荊大威

（黑龍江省綏化水文水資源中心，黑龍江 綏化151600）

1 概述

本論文主要以通肯河青岡段為研究區(qū)域，在綜合分析與實地踏勘選取特征區(qū)域的基礎(chǔ)上，選用不同的方法對冰厚進(jìn)行測量，并分析冰厚的變化因素，通過對測量數(shù)據(jù)的比較分析得出各種方法的優(yōu)劣性，驗證和分析常規(guī)測量方法和現(xiàn)代測量方法的不同。主要研究內(nèi)容包含以下幾點(diǎn)：a.通肯河青岡段冰情調(diào)查。b.冰厚變化和氣溫、流量等因素的分析。a.冰厚與氣溫的關(guān)系；b.冰厚與流量變化關(guān)系；c.冰厚與冰上積雪的關(guān)系；d.各種觀測方法的比較分析。

2 研究區(qū)域概況

2.1 通肯河青岡段概況：

通肯河又作“通鏗河”。松花江左岸支流呼蘭河的支流。位于黑龍江省中部。發(fā)源于小興安嶺西南麓。全長378 公里，河寬10-60 米，水深0.5-5.0 米，流域總面積10583 平方公里。每年11 月中旬至次年3 月上旬為結(jié)冰期。通肯河青岡段的地理座標(biāo)為東經(jīng)：126°14′02″北緯：46°44′47″。年平均氣溫2.4°-2.6°C，歷史最低氣溫-34.0 度，無霜期為85d 至130d。年平均降水量為477.0mm。春秋分明，冬長夏短。冬季氣候寒冷，最大冰厚一般在0.60m 以上。

表1 1-3 月份氣溫變化表

圖1 氣溫變化圖

圖2 歸一后的冰厚累計負(fù)氣溫圖

圖3 累計負(fù)氣溫模擬冰厚的指數(shù)圖及其公式

2.2 分析冰厚變化

氣候變暖引起全球生態(tài)環(huán)境惡化是21 世紀(jì)人類社會發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)問題之一。其中氣溫升高導(dǎo)致全球冰的大面積融化直接關(guān)系到世界氣候的變化。這就直接的影響到了冰厚的變化，所以氣溫是影響冰厚變化的最直接原因。

2.2.1 冰厚與氣溫的關(guān)系

冰厚與累計負(fù)氣溫成指數(shù)關(guān)系，并且隨著氣溫的降低，冰厚在二月份末達(dá)到最大值，之后就逐漸消減（表1，圖1-3）。從以上各圖可以看出，冰厚的變化與封凍期期間的逐日的負(fù)氣溫變化沒有明顯的關(guān)系。從冰厚變化時程上看，冰厚隨著累計負(fù)氣溫增加而增厚，青岡站一般在二月中下旬左右出現(xiàn)最大冰厚，主要反映在岸邊和河心冰厚圖上。

2.2.2 冰厚與冰上積雪的關(guān)系

冰厚也與冰上積雪有一定的關(guān)系，積雪越厚冰厚越薄，有固定計算公式。冰厚預(yù)報公式：dh/dt=TK/80ρh；實際預(yù)報時應(yīng)當(dāng)根據(jù)由實測資料作出的計算公式來應(yīng)用，如果冰上有雪，則：

考慮冰上有雪，則求得最大可能冰厚公式為：

式中 h——冰厚；K——冰的導(dǎo)熱系數(shù)；S——水內(nèi)傳熱強(qiáng)度；T——冰面溫度；ρ——冰的密度；t——時間。

2.2.3 冰厚與流量變化關(guān)系

平均流速越大的地方冰厚越小，這是由斷面面積變化導(dǎo)致。當(dāng)斷面面積變小時，導(dǎo)致河流的平均流速變大，流速越大的水面就越不容易結(jié)冰，所以冰的厚度就越??；相反當(dāng)斷面面積變大時，河流的平均流速變慢，所以就越容易結(jié)冰，冰的厚度也就越大。

