黄河巴彦淖尔段冰晶体、密度和含泥量调查

张邀丹 郜国明 邓宇 李志军 李国玉 郭维东

摘要：掌握黄河河冰的基本物理性质是研究黄河冰凌灾害的必要条件。通过在黄河巴彦淖尔段渡口、四科河头、敖包、三湖河口4个河道断面主河槽、岸边河冰及乌梁素海的湖冰现场取样，观测冰下流速、冰晶体结构、冰密度和含泥量，分析结果表明：黄河巴彦淖尔段河道内不同位置冰层中的冰晶体结构差异明显，单一的粒状冰和柱状冰很少，大部分冰晶体结构表现为粒状冰与柱状冰相互交替，而乌梁素海湖冰的晶体结构表现为显著的柱状冰;流速在一定程度上会对冰的晶体结构产生影响;冰密度随冰内含泥量的增大逐渐变大，且不同类型冰晶体的冰内含泥量不同，黄河巴彦淖尔段河冰密度和含泥量波动范围大，明显大于乌梁素海湖冰密度和含泥量。

关键词：河冰;晶体结构;冰密度;含泥量;黄河巴彦淖尔段

中图分类号：TV311;TV882.1 文献标志码：A

冰作为水的固态形式，其自身的物理性质与生长环境密不可分，并且控制着冰的力学性质[1]以及冰的其他性质。每年冬季，我国北方地区河流、湖泊和部分海域均会产生冰冻现象，这些冰冻现象与人民生活、生产息息相关，一直以来备受关注。黄河是中国北方大河，水动力条件复杂[2]，夹带大量的泥沙，被称为世界上含沙量最大的河流。其冬季冰情复杂，凌汛频繁，冰凌可以对桥梁、堤坝等寒区水利工程造成不同程度的破坏，威胁河流、湖泊附近人民财产安全。国内研究人员对黄河河冰的研究十分重视，近年来在冰凌冰塞的监测和预报方面取得许多研究成果[3-5]。关于黄河冰物理性质的研究历史较短，目前正在积极开展这方面的研究，并将研究成果同冰的力学性质联系起来[6-7]，探索雷达探测黄河冰厚度的物理机制[8]，但目前对黄河冰物理性质的研究水平仍然有待提高。冰晶体结构、冰密度和含泥量是河冰的基本物理性质指标，本文以黄河巴彦淖尔段渡口、四科河头、敖包、三湖河口4个河道断面以及黄河的河迹湖乌梁素海的湖冰为调查对象，测量黄河河冰和乌梁素海湖冰的冰下流速，观测它们的冰晶体结构，测量其冰密度和冰内含泥量，对比分析调查结果，期望在黄河冰基本物理性质对黄河冰探测、预报、灾害预防的影响研究方面提供科学基础。

1 调查方法

1.1 气象监测

乌梁素海是黄河的河迹湖，湖水均来自黄河，因此乌梁素海湖水和黄河河水水质相同。冰层的生长和消融与当地的气象环境有着密切关系，为了进一步比较气象因素对黄河河冰和乌梁素海湖冰冰晶体类型的影响，本次调查在乌梁素海设立自動气象站，用于对比乌梁素海和其附近黄河的气温变化趋势和差异。图1为黄河和乌梁素海在观测期间的平均气温变化曲线。可以看出：黄河和乌梁素海在观测期间气温变化趋势一致，但气温波动的情况不同，黄河河水冰冻过程的气温波动比乌梁素海湖水冻结过程的气温波动情况复杂，在整个观测期间，黄河气温多次波动到融点0℃以上，而乌梁素海气温持续低于0℃。

1.2 试样采集

2016年1月28日-2月20日在黄河巴彦淖尔段4个河流断面进行取样，4个取样断面从上游至下游分别为渡口、四科河头、敖包和三湖河口。在黄河渡口和敖包断面不同位置各取4个冰样，在三湖河口和四科河头不同位置各取2个冰样，取样时利用冰钻钻孔，然后用冰尺测得冰厚[9]，用电阻温度计测量气温和冰温。取样时实测冰厚范围为35～60cm，平均气温为-10.4℃，平均冰温为-3.1℃。2016年1月22日在乌梁素海2个地点取2个冰样，取样时采样点的实测冰厚分别为43cm和45cm，平均气温为-20.8℃，平均冰温为-4.7℃。取样时标记冰的生长方向和正北方向，并用GPS对取样地点进行定位，记录取样位置和冰厚。

1.3 冰晶体制备

在气温低于-6℃的环境下，将取出的冰样垂直冰面方向从上至下依次分割成高度为8～10cm的垂直试块，在试样上标记顺序和上下方向，并将试样用于制作薄切片的侧面用手工刨和砂纸磨平，同时用热水袋加热玻璃片至其温度略高于0℃[10]，然后将用于观测的冰样侧面贴到玻璃片上;在玻璃片上标记试样顺序和上下方向;用手工刨将冰样厚度修整至约为0.5mm[11]最后将制作好的薄冰片放在万向旋转台上，进行冰晶体结构观测[12]。

