黄河内蒙段河冰微结构特性及影响因素分析

张邀丹，李志军，李春江，张宝森，邓 宇

（1. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2. 黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003）

1 研究背景

冰的微观结构是冰最基本的物理性质，主要包括层理、晶体结构和冰内杂质，冰内杂质以气泡、泥沙和未冻水最为常见［1-2］。冰的微观结构是冰的基本构造，能够反映冰内部的“骨架”特征，影响冰的各项物理性质。一方面，冰的微结构直接影响冰的力学行为，并间接影响其与结构物的相互作用，是冰工程研究的基础［3］；另一方面，冰的微观结构影响冰的声学、热学、光学和电学性质，进一步影响冰下水生态环境，是冰热力学研究和冰遥感研究的基础［4］。有关冰生长的历史信息存储在冰层及冰微结构中，可以通过对冰样进行分析和重建认识冰的生消过程，预测冰层破裂和冰塞堵塞等冰的生消过程。因此，开展冰微结构特性研究对冰环境和冰工程具有重要意义。

冰微观结构及其对冰力学行为的影响已有相关的报道［5-7］。早在20世纪七八十年代，Michel就对冰的结构进行了定性分类［5］，后来Eicken分析了不同结构冰晶体的形态尺寸特征［6］。李志军等研究了冰内孔隙率对渤海海冰单轴压缩强度的影响，发现海冰冰单轴压缩强度与其冰内孔隙率关系密切［7］。邓宇等在假定黄河冰晶体中所有晶粒尺寸为均一值的基础上，通过数值仿真技术模拟了冰晶粒尺寸对冰单轴压缩强度的影响，发现单轴压缩强度与晶粒尺寸di-12呈线性相关［8］。在冰热力学研究方面，石丽琼等在分析冰温对冰热扩散的影响中发现，冰内气泡含量和尺寸是影响冰热扩散系数的关键因素［9］，但目前缺乏对冰内气泡的定量描述，仍有很大的探索空间。近年来，冰情观测技术发展迅速，现场钻孔测量冰厚是获取冰厚最准确的方法，但也是最难实现的方法，遥感和雷达观测技术是获取冰厚的有效手段［10］。地物光谱特征是遥感技术的物理基础［11］，而冰晶体、冰内泥沙和气泡等成分都具有自己独特的光学性质。不同晶体之间，冰晶热学、光学和电学行为存在差异，会对遥感和雷达观测精度造成不同程度的影响。刘辉等采用无人机载探地雷达测量了黄河什四份子弯道的冰厚，发现立封冰盖条件下雷达的测量精度会下降较多［12］。李志军等采用探地雷达对红旗泡水库的冰盖厚度开展了野外测量，认为气泡含量较多时，会影响雷达测量精度［13］。曹晓卫等利用探地雷达测量了黄河冰厚，并提出在冰内泥沙和气泡等因素的影响下，雷达波在冰层中的传播速度出现一定的离散性［14］。因此，科学认识冰内晶体形态尺寸、冰密度、冰内泥沙、冰内气泡形态和气泡百分含量特征，是分析和提高其对冰热学、光学和电学行为影响的基础，也是进一步提高冰物理计算模型和遥感观测精度的关键。

近年来，极地冰［15］、高原冰川冰［16-17］、海冰［18-19］、湖冰［20］和水库冰［21］等冰微结构的研究成果不断涌现，但仍缺乏对冰晶体、冰密度、冰内含泥量和冰内气泡的定量分析，且河冰微结构和物理性质的研究成果较少。黄河是中国北方大河，且被誉为世界上泥沙含量最大的河流，并且在黄河冰的生消过程中，黄河河道形态不断演变，河流水动力条件复杂，冰的生消过程除了纯热力学作用外还伴有动力学作用［22］，会造成不同程度的冰灾害［23-25］。本文以黄河冰为研究对象，对其冰微观结构进行有效观测和定量分析。对黄河内蒙段河冰及乌梁素海湖冰开展了连续5年的现场试验，观测冰晶体形态尺寸、冰密度、冰内含泥量、冰内气泡形态和气泡含量及冰下流速，结合黄河冰的形成过程，对黄河冰的微结构进行分析和重建，并讨论了不同冰晶体结构下，冰密度、冰内含泥量以及冰内气泡的特性。期望在黄河冰基本物理性质对黄河冰探测、预报以及灾害预防的影响等方面提供科学理论基础。