表2 流量、平均流速、最大測點(diǎn)流速表

圖4 流量、平均流速、最大測點(diǎn)流速

圖5

3 分析和比較各種測量方法

固定點(diǎn)冰厚測量的目的是為了隨時掌握冰厚的變化過程和為工程設(shè)計提供依據(jù)。測量時測量地點(diǎn)應(yīng)能代表河段的一般情況。應(yīng)離開清溝、岸邊、淺灘和距離冰上道路有足夠的距離。冰厚測量在同一斷面上分兩處進(jìn)行，一處在河心，一處離水邊5～10 米。固定點(diǎn)冰厚測量的地點(diǎn)應(yīng)能代表河段冰厚的平均情況，并應(yīng)符合下列要求：（1）離開清溝岸邊淺灘和河上冬季道路有足夠的距離；（2）不受泉水工業(yè)廢水或污水匯入影響；（3）應(yīng)避開有冰堆冰塞冰壩冰上冒水等冰情現(xiàn)象出現(xiàn)的地點(diǎn)；（4）在下游回水或上游電站泄流影響范圍之外；（5）所選地點(diǎn)宜與基本水尺斷面相結(jié)合。一直以來,冰厚都被認(rèn)為是冰最難監(jiān)測的物理指標(biāo)之一。鉆孔測量是測量冰厚最可靠的監(jiān)測手段,但其低效性難以滿足定點(diǎn)冰厚連續(xù)觀測的需要。目前國內(nèi)外已發(fā)展了多種自動化冰厚觀測技術(shù),其中衛(wèi)星遙感、雷達(dá)探測、浮筒測量、電阻加熱測量、電磁感應(yīng)和激光測距技術(shù)的組合、艦載聲納等設(shè)備,實現(xiàn)了中、大尺度的冰厚探測。這些探測設(shè)備的廣泛應(yīng)用,為掌握大范圍冰厚度分布狀況及其年際變化特征提供了可能。本文介紹了常規(guī)固定點(diǎn)冰厚觀測技術(shù)，簡述其測量原理，并結(jié)合其現(xiàn)場的應(yīng)用研究結(jié)果并分析其應(yīng)用適用性和價值體現(xiàn)。

以下是對每種方法的比較分析：

3.1 鉆孔測量在精度控制方面的優(yōu)劣。常用測量工具主要是鑿孔工具和量冰尺兩類，鑿孔工具有冰穿和冰鉆兩類。冰穿一般為錐型，冰鉆有曲柄式，雙人式和電動式等。量冰尺有普通量冰尺和固定量冰尺。普通冰尺設(shè)備簡單，適用于各種情況，其形式主要有L 形、鉤形、山形和桿形量冰尺。固定式量冰尺設(shè)備較為復(fù)雜，但不必每次都開鑿冰孔，它適用于水較深的冰層，測得的資料前后聯(lián)系，是水文站使用較為廣泛的測冰工具。至今仍然被廣泛采用，但這種方法很難實現(xiàn)定點(diǎn)實時觀測，并且因為勞動強(qiáng)度大，工作效率低下，只能用作關(guān)鍵點(diǎn)的測量，在結(jié)冰期和融冰期，出于安全考慮而難以實現(xiàn)。對于國內(nèi)的河冰層厚度的測量，主要依靠水文站在冰封期用人工測量。普通方法能保證精度，能對固定點(diǎn)冰面水與冰接觸面的情況進(jìn)行詳細(xì)觀測，觀測時需要開鑿冰眼，同時觀測過程中要用量冰尺進(jìn)行不同方向的測量，觀測人員工作程序?qū)ζ渚扔绊戄^大。同時也不具備連續(xù)觀測的功能。

3.2 雷達(dá)測量在精度控制方面的優(yōu)劣。探地雷達(dá)簡稱GPR，也稱地質(zhì)雷達(dá)，是一種對地下的或物體內(nèi)不可見的目標(biāo)或界面進(jìn)行定位的電磁技術(shù)。這種方法可以實時連續(xù)對冰厚進(jìn)行觀測，實現(xiàn)對河道縱、橫斷面分布情況的測量，但是受其電波在不同介質(zhì)中傳輸速率影響，出現(xiàn)誤差較大，尤其是在含有一定泥沙雜質(zhì)的情況下，同時其對河流的水質(zhì)要求也較高，要保證電波在水與冰分界面出現(xiàn)較大速率變化時，在有些界面分的并不是十分清楚，降低了測量精度。

4 結(jié)論

本章主要是對冰厚的變化做了三方面的分析以及對實地測量中用到的兩種測量方法做了精度控制方面的優(yōu)劣分析。根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析得出以下影響冰厚的結(jié)論：a. 冰厚與累計負(fù)氣溫成指數(shù)關(guān)系，并且隨著氣溫的降低，冰厚在二月中下旬左右達(dá)到最大值，之后就逐漸消減。b.平均流速越大的地方冰厚越小。c.冰厚也與冰上積雪有一定的關(guān)系，積雪越厚冰厚越薄。