冰鉆鉆孔，然后用冰尺測得冰厚[9]，用電阻溫度計測量氣溫和冰溫。取樣時實測冰厚范圍為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個地點取2個冰樣，取樣時采樣點的實測冰厚分別為43cm和45cm，平均氣溫為-20.8℃，平均冰溫為-4.7℃。取樣時標記冰的生長方向和正北方向，并用GPS對取樣地點進行定位，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，在試樣上標記順序和上下方向，并將試樣用于制作薄切片的側面用手工刨和砂紙磨平，同時用熱水袋加熱玻璃片至其溫度略高于0℃[10]，然后將用于觀測的冰樣側面貼到玻璃片上;在玻璃片上標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向旋轉臺上，進行冰晶體結構觀測[12]。

1.4 冰密度與冰內含泥量測量

冰密度的測量方法有質量一體積法和排液法兩種[13]，考慮到黃河冰物理調查要測量冰密度和冰內含泥量2個指標，采用質量一體積法測量冰密度。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，再加工成規格為10cm×10cm×5cm的試樣，用電子秤測試樣質量，計算冰密度;然后將試樣放入塑料盒內融化，經過濾、烘干和干泥沙稱重，計算出單位體積冰試樣的冰內含泥量。

1.5 冰下流速測量

采用ADCP多普勒流速儀對黃河封凍期冰下流速進行測量。該儀器具有測量精度高，且在有流冰存在和含泥量大的情況下也能觀測到冰下流速的優勢。在進行冰下流速測量時，首先用冰鉆鉆孔，人工打開冰蓋，然后將ADCP放入冰孔下，直接測量該冰孔位置冰下的垂線流速，最后計算出該測點的冰下平均流速。

2 調查結果

2.1 晶體結構

由于采樣地點較多，因此僅從渡口、四科河頭、敖包和三湖河口4個河道斷面各列舉一例，烏梁素海列舉一例典型的冰晶體結構圖，見圖2。由圖2可知：整體而言，冰晶體結構類型有柱狀冰和粒狀冰;黃河巴彥淖爾段河道內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雜，整個冰層為單一的粒狀冰或柱狀冰的情況較少，主要表現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冰層中均為柱狀冰。

2.2 冰密度和冰內含泥量

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

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。通過測量黃河河冰的冰下流速（見表1），發現渡口、四科河頭、敖包和三湖河口4個河道斷面不同點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冰下的流速不同，分布情況復雜。本次測得黃河12個采樣點的冰下流速范圍為0.30～1.02m/s，烏梁素海的冰下流速均為0.01m/s。

2.4 晶體結構、冰密度和含泥量對比分析

將渡口、四科河頭、敖包、三湖河口4個河道斷面12個采樣點及烏梁素海2個采樣點的冰晶體結構類型、冰晶體中粒狀冰和柱狀冰所占總冰厚的百分比、冰密度、冰內含泥量的變化范圍和采樣時用ADCP測試的冰下流速統計在表1，并繪制各采樣點冰層中柱狀冰占比與流速的關系圖（圖5）和冰密度與冰內含泥量的關系圖（圖6）。結合圖2的冰晶體結構和表1數據發現：黃河巴彥淖爾段河冰晶體結構比烏梁素海湖冰晶體結構復雜得多，黃河冰不同取樣點冰晶體結構類型不同，同一河道斷面、不同采樣位置的冰晶體結構類型也不同，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個采樣點的湖冰晶體均為顯著的柱狀冰結構。黃河巴彥淖爾段河道內不同采樣點冰密度和冰內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。盡管不同采樣點河冰冰內含泥量范圍不同，但對比發現主河槽的冰內含泥量明顯大于岸邊位置的冰內含泥量，且它們在冰層不同位置的數值變化較大，冰晶體結構更替復雜。