2 研究方法

2.1 采样点布置2015—2020年间，对黄河内蒙段河冰开展了5个冬季的野外观测试验，沿黄河内蒙段上游巴彦淖尔至下游万家寨布置了11个采样点，如图1所示，共获取了86块冰坯，其中：

（1）2015—2016年冬季，沿黄河河道纵断在渡口、敖包、四科河头和三河湖口段采集12 块冰坯，观测冰晶体结构，同时观测采样点处的冰下流速；

（2）2016—2017年冬季，在黄河什四份子段采集53 块冰坯，观测冰晶体结构，同时观测采样点处的冰下流速；

（3）2017—2018年冬季，沿黄河河道纵断在包头、三道拐、西麻地、柳林滩和前房子段采集10块冰坯，观测冰晶体结构、冰密度和冰内含泥量，同时观测采样点处的冰下流速；

（4）2018—2019年冬季，沿黄河河道在什四份子、头道拐和柳林滩段采集7块冰坯，观测冰晶体结构、冰密度、冰内含泥量、冰内气泡型态、气泡含量和气泡尺寸，同时观测采样点处的冰下流速；

（5）2019—2020年冬季，沿黄河河道纵断在什四份子、头道拐段采集4 块冰坯，观测冰晶体结构、冰密度、冰内含泥量、冰内气泡形态、气泡含量和气泡尺寸，同时观测采样点处的冰下流速。

2.2 冰微结构及冰下流速观测方法参照文献［26］冰微结构观测的实验方法，观测冰晶体结构、冰密度和冰内含泥量。利用Adobe Photoshop 和Matlab 对冰晶体图像进行处理，计算每一层冰晶体的平均等效直径。冰内气泡的观测方法与以往不同［21，26］，本次利用显微镜观测冰内气泡，设置显微镜的放大倍数为200倍，观测时，将冰薄片放置在显微镜的移动平台上，利用计算机记录冰内气泡图像，然后使用Image J和Adobe Photoshop对冰内气泡图像进行处理，计算每一层气泡的百分含量和平均等效直径，在对冰内气泡百分含量进行统计时，不包括冰内泥沙所占的空间。为进一步研究冰下水动力条件对冰微观结构的影响，参考郜国明等人对黄河冰下流速的观测方法［27］，利用多普勒流速仪观测冰下流速。

3 冰微结构观测结果

3.1 冰晶体结构参考Michel 和Ramseier［5］对海冰和河冰的分类方法以及Eicken 和Lange［6］对湖冰的分类方法，对黄河内蒙段河冰晶体结构的观测结果进行了归纳整理，依据冰晶体的晶粒大小和晶粒形状，对黄河冰进行了分类。黄河冰中存在5种不同的冰晶体结构，除了文献［5-6］提到的雪冰、粒状冰和柱状冰外，还存在2种特殊的冰晶体结构，分别过渡冰和冰花冰（图2）。其中：雪冰的晶粒多接近圆形和颗粒状，晶体粒径细小，雪冰大多经历过压实和冻结融化再冻结的过程，冰内泥沙孔隙较多，冻结过程主要受环境干扰和水动力条件控制；粒状冰的晶粒形状接近椭圆形，晶体界限清晰，且晶体长轴随机分布，冻结过程主要受环境干扰和水动力条件控制；过渡冰在粒状冰向柱状冰发展的过程中形成，晶体形状有沿热传导方向轻微伸长的趋势，冻结过程主要受热传导控制和环境干扰；柱状冰的晶粒形状接近矩形，晶体界限清晰，且晶体长轴沿热传导方向不断延伸，冻结过程主要受热传导控制和环境干扰；冰花冰的晶粒形状极其不规则，多为树突状和锯齿状，多数冰晶体的粒径较小，中间夹有部分粒径较大的冰晶，晶粒边缘存在包裹晶体，冰晶体之间空隙较多，冰内泥沙含量较大，冻结过程主要受环境干扰和水动力条件控制。

