水库淡水冰的晶体和气泡及密度特征分析

对黑龙江红旗泡水库的淡水冰生消过程实施现场观测。分别在冰快速生长期、稳定生长期和融冰期取样,观测其冰晶体、冰内气泡形态及尺寸,并测试冰表观密度,获得了3个冰阶段冰样由表至底的冰晶类型、晶体等效直径、冰内气泡宏观形态、气泡尺寸及百分含量和冰密度。结果表明,冰上层为粒状晶体,中下层为柱状晶体,平均粒径随冰深度增加而增大,但冰晶体不随时间变化;冰生长时冰内上层气泡呈球体,百分含量较高,中下层呈圆柱体,百分含量较低;伴随冰的生长和消融,冰内气泡的尺寸和百分含量呈“变化”势态,而冰密度随冰内气泡百分含量的增加而降低。     

水塘静水冰生消原型研究与数值模拟

为研究静水冰生长消融规律,2014年11月中旬至2015年3月中旬在内蒙古托克托县南湖水塘进行不同时段、不同水深静水冰生消的原型试验,通过试验观测得到冰盖厚度、水温和冰温随时间及气温变化过程。根据对水塘静水水体结冰和融化物理过程的分析,建立水温及冰盖生长、消融相互作用的耦合模型。结果表明:气温是静水冰盖生消的主要影响因素;在冰盖演变过程中,水深对其影响较小,仅对结冰后期冰厚及冰盖完全消融时间有所影响;表层水温受气温影响明显,深层水温受影响较小;冰面温度与气温变化同步。基于已有的数学模型,加入野外观测边界条件及气-冰-水三态热交换公式,模拟水温及冰盖生长和消融过程,发现冰厚和水温的计算值与实测值基本吻合,差值在波动允许范围内,此结果深化了对静态水域冰盖生效机理的认识。     

黄河内蒙段河冰微结构特性及影响因素分析

冰的微结构特性不仅能够反映冰的生长过程,而且对冰的力学、热学、光学和电学性质也具有重要影响。为深入认识黄河冰的微结构特性,对黄河内蒙段不同位置的河冰及乌梁素海湖冰进行现场取样,观测冰晶体结构、冰密度、冰内含泥量和冰内气泡,同时观测冰下流速。结果表明：黄河内蒙段河道内不同位置冰层中冰晶体结构差异明显,单一的粒状冰和柱状冰很少,冰层内存在大量的冰花冰,大部分冰晶体结构表现为冰花冰、粒状冰与柱状冰相互交替;冰内含泥量和气泡含量是导致黄河冰密度变化的主要原因,且不同晶体结构下,冰晶体粒径尺寸、冰密度、冰内含泥量、冰内气泡含量和气泡等效直径的变化范围不同。通过将黄河与乌梁素海的冰微结构及冰形成过程进行对比分析,发现环境温度和水动力条件是造成黄河冰微观结构特性的主要原因。     

寒区隧道冰害成因分析及冰柱生长发育试验研究

寒区隧道受多重因素影响容易发生渗水结冰现象,为研究该冰害形成原因和冰柱生长发育过程,将保健路隧道作为研究对象,利用现场监测和理论分析得出低温环境和水分入渗是导致冰害问题的主要原因。通过试验模拟冰柱生长发育过程,分析隧道、输电线路、桥梁等其他工程中相似的结冰现象,总结冰柱的生长形态和发育规律。结果表明:冰柱垂直生长速度远大于横向生长速度,后续水流沿着冰面呈规律性向下滴落,促成平均直径上大下小的生长形态;通过建立平衡方程,推算冰柱可能发育的最大长度,发现热通量、供水率是影响冰体尺寸的重要参数。依据上述现场调查和模拟试验所得结论,不仅可为隧道冰柱形成原因做出理论分析,也对类似工程实际具有指导意义,为隧道冰害防治提供新的研究思路。     

水温变化特性对衡水湖湿地生态环境影响的分析

衡水湖供水水源主要以汛期上游来水和外流域调水为主,调水时段多为每年冬季,水源供给时间相对集中。衡水湖水体水温与其他湖泊有所不同,在秋季、冬季和春季多高于一般性湖泊。通过实测资料对衡水湖内水温及气温变化规律进行分析研究,并与其他河流湖泊水体进行对比,阐明了水温变化对衡水湖湿地生态环境和水质的影响,为制定衡水湖生态系统发展规划提供科学依据。     