1.4 冰密度与冰内含泥量测量

冰密度的测量方法有质量一体积法和排液法两种[13]，考虑到黄河冰物理调查要测量冰密度和冰内含泥量2个指标，采用质量一体积法测量冰密度。将试样垂直冰面方向从上至下依次分割成高度为5cm的冰块，再加工成规格为10cm×10cm×5cm的试样，用电子秤测试样质量，计算冰密度;然后将试样放入塑料盒内融化，经过滤、烘干和干泥沙称重，计算出单位体积冰试样的冰内含泥量。

1.5 冰下流速测量

采用ADCP多普勒流速仪对黄河封冻期冰下流速进行测量。该仪器具有测量精度高，且在有流冰存在和含泥量大的情况下也能观测到冰下流速的优势。在进行冰下流速测量时，首先用冰钻钻孔，人工打开冰盖，然后将ADCP放入冰孔下，直接测量该冰孔位置冰下的垂线流速，最后计算出该测点的冰下平均流速。

2 调查结果

2.1 晶体结构

由于采样地点较多，因此仅从渡口、四科河头、敖包和三湖河口4个河道断面各列举一例，乌梁素海列举一例典型的冰晶体结构图，见图2。由图2可知：整体而言，冰晶体结构类型有柱状冰和粒状冰;黄河巴彦淖尔段河道内冰层至上而下的晶体类型分布比乌梁素海湖冰的晶体类型复杂，整个冰层为单一的粒状冰或柱状冰的情况较少，主要表现为粒状冰和柱状冰相互交替，而乌梁素海湖冰的晶体在整个冰层中均为柱状冰。

2.2 冰密度和冰内含泥量

同样考虑到采样测量点较多，仅从黄河巴彦淖尔段渡口、四科河头、敖包和三湖河口4个河道断面各选一次取样，乌梁素海选择一次取样的结果，分析冰密度和冰内含泥量沿深度方向的分布，见图3、图4。图3和图4显示：黄河巴彦淖尔段河道内不同点位的冰密度和冰内含泥量沿深度方向的分布均表现为变化幅度大，分布规律性不强。而乌梁素海湖冰密度沿深度方向逐渐减小，最后趋于稳定;乌梁素海湖冰的冰内含泥量沿深度分布具有一定波动，深度0～5cm的冰内含泥量明显大于5～40cm的冰内含泥量。

2.3 冰下流速

冰下流速的分布与断面形状、冰花和冰塞的厚度及位置有关。通过测量黄河河冰的冰下流速（见表1），发现渡口、四科河头、敖包和三湖河口4个河道断面不同点位冰下的流速均比乌梁素海冰下的流速大，且黄河巴彦淖尔段不同采样点冰下的流速不同，分布情况复杂。本次测得黄河12个采样点的冰下流速范围为0.30～1.02m/s，乌梁素海的冰下流速均为0.01m/s。

2.4 晶体结构、冰密度和含泥量对比分析

将渡口、四科河头、敖包、三湖河口4个河道断面12个采样点及乌梁素海2个采样点的冰晶体结构类型、冰晶体中粒状冰和柱状冰所占总冰厚的百分比、冰密度、冰内含泥量的变化范围和采样时用ADCP测试的冰下流速统计在表1，并绘制各采样点冰层中柱状冰占比与流速的关系图（图5）和冰密度与冰内含泥量的关系图（图6）。结合图2的冰晶体结构和表1数据发现：黄河巴彦淖尔段河冰晶体结构比乌梁素海湖冰晶体结构复杂得多，黄河冰不同取样点冰晶体结构类型不同，同一河道断面、不同采样位置的冰晶体结构类型也不同，而且不同采样位置的粒状冰和柱状冰所占总冰厚的百分比不同。而乌梁素海2个采样点的湖冰晶体均为显著的柱状冰结构。黄河巴彦淖尔段河道内不同采样点冰密度和冰内含泥量变化范围均比乌梁素海的大，黄河巴彦淖尔段冰密度和含泥量变化范围分别为864.9～964.6、0～4.920kg/m³，乌梁素海冰密度和含泥量范围分别为883.0～907.2、0.002～0.243kg/m³。尽管不同采样点河冰冰内含泥量范围不同，但对比发现主河槽的冰内含泥量明显大于岸边位置的冰内含泥量，且它们在冰层不同位置的数值变化较大，冰晶体结构更替复杂。

从图5可以看出：在流速低于0.3m/s时，整个冰层几乎全部为柱状冰;而流速为0.3～0.9m/s时，水动力条件对冰层内冰结构类型的影响较大，随着流速的增大，冰层中柱状冰含量逐渐减小;当流速大于0.9m/s时，冰层中柱状冰含量趋于稳定且柱状冰占整个冰层的比例最小，整个冰层以粒状冰为主。