西药治疗组：黄体酮胶囊与倍美力片联合治疗。倍美力片，口服，1.25 mg，每日一次，共22天；服用倍美力片第13天起，加服黄体酮胶囊，口服，100 mg，每日2次，共10天。30天为一疗程。2～3个疗程为一个治疗周期。

图2 黄河内蒙段冰晶体结构类型

图3是沿黄河内蒙段河道纵断面，从黄河上游巴彦淖尔至下游万家寨选取的8根典型冰样的冰晶体结构，此外还列举出一根乌梁素海湖冰冰样的晶体结构。从冰的晶体结构图中可以看出：乌梁素海湖冰为纯热力学生长的柱状冰，晶体粒径具有明显的随深度增加逐渐变大的趋势，而黄河内蒙段冰层内晶体分布比乌梁素海湖冰复杂，整个冰层为单一粒状冰或单一柱状冰的情况较少，主要表现为粒状冰、柱状冰和冰花冰相互交替。分析产生这种现象的主要原因是：乌梁素海湖冰生消过程中，水动力条件较弱，结冰水体不存在明显的流动性，即流速的影响可以忽略，是纯热力学生长的湖冰；而相比于乌梁素海湖冰，黄河冰的生消过程中除了热力学作用还伴有动力学作用，在冰生消过程中，冻结环境不稳定且水动力条件不断变化，最终导致黄河冰层内冰晶体结构变化多端。如：渡口1#0 ～5 cm和30 ～47.5 cm冰层均为显著的柱状冰，中间5 ～30 cm冰层表现为部分冰花冰嵌于柱状冰间，四科河头3#13 ～30 cm冰层内有部分冰花冰嵌于柱状冰间，前房子1#0 ～20 cm也存在部分冰花冰嵌于柱状冰层间，以上现象都是冰花和流冰受水动力条件和环境干扰快速冻结而形成的冰花冰夹层，影响了柱状冰的自然生长；敖包4#0 ～30 cm为稳定的柱状冰，30 ～61 cm的冰花冰是由于在水流作用下，上游冰花下潜或河底冰花上浮到冰底，最后在热力学作用下冻结在原冰层底部造成的，冰花冰的附着影响了原有冰层的自然生长，改变了原冰层的冰晶体结构；三河湖口4#0 ～27 cm为冰花冰，底层27 ～34 cm是过渡冰，这是粒状冰和柱状冰冻结在冰花冰底部造成的；什四份子4#0 ～20 cm为冰花冰，底层20 ～38 cm 柱状冰，但在30 ～38 cm 中存在明显的黑色泥沙，这是携带大量泥沙的冰花冰冻结在柱状冰底部造成的；头道拐1#0 ～64 cm表现为粒状冰和柱状冰的交替，这是受冻结环境干扰和水流不断变化造成的；蒲滩拐1#0 ～10 cm 为雪冰，但40 cm附近出现了晶粒细小的水平层，能够反映出外界条件的突然变化而导致的冻结速率的变化，而这一水平层带的厚度能够反映出这种变化持续的时间，蒲滩拐1#冰晶体结构中晶粒细小水平层带厚度较小，说明这一变化持续的时间较短。此外，不同采样点，冰花冻结深度不同，同一冻结深度，冰花冰的冻结厚度不同，这主要与冰花原始厚度和冰下水流作用有关。

