黃河冰花冰晶體結構及內部氣泡分析

王娟 王少鋒 鄧宇 張寶森 李志軍

摘 要：黃河冰花冰物理性質獨特，對冰凌的生消演變有很大影響。為深入認知冰花冰晶體結構的物理特性，利用冰樣采樣器對黃河頭道拐河段的冰花冰進行采集，利用費氏臺獲取冰花冰的圖像，分析冰晶體及氣泡細觀結構特征。結果表明：在垂直方向上，冰晶體的平均等效直徑范圍為１．４８～５．８５ ｍｍ，隨深度增加逐漸增大；在同一水平面內，冰晶體粒徑差別明顯，微小晶粒占比較大；冰花冰主要由０．１～７．０ ｍｍ 的晶粒組成，直徑為０．１～１．０ ｍｍ 的微小晶粒占比為４７．５４％；冰花冰氣泡平均等效直徑在０．３～０．７ ｍｍ 之間變化，隨深度增加逐漸增大；氣泡含量在１．９０％～６．７６％波動，隨著深度增加逐漸減小。

關鍵詞：冰花冰；冰晶體；氣泡含量；細觀結構；黃河

中圖分類號：ＴＶ８７５；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０５．１０

引用格式：王娟，王少鋒，鄧宇，等．黃河冰花冰晶體結構及內部氣泡分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（５）：６３－６７．

０ 引言

在我國北方高緯度地區，受寒冷氣流影響，河、湖、水庫在冬季易發生冰凍災害，對人們的生產生活及水工建筑物的安全造成嚴重影響。黃河是我國北方大河，也是世界上河勢演變最為復雜的河流之一，幾乎每年冬季都會發生一定程度的凌汛災害，造成了大量的人力物力消耗。在復雜的水流條件作用下，黃河冰內部組成多變，單一類型的晶體出現較少，往往表現為粒狀冰、柱狀冰和冰花冰交替出現［１］ 。

對于粒狀冰及柱狀冰，國內外學者已有相當數量的研究成果，涉及河冰［２－３］ 、海冰［４－５］ 、極地冰［６］ 、人工冰［７］ 、水庫冰［８－９］ 等。受限于現場環境及冰花冰生成和采集條件，對冰花冰物理性質的系統研究較少。在河道中，冰花的存在對冰蓋的形成及演化有很大作用［１０］ ，并且冰花的附著影響冰坯原有的物理性質。河道流速決定了冰花運動的動力條件，流速較小時輸冰能力減弱，冰花易在河道堆積［１１］ 。在水庫回水區，冰花大量止動，在一定條件下聚集形成冰花冰或附著在其他冰坯下逐漸形成冰塞，造成壅水［１２－１３］ 。鑒于現場環境的不確定性，關于冰花冰的研究主要在實驗室中進行。冰花冰晶體形態和尺寸受多種因素的影響，Ｃｌａｒｋ 等［１４］ 、Ｔｓａｎｇ 等［１５］ 研究了水溫和水流動力共同作用對冰花冰尺寸的影響，Ｒｅｉｍｎｉｔｚ 等［１６］ 研究了冰花晶粒在水體中上升速度對晶粒大小的影響。在天然河道中，冰花冰向下游移動可能形成不同類型的冰，或者團聚為更大的冰坯，這一過程受水溫、水深和流速的影響，Ｓｈｅｎ 等［１７］ 提出了此過程的數值模型，Ｄａｌｙ［１８］ 還對冰花冰的成核過程進行了研究，張邀丹等［１９］ 對黃河內蒙古段河冰微結構特性及影響因素進行了分析，但針對冰花冰的系統研究仍有待進一步深化。

基于以上背景，２０２０—２０２１ 年度在黃河內蒙古頭道拐河段采用單向凍結技術［２０］ ，利用有機玻璃桶對內蒙古頭道拐河段（北緯４０°１５′５５″， 東經１１１°０３′６７″）的冰花進行采集。首先在黃河冰面上人工鉆孔收集冰花，然后將裝有黃河水的玻璃桶放入冰面人工孔中，并緩慢上下移動玻璃桶采集冰花，之后將采集的冰花放置在河道冰面開槽中進行從上至下的自然凍結。從河道中取出冰花冰冰坯后，用塑料袋包裹存放，在實驗室對冰花冰晶體和氣泡的物理特征進行定量和定性分析。