汪恩良，于 俊

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

冰凍是冬季中高緯度地區(qū)普遍存在的一種自然現(xiàn)象，位于我國北緯30°以北的河流都會發(fā)生冰凍現(xiàn)象[1]。如黑龍江上游河段、嫩江上游河段、松花江依蘭以下河段、黃河內(nèi)蒙古段及山東河段等[2]。冰凍的出現(xiàn)阻礙了水體流動(dòng)，其常在河道的彎道處產(chǎn)生冰蓋并引發(fā)凌災(zāi)，而且冰凍也對水利工程安全設(shè)施的運(yùn)行造成不利影響[3]，所以研究冰凌成為解決上述問題的突破口。國內(nèi)外已有大量學(xué)者投入到冰科學(xué)研究之中。茅澤育等[4]通過建立模型較好地模擬出封凍期冰塞演變過程；李志軍等[5-7]開展了一系列冰力學(xué)性質(zhì)的研究試驗(yàn)；王軍等[8-9]做了大量有關(guān)冰塞形成和堆積的實(shí)驗(yàn)；美國Clarkson大學(xué)沈洪道教授[10-14]在河冰生消的數(shù)值模擬研究方面作出了許多貢獻(xiàn)并闡述了河冰增長和消融過程，建立了一個(gè)河冰研究的框架；Ashton[15-16]利用經(jīng)典的度-日方法推導(dǎo)出水體、冰蓋、大氣三者之間能量交換的關(guān)系等。而在進(jìn)行這些研究時(shí)，冰層厚度是必不可少的觀測參數(shù)之一。冰厚生消變化的規(guī)律為我們了解氣候變化、獲取冰情預(yù)報(bào)及預(yù)防凌災(zāi)提供了科學(xué)的理論依據(jù)，同時(shí)在資源開發(fā)利用的新領(lǐng)域研究中，將海冰作為淡水資源并加以利用，為北方缺水地區(qū)供給了新的水資源[17]，其中對海冰厚度數(shù)據(jù)的掌握是估算海冰資源總量的前提。因此，如何得到準(zhǔn)確、可靠的河冰和海冰的冰層厚度及其變化信息已成為該領(lǐng)域的熱門話題。

本文從冰厚觀測原理的角度入手，把目前探測冰厚常用的方法按照獲取數(shù)據(jù)方式的不同分為兩類：現(xiàn)場直接測量法和儀器收集處理法，文章分別介紹各個(gè)觀測方法的工作原理及其特點(diǎn)，以期為不同環(huán)境條件下選取適宜的觀測方法提供參考。

1 現(xiàn)場直接測量法

1.1 鉆孔測量法及破冰船法

人們獲取冰厚數(shù)據(jù)最直接、最傳統(tǒng)的觀測方法就是鉆孔測量法[18]，此方法是早期冰情預(yù)報(bào)監(jiān)測時(shí)所采用觀測冰厚的重要手段，其工作原理是按照鉆頭刀刃的方向不斷旋轉(zhuǎn)握桿直至鉆透冰層，再用卷尺或者量冰尺抵住冰層的底部，最后測量并記錄冰層厚度，該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、有很強(qiáng)的實(shí)用性，在江河、水庫、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中大量使用、其測量的準(zhǔn)確度之高也被用作其他觀測方法的標(biāo)定手段，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義[19]，缺點(diǎn)是需要大量的時(shí)間與勞動(dòng)力，工作效率低且不能連續(xù)測量?，F(xiàn)有采用電鉆或電鋸等機(jī)械工具代替人力進(jìn)行鉆孔以及使用不凍孔測樁式冰厚測試儀[20]，這些觀測方法雖對傳統(tǒng)的觀測方法進(jìn)行了改進(jìn)，達(dá)到了省時(shí)省力的效果，但仍沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且在進(jìn)行海冰的研究時(shí)，由于海上環(huán)境復(fù)雜多變，在冰面上打洞困難且具有一定的危險(xiǎn)性，因此在現(xiàn)場直接觀測海冰厚度時(shí)，還可以采用破冰船法[21]。此方法已成為極地考察的重要工具，除用于破冰外，還肩負(fù)著運(yùn)輸和海洋考察等任務(wù)。目前我國極地科考船僅為一艘“雪龍?zhí)枴逼票?，但我國正大力發(fā)展南北極科考研究，自主研發(fā)的首艘破冰船“雪龍2號”已經(jīng)順利下水，如圖1所示，這將是世界上第一艘雙向破冰船[22]，在不久的未來將與“雪龍?zhí)枴币黄鸾M成科考破冰隊(duì)[23]。破冰船法測量冰厚是通過擊碎冰層再打撈碎冰測量厚度，其破冰方式有三種，分別是連續(xù)式、沖撞式、搖擺式。破冰船法的優(yōu)點(diǎn)為工況較為安全，可快速得到冰層厚度,可信度高，數(shù)據(jù)可靠。破冰船法和鉆孔測量法一樣無法對較大尺度的冰層進(jìn)行有效的觀測，也不能滿足連續(xù)觀測的工作需要，受時(shí)間和空間上的限制，具有一定的局限性。