敖包2#和三河湖口2#冰内含泥量沿深度方向的分布变化较大，最大含泥量分别为4.153、4.920kg/m³。从图6可以看出：无论是柱状冰还是粒状冰，冰密度都随着冰内含泥量的增大逐渐变大，但柱状冰的冰内含泥量相对粒状冰的小。

通过对黄河巴彦淖尔段渡口、四科河头、敖包、三湖河口4个河道断面12个采样点及乌梁素海2个采样点的冰晶体结构类型、冰密度和冰内含泥量以及流速的观测，对比分析冰晶体中粒状冰和柱状冰所占总冰厚的百分比可知：黄河巴彦淖尔段河道内冰晶体结构类型复杂、冰密度和冰内含泥量波动范围大，与乌梁素海湖冰差异明显。本次冬季采样时黄河各测点的冰下实测流速不同，假设在整个冰冻观测期，黄河巴彦淖尔段河道内冰下过流流量不变，根据水力学公式Q=AV（Q为流量，A为河道断面面积，V为断面流速）可知，随着冰厚度的增大，河道断面面积逐渐减小，而河道内流量不变，则河道断面冰下流速逐渐变大，冰下流速与断面形状、冰花和冰塞的厚度及位置有关，因此黄河河道内流速是不稳定的，这与张宝森等采用ADCP对黄河冰封期冰下流速的测量结果[14]以及惠遇甲和谢学东等对黄河冰封期水动力条件的研究结果[15-16]一致，复杂的水动力条件导致黄河冰晶体结构形式复杂，封冻前，初生薄层冰在风与水流的作用下堆积并迅速冻结，冰花和流冰在碎冰排交叉面快速冻结形成粒状冰夹层或使粒状冰与柱状冰相互交替，水动力条件的影响也会使粒状冰生长于柱状冰内，相对乌梁素海而言，在观测期间，黄河气温波动情况复杂，当温度高于冰的融点0℃时，冰开始融化为水，当温度降低到融点0℃以下时，水又开始冻结为冰，气温的升降导致黄河河冰生长过程中经历了多次冻融循环，直接导致黄河河冰不能稳定生长，间接影响了黄河河冰的晶体结构，使黄河河冰的晶体结构不稳定。而乌梁素海湖泊面积大，水流缓慢，冰期可视为静水，水动力条件和冻结环境相对稳定，在观测期间气温持续在0℃以下，随气温的下降，湖水在稳定的低温条件下逐渐生长为柱状冰。黄河河水含沙量大是导致其冰内含泥量大的主要原因，而乌梁素海湖冰的泥沙主要为湖泊附近的泥沙在风力的带动下，随风飘落到冰表面，经过太阳的辐射及冰表面的冻融作用渗入冰表层，导致乌梁素海湖冰表层含泥量明显大于下层湖冰含泥量。含泥量不同是导致冰密度变化的主要原因，此外，气泡含量和冰内水柱也会影响冰密度[11]。黄河河冰中粒状冰的冰内含泥量相对柱状冰的冰内含泥量大，主要原因是柱状冰生长的水流条件相对稳定，柱状冰相对粒状冰的冰内晶界少、孔隙少，冰晶體相对密实，而粒状冰主要存在于冰花冰塞当中，冰内晶界多、孔隙多，冰晶体不密实导致冰内易存泥沙，因此粒状冰的冰内含泥量比柱状冰的大。

3 结论

（1）黄河巴彦淖尔段河道内不同取样点的冰晶体结构类型不同，单一粒状冰和柱状冰的情景较少，大部分冰层从上至下的冰晶体表现为粒状冰与柱状冰相互交替。乌梁素海静水中生长的淡水冰，晶体结构表现为显著的柱状冰。相对乌梁素海而言，黄河的气象因素和水动力条件是导致其冰晶体结构类型复杂的主要因素。

（2）黄河巴彦淖尔段河道内河冰的冰密度和冰内含泥量的变化范围相对乌梁素海湖冰的大，黄河巴彦淖尔段河冰的冰密度和冰内含泥量的变化范围分别为864.9～964.6、0～4.920kg/m³，乌梁素海湖冰的冰密度和冰内含泥量的变化范围分别为883.0～907.2、0.002～0.243kg/m³。

（3）冰内含泥量不同是导致冰密度变化的主要原因，且粒状冰冰内含泥量相对柱状冰冰内含泥量大，但无论粒状冰还是柱状冰，其冰密度均随冰内含泥量的增大而变大。

（4）黄河巴彦淖尔段河道内河冰的冰密度和冰内含泥量沿深度方向波动幅度大，不同采样点冰密度和含泥量变化范围不同;乌梁素海湖冰的冰密度沿深度方向逐渐减小，但冰内含泥量沿深度方向波动幅度相对较大，冰表层0～5cm的冰内含泥量明显大于深度5～40cm的冰内含泥量。

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