用气温和冰厚修正黄河冰内雷达波速的物理机理和参数化

黄河平封冰和立封冰中冰晶体间以水膜形式存在有未冻结的自由水和非自由水,其含量随冰温变化。理论上冰内雷达波速取决于冰体自身的晶体结构和组分,但冰内未冻水含量可对其产生明显的影响;冰内未冻水含量取决于冰温,冰温又受控于气温、辐射和冰厚。分析了黄河什四份子2020—2021年冬季气温和雷达探测冰厚数据,发现气温主导的未冻水含量变化是影响雷达准确探测平封冰厚度的首要因子。通过确定黄河冰-水界面热通量,并引入含有气温、辐射、风速、云量的一维冰热力学模型,结合13个钻孔实测冰厚,计算了与雷达探测冰厚时刻一致的1251个热力学模拟冰厚。在此基础上,分别获得了气温升高过程和降低过程中粒状冰、柱状冰内雷达波速受气温影响以及受气温和冰厚联合影响的统计关系。最终确定将气温和冰厚对雷达波速联合影响的统计关系作为平封冰雷达波速动态修正的参数化方案,依此将固定式雷达冰内雷达波速由常数更换为函数,从而提高了平封冰雷达冰厚探测的精度。根据黄河存在非冻结冰花和堆积碎冰块,建议开展不同类型冰厚探测研究。     

湖冰侧、底部融化现场观测与热力学分析

为深入了解湖冰在弱水动力条件下消融的热力学过程,在融冰期对乌梁素海湖开敞水域处冰层开展侧、底部消融的原位测量,并观测了太阳辐射、气/冰/水/泥温和风等气象及水文要素。观测结果表明冰层侧壁随深度增加逐渐向内侧倾斜融化,冰层厚度逐渐减薄;开敞水域处水温和冰温均呈分层变化,上层水温和冰温日变化幅度较大。通过分析冰层侧、底部融化速率与气象及水文要素之间的变化关系,建立了用净太阳辐照度和水温来表达融化速率的参数化模型。冰底热通量是一项重要的热力学参数,基于冰底薄层的能量平衡,利用观测数据确定了开敞水域处冰层的平均冰底热通量,为11.47~135.61W·m~(-2),表明冰下水体不断向冰层传递热量。     

天然淡水冰温度对冰热扩散系数影响的研究

对于天然淡水冰而言,冰温是决定其性质的关键因素。基于对黑龙江红旗泡水库淡水冰现场实测冰温、辐射等数据的分析,利用冰温数据探讨天然淡水冰热扩散系数受冰温度的影响情况。借鉴文献中淡水冰热传导系数、比热和密度等的研究成果,通过建立最优控制模型的方法,从数学角度上说明了水库天然淡水冰温度对热扩散系数的影响：在相对高冰温区域热扩散系数变化显著,随冰温升高明显降低,并趋于水的热扩散系数值;在相对低冰温区域热扩散系数变化缓慢,随冰温降低逐渐趋于稳定。所证明的高温区域热扩散系数的剧烈变化趋势的存在性为天然淡水冰热扩散系数与淡水热扩散系数之间的过渡赋予了较为合理的物理解释。最后,对辨识的天然水库淡水冰热扩散系数的变化做了简单讨论。     

黄河巴彦淖尔段冰晶体、密度和含泥量调查

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。     

青藏高原北麓河地区热融湖塘冰晶体和气泡特征分析

青藏高原的季节性冰盖不仅改变局部大气下垫面和气-水-地热交换形式;同时也是交通、水利工程建设不可忽略的因素。作者首次开展青藏高原北麓河地区热融湖塘冰的生消过程和冰内部晶体及气泡特征的现场观测。结果发现热融湖塘冰盖层内存在两类典型气泡,并分为大气泡区和小气泡区,气泡含量随冰的生长而减少。整个冰层为柱状晶体,粒径随深度增加而增大。冰密度随气泡含量的不同而变化较大。本文综合气象和地质因素来分析其形成机理。