1.2 電阻絲加熱法

電阻絲加熱法作為現(xiàn)場直接觀測方法之一，在很多研究中都得到了應(yīng)用，如美國科學(xué)家在如何平衡海冰質(zhì)量時(shí)使用此方法觀測了幾厘米到幾米不等的冰層厚度[24]，李志軍等[25]研究水庫冰生長過程用到了此觀測方法，中國第22次南極科學(xué)考察中在原有的方法上進(jìn)行優(yōu)化、完善和改進(jìn)并應(yīng)用于東南極普里茲灣固定冰斷面冰厚的觀測[26]等。

電阻絲加熱法的原理如圖2所示，是通過給一端帶有擋板的電阻絲接上電源使其加熱，然后垂直于冰面放置直至打通冰層，使電阻絲能夠自由的上下移動(dòng)，再把電阻絲底端的擋板旋轉(zhuǎn)一定的角度，確保拉起電阻絲時(shí)可以抵住冰層底部，由于我們已知電阻絲的長度，只要測量出露在冰面上部電阻絲的長度，兩者做差即可得到所測冰層的厚度。電阻絲加熱法簡單易行、成本廉價(jià)、數(shù)據(jù)可靠，相比于鉆孔測量法雖測量的精度量級基本一致，但節(jié)省了大量的勞動(dòng)力。在2009年雷瑞波[26]等人對原有的方法進(jìn)行改進(jìn)，其原理如圖3所示，除測量冰厚外還能獲取冰表面和底面的動(dòng)態(tài)變化，增加了在多個(gè)地點(diǎn)連續(xù)測量的優(yōu)點(diǎn)，對電阻絲加熱法的推廣起到很大的幫助。

圖2 電阻絲加熱法原理

圖3 改進(jìn)后熱電阻絲原理

2 儀器收集處理法

2.1 磁致伸縮法

鐵磁質(zhì)受磁化的影響導(dǎo)致介質(zhì)晶格間距發(fā)生方向的改變，從而使得鐵磁質(zhì)的長度和體積發(fā)生變化，即磁致伸縮現(xiàn)象，也稱為威德曼效應(yīng)，其逆效應(yīng)稱為維拉里效應(yīng)[27]。磁致伸縮位移傳感器是利用這兩種效應(yīng)設(shè)計(jì)的。磁致伸縮傳感器是由波導(dǎo)鋼絲、位置磁鐵、波檢測器和電子系統(tǒng)組成[28]。傳感器的工作原理是波導(dǎo)鋼絲在脈沖電流激勵(lì)下產(chǎn)生環(huán)繞鋼絲的旋轉(zhuǎn)磁場，同時(shí)位置磁鐵也產(chǎn)生一個(gè)固定磁場，這兩個(gè)磁場相互正交并使波導(dǎo)鋼絲扭轉(zhuǎn)變形，形成一個(gè)以固定速度向兩端傳播的旋轉(zhuǎn)波。當(dāng)波到達(dá)檢測器時(shí)，在線圈的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電脈沖。通過測量旋轉(zhuǎn)波從位置磁鐵到波檢測器的時(shí)間，就可算出位置磁鐵到波檢測器之間距離。