從圖5可以看出：在流速低于0.3m/s時，整個冰層幾乎全部為柱狀冰;而流速為0.3～0.9m/s時，水動力條件對冰層內冰結構類型的影響較大，隨著流速的增大，冰層中柱狀冰含量逐漸減小;當流速大于0.9m/s時，冰層中柱狀冰含量趨于穩定且柱狀冰占整個冰層的比例最小，整個冰層以粒狀冰為主。

敖包2#和三河湖口2#冰內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：無論是柱狀冰還是粒狀冰，冰密度都隨著冰內含泥量的增大逐漸變大，但柱狀冰的冰內含泥量相對粒狀冰的小。

通過對黃河巴彥淖爾段渡口、四科河頭、敖包、三湖河口4個河道斷面12個采樣點及烏梁素海2個采樣點的冰晶體結構類型、冰密度和冰內含泥量以及流速的觀測，對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冰晶體結構類型復雜、冰密度和冰內含泥量波動范圍大，與烏梁素海湖冰差異明顯。本次冬季采樣時黃河各測點的冰下實測流速不同，假設在整個冰凍觀測期，黃河巴彥淖爾段河道內冰下過流流量不變，根據水力學公式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，因此黃河河道內流速是不穩定的，這與張寶森等采用ADCP對黃河冰封期冰下流速的測量結果[14]以及惠遇甲和謝學東等對黃河冰封期水動力條件的研究結果[15-16]一致，復雜的水動力條件導致黃河冰晶體結構形式復雜，封凍前，初生薄層冰在風與水流的作用下堆積并迅速凍結，冰花和流冰在碎冰排交叉面快速凍結形成粒狀冰夾層或使粒狀冰與柱狀冰相互交替，水動力條件的影響也會使粒狀冰生長于柱狀冰內，相對烏梁素海而言，在觀測期間，黃河氣溫波動情況復雜，當溫度高于冰的融點0℃時，冰開始融化為水，當溫度降低到融點0℃以下時，水又開始凍結為冰，氣溫的升降導致黃河河冰生長過程中經歷了多次凍融循環，直接導致黃河河冰不能穩定生長，間接影響了黃河河冰的晶體結構，使黃河河冰的晶體結構不穩定。而烏梁素海湖泊面積大，水流緩慢，冰期可視為靜水，水動力條件和凍結環境相對穩定，在觀測期間氣溫持續在0℃以下，隨氣溫的下降，湖水在穩定的低溫條件下逐漸生長為柱狀冰。黃河河水含沙量大是導致其冰內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力的帶動下，隨風飄落到冰表面，經過太陽的輻射及冰表面的凍融作用滲入冰表層，導致烏梁素海湖冰表層含泥量明顯大于下層湖冰含泥量。含泥量不同是導致冰密度變化的主要原因，此外，氣泡含量和冰內水柱也會影響冰密度[11]。黃河河冰中粒狀冰的冰內含泥量相對柱狀冰的冰內含泥量大，主要原因是柱狀冰生長的水流條件相對穩定，柱狀冰相對粒狀冰的冰內晶界少、孔隙少，冰晶體相對密實，而粒狀冰主要存在于冰花冰塞當中，冰內晶界多、孔隙多，冰晶體不密實導致冰內易存泥沙，因此粒狀冰的冰內含泥量比柱狀冰的大。

3 結論

（1）黃河巴彥淖爾段河道內不同取樣點的冰晶體結構類型不同，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為粒狀冰與柱狀冰相互交替。烏梁素海靜水中生長的淡水冰，晶體結構表現為顯著的柱狀冰。相對烏梁素海而言，黃河的氣象因素和水動力條件是導致其冰晶體結構類型復雜的主要因素。

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

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

（4）黃河巴彥淖爾段河道內河冰的冰密度和冰內含泥量沿深度方向波動幅度大，不同采樣點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，但冰內含泥量沿深度方向波動幅度相對較大，冰表層0～5cm的冰內含泥量明顯大于深度5～40cm的冰內含泥量。

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