图3 2015—2019年黄河内蒙段河道纵断面冰晶体结构

3.2 冰晶体粒径尺寸对2017—2018和2018—2019年两个冬季黄河冰不同晶体结构下的晶体粒径尺寸分别统计，并绘制不同晶体结构下，冰晶体粒径尺寸沿深度方向的分布图，冰晶体粒径尺寸用di表示，如图4所示：（1）两个冬季黄河冰晶体粒径尺寸沿深度方向的分布情况相近。2017—2018年冬季黄河冰花冰的晶体尺寸变化范围为2.15 ～4.03 mm，粒状冰的晶体尺寸变化范围为2.67 ～4.57 mm，柱状冰晶体的尺寸的变化范围为3.23 ～26.84 mm。2018—2019年冬季黄河冰花冰的晶体尺寸变化范围为2.03 ～3.69 mm，粒状冰的晶体尺寸变化范围为2.31 ～3.23 mm，柱状冰晶体的尺寸的变化范围较大，为3.26 ～28.83 mm；（2）两个冬季冰表面0 ～10 cm的雪冰粒径尺寸变化范围为1.00 ～2.20 mm，但在50 cm附近冰层中出现了平均等效直径为3.00 mm的雪冰，这是由于雪冰冻结在流冰冰排内，随流冰下潜到冰底并冻结在冰底，流冰中粒状冰和冰花冰的存在，导致雪冰的晶体尺寸变大；（3）两个冬季黄河冰晶体粒径尺寸沿深度方向的变化规律一致。粒状冰和冰花冰的晶体尺寸沿深度方向在0 ～5 mm范围内随机分布，柱状冰的晶体尺寸主要集中在5 ～30 mm，且沿深度方向柱状冰晶体尺寸有逐渐增大的趋势；（4）在2018—2019年冬季冰晶体中发现了明显的从粒状冰向柱状冰发展的过渡冰，其晶体尺寸介于粒状冰与柱状冰之间，分别为4.47 mm和5.88 mm。

图4 黄河内蒙段不同结构晶体等效直径沿深度方向的变化

3.3 冰密度与冰内含泥量对黄河冰及乌梁素海湖冰的冰密度和冰内含泥量观测结果进行统计，得出：黄河内蒙段冰密度和冰内含泥量变化范围分别为702.8 ～964.6 kg/m3和0.001 ～36.039 kg/m3，乌梁素海湖冰冰密度和含泥量范围分别为883.0 ～907.2 kg/m3和0.001 ～0.243 kg/m3。从黄河内蒙段选取4根冰样的测量结果，乌梁素海选择1根冰样的测量结果，绘制冰密度和冰内含泥量沿深度方向的分布曲线，如图5所示。黄河内蒙段河道内不同采样点的冰密度和冰内含泥量沿深度方向的分布均缺少一定的分布规律，冰密度和冰内含泥量的变化幅度较大，而乌梁素海湖冰密度沿深度方向逐渐减小，最后趋于稳定，且冰内含泥量沿深度方向的波动很小。这与3.1节冰晶体结构分布情况一致。但乌梁素海湖冰表层0 ～5 cm的冰内含泥量明显高于冰5 ～40 cm的冰内含泥量，这是由于乌梁素海附近的泥沙在风的作用下飘落到冰表面，经过太阳的辐射及冰表面的冻融作用后渗入冰表层，导致乌梁素海冰表层含泥量明显较高。

图5 黄河内蒙段及乌梁素海冰密度与冰内含泥量沿深度方向的分布

3.4 冰内气泡黄河内蒙段河冰和乌梁素海湖冰内的气泡形态主要分为以下4种，分别是圆球型气泡、脊椎型气泡、线粒状气泡和多种型态混合型气泡，如图6所示。结合冰晶体结构的观测结果发现，粒状冰的冰内气泡主要为圆球型；柱状冰的冰内气泡主要为圆球型和线粒状，冰花冰的冰内气泡形态不规则，主要为脊椎型和多种型态混合型气泡。