這是基于磁致伸縮位移傳感器原理而研制的一種測量冰厚的儀器[29]，如圖4所示。該測量儀是由儀器箱和測量桿兩部分構(gòu)成。儀器箱內(nèi)有：電池組、數(shù)據(jù)記錄儀、氣缸和氣泵；測量桿上主要有上、下可自由活動(dòng)的磁環(huán)、固定的磁環(huán)、磁致伸縮傳感器、氣囊和卷揚(yáng)機(jī)。當(dāng)冰厚測量儀工作時(shí)，上磁環(huán)受重力作用向下運(yùn)動(dòng)，直至到達(dá)冰面；同時(shí)氣囊通過氣動(dòng)的方式膨脹并帶動(dòng)下磁環(huán)向上運(yùn)動(dòng)接觸冰底，然后利用磁致伸縮傳感器分別測量固定磁環(huán)與上磁環(huán)的距離和固定磁環(huán)與下磁環(huán)的距離，通過與初始值對比，即可得到冰上表面到冰下表面的位置，進(jìn)而計(jì)算出冰層的厚度。觀測完畢后，上磁環(huán)在卷揚(yáng)機(jī)的牽引力作用下向上運(yùn)動(dòng)回到初始位置，然后釋放氣缸壓力，氣囊收縮，下磁環(huán)受重力下沉到測量桿底部。磁致伸縮法冰厚測量儀的現(xiàn)場實(shí)地觀測精度可達(dá)±2 mm[26]，能夠監(jiān)測到冰層厚度的細(xì)微變化過程，相比其他的測量手段，在觀測高精度冰厚數(shù)據(jù)時(shí)，該方法有著較大的優(yōu)勢。同時(shí)，在過去很長的一段時(shí)間里，毫米級的冰厚數(shù)據(jù)獲取一直是研究海冰熱力學(xué)發(fā)展的“瓶頸”問題[30]，該技術(shù)的應(yīng)用解決了這一難題。該儀器不僅應(yīng)用于海冰也同樣適用于河冰、水庫冰、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)冰的厚度測量。磁致伸縮測量法的不足之處是能量消耗大，受惡劣環(huán)境影響，可能會使儀器內(nèi)部零件受損無法精準(zhǔn)測量。因此今后可以通過對儀器機(jī)械部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場觀測經(jīng)驗(yàn)的積累，從而避免誤差。

圖4 磁致伸縮法冰厚測量儀

2.2 電磁感應(yīng)法

電磁感應(yīng)技術(shù)最早被用于地質(zhì)勘探工作[31]，但隨著科學(xué)的發(fā)展以及學(xué)科的融合和交叉，該技術(shù)在冰科學(xué)領(lǐng)域觀測冰厚方面得到了廣泛應(yīng)用。首次使用該方法是20世紀(jì)70年代對北極冰層的觀測[32]，隨后此方法在該領(lǐng)域的研究中取得了大量成果[33-36]。

電磁感應(yīng)法的工作原理：第一步，通過電磁感應(yīng)儀發(fā)射低頻電磁波，然后發(fā)射線圈產(chǎn)生一個(gè)初級磁場，磁場穿透冰層在接觸到冰下水層時(shí)生成另一個(gè)磁場(次級磁場)并被接收線圈收到并記錄。次級磁場與初級磁場的比值用σa表示,公式為[37]：

(1)

