黄河冰花冰晶体结构及内部气泡分析

王娟 王少锋 邓宇 张宝森 李志军

摘 要：黄河冰花冰物理性质独特，对冰凌的生消演变有很大影响。为深入认知冰花冰晶体结构的物理特性，利用冰样采样器对黄河头道拐河段的冰花冰进行采集，利用费氏台获取冰花冰的图像，分析冰晶体及气泡细观结构特征。结果表明：在垂直方向上，冰晶体的平均等效直径范围为１．４８～５．８５ ｍｍ，随深度增加逐渐增大；在同一水平面内，冰晶体粒径差别明显，微小晶粒占比较大；冰花冰主要由０．１～７．０ ｍｍ 的晶粒组成，直径为０．１～１．０ ｍｍ 的微小晶粒占比为４７．５４％；冰花冰气泡平均等效直径在０．３～０．７ ｍｍ 之间变化，随深度增加逐渐增大；气泡含量在１．９０％～６．７６％波动，随着深度增加逐渐减小。

关键词：冰花冰；冰晶体；气泡含量；细观结构；黄河

中图分类号：ＴＶ８７５；ＴＶ８８２．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０５．１０

引用格式：王娟，王少锋，邓宇，等．黄河冰花冰晶体结构及内部气泡分析［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（５）：６３－６７．

０ 引言

在我国北方高纬度地区，受寒冷气流影响，河、湖、水库在冬季易发生冰冻灾害，对人们的生产生活及水工建筑物的安全造成严重影响。黄河是我国北方大河，也是世界上河势演变最为复杂的河流之一，几乎每年冬季都会发生一定程度的凌汛灾害，造成了大量的人力物力消耗。在复杂的水流条件作用下，黄河冰内部组成多变，单一类型的晶体出现较少，往往表现为粒状冰、柱状冰和冰花冰交替出现［１］ 。

对于粒状冰及柱状冰，国内外学者已有相当数量的研究成果，涉及河冰［２－３］ 、海冰［４－５］ 、极地冰［６］ 、人工冰［７］ 、水库冰［８－９］ 等。受限于现场环境及冰花冰生成和采集条件，对冰花冰物理性质的系统研究较少。在河道中，冰花的存在对冰盖的形成及演化有很大作用［１０］ ，并且冰花的附着影响冰坯原有的物理性质。河道流速决定了冰花运动的动力条件，流速较小时输冰能力减弱，冰花易在河道堆积［１１］ 。在水库回水区，冰花大量止动，在一定条件下聚集形成冰花冰或附着在其他冰坯下逐渐形成冰塞，造成壅水［１２－１３］ 。鉴于现场环境的不确定性，关于冰花冰的研究主要在实验室中进行。冰花冰晶体形态和尺寸受多种因素的影响，Ｃｌａｒｋ 等［１４］ 、Ｔｓａｎｇ 等［１５］ 研究了水温和水流动力共同作用对冰花冰尺寸的影响，Ｒｅｉｍｎｉｔｚ 等［１６］ 研究了冰花晶粒在水体中上升速度对晶粒大小的影响。在天然河道中，冰花冰向下游移动可能形成不同类型的冰，或者团聚为更大的冰坯，这一过程受水温、水深和流速的影响，Ｓｈｅｎ 等［１７］ 提出了此过程的数值模型，Ｄａｌｙ［１８］ 还对冰花冰的成核过程进行了研究，张邀丹等［１９］ 对黄河内蒙古段河冰微结构特性及影响因素进行了分析，但针对冰花冰的系统研究仍有待进一步深化。

基于以上背景，２０２０—２０２１ 年度在黄河内蒙古头道拐河段采用单向冻结技术［２０］ ，利用有机玻璃桶对内蒙古头道拐河段（北纬４０°１５′５５″， 东经１１１°０３′６７″）的冰花进行采集。首先在黄河冰面上人工钻孔收集冰花，然后将装有黄河水的玻璃桶放入冰面人工孔中，并缓慢上下移动玻璃桶采集冰花，之后将采集的冰花放置在河道冰面开槽中进行从上至下的自然冻结。从河道中取出冰花冰冰坯后，用塑料袋包裹存放，在实验室对冰花冰晶体和气泡的物理特征进行定量和定性分析。