图6 黄河内蒙段及乌梁素海冰内气泡形态

对黄河及乌梁素海的冰内气泡含量和等效直径观测结果进行统计，得出：黄河冰冰内气泡含量和等效直径的变化范围分别为0.5%～14.0%和0.003 ～4.700 mm，乌梁素海湖冰内气泡含量和等效直径的变化范围分别为0.5%～3.0%和0.001 ～0.300 mm。从黄河内蒙段选取4根冰样的测量结果，乌梁素海选择1根冰样的测量结果，绘制冰内气泡含量和等效直径沿深度方向的分布曲线，如图7所示。与3.1节冰晶体结构及3.3节冰密度和冰内含泥量的观测结果一致，黄河内蒙段河道内不同采样点的冰内气泡含量和等效直径沿深度方向波动较大，缺少一定的分布规律，冰冻结时受风和水流的影响，导致冰表层气泡含量相对较大。而乌梁素海湖冰内气泡含量和等效直径沿深度方向波动较小，冰内气泡含量与等效直径也比黄河小。冰内气泡的来源有多种［28-29］，但主要包含以下三种：（1） 在冻结初期，温度下降迅速，没有形成完整冰盖时，冻结受风和水流的影响，水体中包裹的空气被快速冻结在冰表层；（2） 冰盖形成后，水体内生物的呼吸作用产生的气体释放到冰层时，没有及时排出而被冻结在冰层中；（3）冰盖形成后，冰盖下水流的扰动产生的空气包裹体没有及时排出而被冻结在冰层内。黄河冰内气泡来源以这三种情况为主，而第三种情况，冰盖形成后，受到冰盖的阻隔和约束，冻结不再受风的影响，产生的冰内空气包裹体没有第一种结构情况多，因此，冰盖形成后冰层内的气泡含量相对表层冰内气泡含量较小，这与李志军［21］和Gherboudj［30］等对天然冰内气泡含量的观测结果一致。但在黄河冰底部也发现了气泡含量较大的冰样，且黄河冰内气泡含量沿深度方向也在不断波动，这主要是因为黄河冰不完全是以热力学方式形成的，冰盖形成后，常有冰花和堆积冰冻结在原有冰层底部，冰内气泡含量也会随之发生变化。

图7 黄河内蒙段及乌梁素海冰内气泡含量和等效直径沿深度方向的分布

4 讨论

4.1 黄河冰晶体结构影响因素黄河河道形态多变，多处河道上宽下窄，为冰花和流冰的堆积创造了有利的地形条件，加之水动力条件的干扰，造成黄河冰的生消过程复杂，冰的生消过程必然控制着冰的结构，影响冰生消的水文、气象条件也必然影响着冰结构［4］。图8给出了黄河冰形成过程的示意图。在水的过冷过程中，河道内会形成很多冰晶，冰晶可以悬浮在水流中，并且不断的与其它冰晶相互吸附和聚合，形成冰花，冰花可能会随水流作用向下游漂移，随着气温的下降可能形成更大的冰盘［31］。在水流的作用下，来自上游的冰花和流冰受水流的拖曳力能够下潜到冰盖下，下潜的冰花和流冰会插入或吸附在下游冰层底部［32］，若流速进一步增大，下潜到冰底的冰花和流冰会沿冰底部滑移，最终被水流冲到下游［33］。当冰花和流冰在热力学作用下冻结在河道原有冰层内时，不仅会增加原有冰层的厚度，而且改变了原有冰层的结构特性，导致黄河冰的晶体结构不连续，单一结构的冰晶体较少，主要表现为多种结构的冰晶体相互交替。