式中：Hs為次級磁場強(qiáng)度，A/m；Hp為初級磁場強(qiáng)度，A/m；ω為角頻率，rad/s；μ0為空間磁場傳導(dǎo)系數(shù)；r為發(fā)射線圈與接收線圈的間距，cm。

基于冰和水電導(dǎo)率的差異，一般來說，冰的電導(dǎo)率相比于水可以忽略不計(jì)，假設(shè)水的電導(dǎo)率一定并且水和冰的傳導(dǎo)性是連續(xù)的[38]，因此次級磁場與初級磁場的比值僅與儀器到冰水分界面的距離有關(guān)，那么只需要測得準(zhǔn)確的σa，就可以換算出儀器到冰水分界面的距離T1。第二步，只要測得儀器到冰面的距離T2，就可求出冰層的厚度。而電磁感應(yīng)儀的放置方式一般有：船載[33]、機(jī)載[35-36]以及直接放在冰面上。其中儀器放在冰面上時(shí)，T1就是冰層的厚度；當(dāng)采用船載和機(jī)載時(shí)，就需用到激光測距儀，其測量冰厚的公式為：

T2=tc/2

(2)

H=T1-T2

(3)

式中：T2為儀器與冰面之間距離，m；t為激光在儀器與冰面之間往返時(shí)間，s；c為光速，m/s；H為冰層厚度，m。

電磁感應(yīng)法具有非接觸式的特點(diǎn)，無需破壞冰層，較為安全；可觀測的范圍很廣，而且工作效率快，能夠在短時(shí)間內(nèi)獲得大量的冰厚數(shù)據(jù)[39]；對于平整冰的觀測數(shù)據(jù)精確，但對不規(guī)則且復(fù)雜形態(tài)的冰層觀測精度不夠，存在誤差。誤差的成因通常是冰層中有水、冰面有雪或水導(dǎo)致激光測距儀測得數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、冰受力變形等。因此如何減小對變形冰觀測的誤差，將是未來工作研究的內(nèi)容之一。

2.3 雷達(dá)測量法

20世紀(jì)30年代雷達(dá)技術(shù)由美國率先應(yīng)用成功[40]。在1922年和1933年，美國使用連續(xù)波干擾雷達(dá)分別檢測出木船和飛機(jī)[41]。隨著時(shí)間的推移，雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展從簡單到復(fù)雜，從粗略到精細(xì)，從單元化到多元化進(jìn)行演變；現(xiàn)代雷達(dá)不僅在軍事領(lǐng)域有著很成熟的技術(shù)，也在地質(zhì)探勘[42]、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[43]、環(huán)境監(jiān)測[44]等方面也有廣泛應(yīng)用。在冰工程研究領(lǐng)域中利用雷達(dá)探測冰厚的想法是由1955年冰川學(xué)會提出的[45]，隨后雷達(dá)開始作為觀測冰厚的必要手段之一。而早期雷達(dá)的使用主要是對南北極冰的研究。1957年Waite[46]首次使用雷達(dá)高度計(jì)觀測了南極Ross冰架底部；Giles等[47]利用雷達(dá)測高對北冰洋的海冰厚度變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)2002—2007年冬季北冰洋厚度下降了0.26 m；在第二次北極考察中我國與其他國家聯(lián)合使用雷達(dá)測量了大量的冰雪厚度剖面數(shù)據(jù)[30]；鄧世坤等[48]對南極Amery冰架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測；雷達(dá)觀測也多次在南極科學(xué)考察中起到至關(guān)重要的作用[49]?，F(xiàn)在雷達(dá)觀測冰厚除在南北極使用外，也常用于河冰、水庫冰的研究。張寶森等[50]采用RIS K2型探地雷達(dá)對黃河河道斷面冰層厚度進(jìn)行探測試驗(yàn)，結(jié)果表明200 MHz頻率天線能夠更清晰的探測冰下狀況；曹曉衛(wèi)等[51]測量了黃河彎道橋墩周圍的冰層厚度；李志軍等[52]也利用探地雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對紅旗泡水庫冰厚數(shù)據(jù)的收集。目前在研究冰性質(zhì)方面的一系列實(shí)驗(yàn)中，利用雷達(dá)觀測冰厚的常用方法主要有：探地雷達(dá)、雷達(dá)-激光測距儀等。