图8 河冰形成过程示意

水动力条件的干扰，直接影响冰花的堆积和冻结，进一步影响冰层的晶体结构。本文3.1节冰晶体结构中，不同采样点，冰花冰的冻结厚度不同，这不仅与冰花原始厚度有关，而且冰下水动力条件对冰花的堆积冻结也有一定的影响。通过进一步分析采样点处冰下流速和冰底部的冰花冰厚度发现：黄河内蒙段冰花堆积物下水流流速范围为0.15 ～0.9 m/s，这与郜国明等在黄河内蒙段［26］、杨开林等对松花江白山河段［34］以及Michel和Dourin在LaGrande河［35］研究得到的冰花堆积物下的水流流速范围相近。如图9所示，本研究初步发现，当冰下流速大于0.15 m/s，小于0.9 m/s时，冰花冰的厚度随冰下流速增大有增大的趋势，该发现仍有待于进一步深入探究。根据罗红春等［36］对河道冰塞特征的研究对此进行初步分析，冰花能否继续向下游漂移，取决于其沿水流方向的受力情况，流速越大，对冰花的冲击力越大，水流的挟冰能力越大，若冰花较小，与冰底的摩擦力较小，则会随流速向下游漂流，反之冰花则能有机会继续附着在冰层底部，并随温度的降低冻结在冰层底部。由于黄河河道内水动力条件复杂，河道内不同位置处的冰下流速不同，导致河道内不同位置处，冰下堆积的冰花冰厚度不同，进一步造成河道不同位置处，冻结在冰层底部的冰花冰厚度有差异，最终使黄河冰层晶体结构复杂。

图9 冰花冰厚度与冰下流速的关系

图10 2018—2019年前房子4#冰样的晶体结构、冰密度与冰内含泥量

通过绘制冰密度和冰内含泥量沿深度方向的分布曲线发现，冰花冰对应的冰内含泥量明显大于粒状冰和柱状冰，但冰花冰的冰密度小于粒状冰和柱状冰。同时可以看出，冰样表层冰密度较小，冰内含泥量较大。无论是粒状冰、过渡冰还是柱状冰，冰密度都与冰内含泥量正相关，冰花冰除了表层0 ～5 cm和中间30 ～35 cm层，冰密度与冰内含泥量也是正相关的，但冰密度与冰内含泥量的正相关性并不显著，是因为冰密度还与冰内气泡含量有关。结合图10（e）可以看出，0 ～5 cm和30 ～35 cm面层冰内气泡含量大，是导致其冰密度小的原因。

对黄河2017—2018和2018—2019两个冬季冰样进行分析，统计不同晶体结构下冰密度和冰内含泥量，其中雪冰的冰密度与冰内含泥量较小，分别为852.423±19.539 kg/m3和1.857±1.463 kg/m3；冰花冰的冰密度和冰内含泥量变化较大，分别为859.594±38.731 kg/m3和5.301±8.072 kg/m3；粒状冰冰的冰密度与冰内含泥量变化分别为888.850±16.497 kg/m3和1.325±2.563 kg/m3；柱状冰的冰密度与冰内含泥量变化分别为901.109±15.886 kg/m3和0.465±1.105 kg/m3；过渡冰的冰内含泥量和冰密度分别为0.768 kg/m3、0.932 kg/m3和907.783 kg/m3、930.395 kg/m3，均介于粒状冰与柱状冰之间。

图11（a）绘制了2017—2018 和2018—2019 两个冬季不同晶体结构下冰密度与冰内含泥量的关系，可以看出：冰花冰的冰内含泥量变化范围比柱状冰和粒状冰大，粒状冰的冰内含泥量变化范围比柱状冰大。造成这种现象的原因主要是不同结构的冰晶形成过程不同，冰花主要以河道内的冰粒子和泥沙等过冷颗粒为晶核生成［31］，随温度的降低，不断增长，漂浮的冰花在河道内堆积会冻结成冰排，冰排内含有大量空隙，且黄河河道内的泥沙在水流的作用下很容易被保存在冰排内，并随温度的降低冻结在冰层内，导致冰花冰含泥量较大。而粒状冰和柱状冰都是在热力学作用下生长在冰层内，生长过程中受水流的冲刷作用，能够直接冻结在冰内的泥沙量有限，且柱状冰较密实，冰内空隙较粒状冰少，能冻结在冰内的泥沙也较少，所以柱状冰冰内含泥量较粒状冰小。由于黄河的冰晶体结构复杂，单一的柱状冰和粒状冰较少，常有冰花冰斜插在粒状冰和柱状冰内的情况，而在进行冰密度和冰内含泥量观测时，不能预先将其中的冰花冰切除，所以导致某些粒状冰和柱状冰的冰内泥沙含量较大。图11（a）中冰密度与冰内含泥量的相关性不显著，这是因为冰内气泡的存在同样会改变冰的密度。