探地雷達(dá)系統(tǒng)主要是由主機(jī)控制單元、發(fā)射和接收天線組成[53]。其原理是：探地雷達(dá)向冰層下方發(fā)射超高頻寬帶短脈沖電磁波，電磁波應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)念l率來測量適宜的冰層，當(dāng)波穿透空氣、冰、水三種介質(zhì)，遇到空氣-冰和冰-水兩個(gè)界面后發(fā)生反射并被接收器獲取，接收器會對獲取的信號波進(jìn)行分析處理，從而得到空氣-冰界面和冰-水界面的位置，就此推算出冰層厚度。計(jì)算公式為：

(4)

式中：H為冰層厚度，m；C為雷達(dá)波在空氣中的傳播速度,m/s；T1和T2為電磁波到達(dá)上、下界面反射回來的時(shí)間,s；ε為物質(zhì)的相對介電常數(shù)。

一般情況下，將雷達(dá)測得數(shù)據(jù)與鉆孔所得數(shù)據(jù)相結(jié)合來提高探地雷達(dá)的精準(zhǔn)度，也把此方法用來分析探地雷達(dá)誤差原因。雷達(dá)工作時(shí)常采用機(jī)載、車載或人工拉拽的方式[54]，圖5為探地雷達(dá)野外實(shí)測，其中機(jī)載雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是可以避免在接近開河和封凍時(shí)，由于冰面脆弱上冰測量的危險(xiǎn)，但價(jià)格昂貴，受氣象條件限制。探地雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)在于高效性、連續(xù)性、攜帶方便、配合載具能大范圍的觀測，可實(shí)時(shí)對冰層進(jìn)行測量，而且無需破壞冰層。

雷達(dá)-激光測距儀法和前面介紹的電磁感應(yīng)法原理相近，都是利用激光測距儀的相位法，通過輸出激光到達(dá)目標(biāo)，再測定往返信號的相位差，來確定目標(biāo)距離。雷達(dá)-激光測距儀由雷達(dá)、激光設(shè)備、通信接口、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等部分組成。其設(shè)備的工作流程是：雷達(dá)發(fā)射一定頻率的電磁波，由于水的介電常數(shù)較大，當(dāng)電磁波到達(dá)冰層下表面時(shí)，開始反射回來，雷達(dá)接收電磁波并轉(zhuǎn)為數(shù)字信號傳向計(jì)算機(jī)。激光測距儀通過發(fā)射激光到冰層上表面，由于冰層屬于半透明性質(zhì)的物體因而被反射，儀器收到反射信號后傳輸給數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行分析儀器到冰面的距離，再將數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)，最后計(jì)算機(jī)分析兩個(gè)高度的數(shù)據(jù)得到冰層厚度，數(shù)據(jù)流程圖如圖6所示。儀器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，測距的精度達(dá)毫米級，可以對薄冰進(jìn)行測量，但其設(shè)備誤差的來源也較為明顯，由于雷達(dá)和激光測距儀各自測量都存在毫米級的誤差，這就導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)誤差，如何減小這兩個(gè)儀器的誤差，是未來研究該設(shè)備的重點(diǎn)。