图11 黄河内蒙段不同结构晶体下冰密度随冰内含泥量的变化

为了在不受冰内气泡含量影响的情况下分析冰内含泥量对冰密度的影响，参考Aly［37］使用的数据归一化处理方法，将所有冰密度都按照一个参考值进行归一化，选取本文观测到的所有冰样的平均气泡含量3.67%作为参考值，归一化公式如（1）所示，以917 kg/m3为纯冰密度［4］，三项理论的理想冰密度随冰内含泥量和冰内气泡含量变化的计算公式如式（2）所示。

式中：ρn为根据参考冰内气泡含量校正后的冰密度；ρm为一定气泡含量和含泥量下的实测密度值；ρc,r为参考冰内气泡含量下的冰密度；ρc,m为根据实测气泡含量计算的冰密度；ρsa为三项理论的理想冰密度；vs为泥沙体积；va为气泡体积；v为冰样体积；ms为泥沙质量。

图11（b）是将2018—2019年冬季冰密度与冰内含泥量归一化后绘制成的曲线。可以看出，雪冰、粒状冰、柱状冰和过渡冰归一化后的冰密度主要集中在0 ～4 kg/m3，在这个范围内，含泥量对冰密度的影响不显著，而冰花冰内的含泥量较大，且冰内含泥量对冰密度的影响比雪冰、粒状冰、柱状冰和过渡冰显著，即在当冰内含泥量大于4 kg/m3时，冰密度随冰内含泥量的增加逐渐增大。

4.3 不同冰晶体结构下冰内气泡的特征以2018—2019年前房子4#冰样为例，将黄河冰的晶体结构与冰内气泡含量和气泡等效直径进行对比分析，如图10（e）所示。可以看出不同结构冰晶体中冰内气泡含量和气泡等效直径不同，冰花冰中冰内气泡含量和等效直径比粒状冰和柱状冰内的气泡含量和等效直径大，粒状冰中冰内气泡含量和等效直径比柱状冰内的气泡含量和等效直径大。产生这种现象的主要原因是：冰花冰中泥沙颗粒较多，且冰花冰形成时的温度较低，导致冰花冰相对粒状冰和柱状冰和柱状冰疏松，冰密度较小，冰内孔隙较多，柱状冰相对粒状冰密实，孔隙较少。此外，该冰样表层冰内气泡含量与等效直径较大，这不仅与冰晶体结构有关，还与冰表层冻结环境有关。人为活动的影响及地表泥沙的渗入，加上表层冰花堆积的过程和风流的作用，都会影响冰面表层的冻结，导致表层气泡含量和等效直径较大。

对黄河2018—2019年和2019—2020年两个冬季不同晶体结构下，冰密度和冰内气泡含量进行统计，其中雪冰的冰内气泡含量变化范围为5.29%±2.57%，冰花冰的冰内气泡含量变化范围为7.13%±2.73%，粒状冰的冰内气泡含量变化范围为3.42%±1.41%，柱状冰的冰的冰内气泡含量变化范围为2.57%±1.09%，过渡冰的冰内气泡含量变化范围介于粒状冰与柱状冰之间，分别为1.93%和2.38%。