圖5 探地雷達(dá)野外觀測

圖6 數(shù)據(jù)流程圖

2.4 仰視聲吶法

仰視聲吶技術(shù)是觀測冰厚的經(jīng)典方法。仰視聲吶法主要應(yīng)用于海冰的監(jiān)測，常搭載潛艇[55]或水下機(jī)器人[56]平臺對冰層厚度進(jìn)行測量，根據(jù)平臺的不同將探測方法分為：潛艇聲吶法和系泊聲吶法。潛艇聲吶法最早出現(xiàn)在北極的勘探中[57]，然后多次為北極的探測提供支持，獲得了較為準(zhǔn)確的北極海冰厚度數(shù)據(jù)[58]。但由于南極條約的限制，潛艇不允許進(jìn)入南大洋，因此無法獲取南極冰厚的數(shù)據(jù)。系泊聲吶法首次應(yīng)用于冰厚測量是在北極波弗特海[59]。隨后常用于分析和研究海冰的時(shí)空變化和季節(jié)變化[60]。系泊聲吶測量冰厚的技術(shù)特點(diǎn)是可以獲得固定位置高時(shí)相分辨率的連續(xù)數(shù)據(jù)變化信息，相比潛艇聲吶，可以對冰層進(jìn)行日變化和季節(jié)變化的研究，且精度率高于潛艇聲吶。

聲吶測冰設(shè)備是由一臺工控機(jī)、水聲換能器、波形生成器、發(fā)射接收器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。其工作原理是將聲吶測冰設(shè)備放置于水中，利用水聲換能器向水面發(fā)出不同形式的信號來分別測量氣-冰界面和冰-水界面反射信號的時(shí)間延遲，再由兩個(gè)界面回波信號的時(shí)間差和波在冰中的聲速，計(jì)算出冰層厚度。仰視聲吶的優(yōu)點(diǎn)在于測量精度高，適用于某一區(qū)域總體分布情況；冰下分辨率最好，可以回避冰性質(zhì)的影響；不僅可以對平整冰進(jìn)行觀測，而且對不規(guī)則冰也同樣有效；此外仰視聲吶可提供長時(shí)間連續(xù)的數(shù)據(jù)，受外界惡劣環(huán)境的影響較小。其缺點(diǎn)為儀器安裝十分困難，在試驗(yàn)結(jié)束后不易回收，數(shù)據(jù)難以獲取，還未實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控作業(yè)的要求[61]，設(shè)施耗資金巨大，無法滿足冰厚觀測的需求。未來對仰視聲吶這一技術(shù)手段的研究，應(yīng)該放在接收信號的準(zhǔn)確度和如何快速處理等方面[62]。

3 總結(jié)與討論

(1)現(xiàn)場直接測量法的優(yōu)點(diǎn)是得到的冰厚數(shù)據(jù)精確度高，可靠性好，可以作為其他測量手段的標(biāo)定方法使用。缺點(diǎn)是觀測時(shí)消耗大量的人力物力，不能較好的對大尺度冰層進(jìn)行測量，也不能長時(shí)間連續(xù)工作，受時(shí)間和空間的影響較大。雖有一些技術(shù)手段進(jìn)行了改進(jìn)，但實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測仍是尚未解決的問題，在未來還需繼續(xù)深入探究。

(2)儀器收集處理法觀測的特點(diǎn)是利用電磁波、激光或聲脈沖分辨出氣-冰和冰-水界面，通過儀器得到每一個(gè)界面之間的距離，再計(jì)算出冰厚。其優(yōu)點(diǎn)是無需破壞冰層就可大范圍的進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)觀測，數(shù)據(jù)處理快速且準(zhǔn)確，與現(xiàn)場直接測量法所得數(shù)據(jù)基本符合。缺點(diǎn)為儀器作業(yè)時(shí)常處于野外，受環(huán)境條件影響，未來應(yīng)加強(qiáng)儀器測量時(shí)的受干擾能力。

本文介紹了6種常見觀測冰厚的方法，分別論述了每一種方法的工作原理、適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)，除上述觀測方法外，衛(wèi)星遙感技術(shù)、電容探測、超聲波法均可有效的測量冰厚。不同的觀測方法各有其自身的優(yōu)點(diǎn)和不足，也有著不同的時(shí)空尺度，選擇出合適的觀測手段是本文旨在探討的重點(diǎn)。