从图12不同晶体结构下冰密度与冰内气泡含量的关系中能够看出：冰花冰的冰内气泡含量变化范围比粒状冰和柱状冰大，粒状冰的冰内气泡含量比柱状冰大，这主要与冰晶的形成过程有关，冰花冰较粒状冰和柱状冰疏松，冰内泥沙等杂质含量较多，所以冰内空气包裹体比粒状冰和柱状冰多，冰内气泡含量大。以917kg/m3为纯冰密度［4］，忽略冰内含泥量对冰密度的影响，利用式（3）计算两项理论的理想冰密度随冰内气泡含量变化的关系。同时，对实测的冰密度与冰内气泡含量进行拟合。可以看出无论是哪种结构的冰，冰密度都表现出了对冰内气泡含量的强相关性，随冰内气泡含量的增加而减小。并且还发现部分冰密度实测值大于理论密度值，这主要是因为冰密度受冰内气泡含量和冰内含泥量的共同控制，冰内含泥量能使冰密度增加所致。同时，实际测量误差如冰密度测量误差和气泡图像处理误差也会造成实测冰密度大于理论冰密度的情况：

图12 黄河内蒙段不同结构晶体下冰密度随冰内气泡含量的变化

式中：ρa为两项理论的理想冰密度；Ca为冰内气泡含量。

5 结论

本文通过观测2015—2020年五个冬季黄河内蒙段河冰及乌梁素海湖冰的晶体结构、冰密度、冰内含泥量、冰内气泡及冰下流速，深入认识黄河冰的微结构特性及影响因素，得出：（1）乌梁素海湖冰为纯热力学方式生长的柱状冰，晶体粒径具有明显的随深度增加逐渐变大的趋势，受河流动力学作用的影响，黄河内蒙段冰层内晶体分布比乌梁素海湖冰复杂，整个冰层为单一粒状冰或单一柱状冰的情况较少，主要表现为粒状冰、柱状冰和冰花冰相互交替。（2）冻结环境和水动力条件是导致黄河冰晶体结构复杂的重要原因，黄河内蒙段冰花堆积物下水流流速范围为0.15 ～0.9 m/s，且初步发现冰层底部冻结的冰花冰厚度随冰下流速增大有逐渐增大的趋势。（3）不同冬季黄河冰晶体粒径尺寸沿深度方向的分布规律一致。雪冰的晶粒尺寸在0 ～3 mm范围内随机分布，粒状冰和冰花冰的晶粒尺寸在0 ～5 mm范围内随机分布，柱状冰的晶体尺寸主要集中在5 ～30 mm，且沿深度方向柱状冰晶体尺寸有逐渐增大的趋势。（4）相比于乌梁素海湖冰，黄河内蒙段河道内不同采样点冰样的冰密度、冰内含泥量、冰内气泡含量及等效直径沿深度方向的分布均缺少一定的规律，受冰层冻结环境的影响，不同结构冰晶体下，冰密度、冰内含泥量、冰内气泡形态、气泡含量和气泡等效直径均不同。（5）冰花冰的冰内含泥量、冰内气泡含量和等效直径变化范围比柱状冰和粒状冰大，粒状冰的冰内含泥量、冰内气泡含量和等效直径变化范围比柱状冰大。（6）冰内含泥量和冰内气泡含量不同是导致冰密度变化的主要原因，但冰内含泥量对冰密度的影响较冰内气泡含量对冰密度的影响弱，通过将冰密度进行归一化处理后，发现：当冰密度在0 ～4 kg/m3范围内时，冰内含泥量对冰密度的影响不显著，当冰内含泥量大于4 kg/m3时，冰密度随冰内含泥量的增加逐渐增大。

黄河冰的微结构特性对黄河冰的力学性质和热力学性质均有重要的影响，本文对黄河冰的微观结构特性进行了详细分析，并探索了冰下水动力条件对黄河冰微结构的影响，除本文分析的冰下水动力条件对黄河冰微结构的影响外，还有许多其他因素，如地形和河道的演变等，需进一步开展试验研究和理论分析，以便更加全面的掌握黄河冰的形成机制和黄河冰的微观结构特征，为研究黄河冰基本物理特性对黄河冰探测、预报和灾害预防等方面的影响提供科学的理论基础。