汪恩良,李宇昂,劉承前

(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)

世界上的寒冷地區(qū)普遍存在冰凌這一自然現(xiàn)象，冰凌會(huì)改變江河的水力與水文條件，不但會(huì)對(duì)正常的水力發(fā)電與供水產(chǎn)生不利的影響，還會(huì)縮短通航時(shí)間，對(duì)水工建筑物產(chǎn)生侵蝕破壞作用，影響河流泥沙輸移，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致凌汛災(zāi)害。冰蓋與冰塞的出現(xiàn)會(huì)顯著改變河道的水力條件、熱力條件以及幾何邊界條件[1-2]。因此，江河的冰情變化與水利工程、航道運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)有著密不可分的關(guān)系。

冰塞是由水內(nèi)的不同形狀的碎冰潛入水下并在冰蓋下大量堆積形成的。冰塞的形成會(huì)減小冰蓋下的過(guò)流能力，壅高上游水位，加大冰塞河段上下游水位差，而上游水位的升高或者因冰塞潰決產(chǎn)生的下泄冰凌洪水會(huì)導(dǎo)致上下游發(fā)生淹沒災(zāi)害給沿江各地帶來(lái)巨大的損失[3]。因此利用現(xiàn)有的水文、氣象資料對(duì)冰塞冰壩形成的發(fā)展規(guī)律與對(duì)未來(lái)冰情預(yù)測(cè)能夠?qū)Ψ懒璧闹缚?、調(diào)度、決策起到關(guān)鍵作用，是防凌減災(zāi)的一種有效措施。而對(duì)冰塞冰壩成因的研究也是一套復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到水力學(xué)、熱力學(xué)、水文學(xué)、氣象學(xué)及人工智能等多個(gè)領(lǐng)域。在過(guò)去幾十年，在國(guó)際水力學(xué)委員會(huì)與冰工程委員會(huì)的大力支持與促進(jìn)下，冰水力學(xué)、模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、原型觀測(cè)與冰情預(yù)測(cè)的研究與應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展，因此，歸納總結(jié)現(xiàn)有的理論與研究成果并發(fā)現(xiàn)亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，對(duì)防治冰凌災(zāi)害具有重大意義。

1 河冰基礎(chǔ)理論研究進(jìn)展

冰水力學(xué)是研究冰產(chǎn)生和流動(dòng)過(guò)程中與水相互作用規(guī)律，并運(yùn)用這些規(guī)律解決工程實(shí)際問題的水力學(xué)分支，也稱作寒冷地區(qū)水力學(xué)，是一個(gè)新興的交叉邊緣學(xué)科[4]。

在自然界，冰的密度約為917 kg/m3，是由液態(tài)的水發(fā)生相變凝結(jié)而成的固態(tài)物質(zhì)，略小于水的密度(1000 kg/m3)。在緯度較高的地區(qū)，進(jìn)入冬季后隨著氣溫的逐漸降低，河道中水溫也隨之下降，當(dāng)水溫降低到低于0 ℃后，水流中會(huì)出現(xiàn)具有黏結(jié)力的冰花。冰花的尺寸從十分之一毫米到幾毫米不等，其外徑是厚度的10～12倍[5]。在水流速度較小的河段，在斷面平均水溫降低到0 ℃之前，冰花會(huì)在水層表面黏聚成流動(dòng)的冰凌或者形成靜止的冰蓋。在水流速度較大的河段，因水流的紊動(dòng)強(qiáng)度大，冰花晶體將會(huì)充滿整個(gè)水域。Ashton研究表明，影響水體表面和大氣之間熱交換的因素包括空氣的溫濕度、氣壓、風(fēng)速、降雨、降雪和太陽(yáng)輻射等，并給出了相關(guān)的理論公式[6]。

在浮力和紊動(dòng)力的作用下，水中的部分冰花晶體會(huì)漂浮到水面上聚集成冰塊或冰盤，稱為流凌，隨著氣溫的不斷降低與冰塊下冰花的黏聚作用，冰塊的尺寸與強(qiáng)度都會(huì)增長(zhǎng)。當(dāng)冰隨著水流向下流動(dòng)的過(guò)程中遇到障礙，例如閘門、橋墩、冰橋，或是遇到彎道、底坡變化、河道卡口時(shí)，就會(huì)累計(jì)形成冰蓋或者冰壩，并從下游逐漸向上游發(fā)展。

河道阻力大小與結(jié)冰河道的糙率密切相關(guān)，特別是對(duì)于大型河道來(lái)說(shuō)，冰蓋阻力所產(chǎn)生的影響要比冰蓋厚度產(chǎn)生的影響大得多。近年來(lái)，在冰期河道阻力和糙率等方面的研究取得了不少進(jìn)展。美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)推薦采用Belokon-Sabaneec[7]公式計(jì)算符合曼寧粗糙系數(shù)nc。該公式?jīng)]有考慮河床與冰蓋濕周長(zhǎng)度不同產(chǎn)生的影響。Einstein[8]研究了河床與冰蓋濕周長(zhǎng)度對(duì)nc的影響，但Einstein公式是建立在過(guò)流斷面的平均流速與冰蓋區(qū)和床面區(qū)的平均流速相等這一假設(shè)下，并沒有考慮到因流速分布不同產(chǎn)生的影響。Larsen[9]在假定冰蓋區(qū)與床面區(qū)的流速分布符合對(duì)數(shù)規(guī)律的前提下，運(yùn)用Sabaneev公式考慮了冰蓋區(qū)和床面區(qū)流速分布不同對(duì)nc的影響，但其只驗(yàn)證了其中一個(gè)糙率不能滿足實(shí)測(cè)分析的需求。魏良琰[10]建立了不同封凍狀態(tài)下的復(fù)合曼寧粗糙系數(shù)的公式，并通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該公式的實(shí)用性。

茅澤育[11]通過(guò)實(shí)測(cè)資料根據(jù)流速分布推求冰蓋的復(fù)合粗糙系數(shù)，在考慮上下兩區(qū)流速分布的前提下計(jì)算出其粗糙系數(shù)，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。楊開林[12]基于河床的邊界性條件與水流的連續(xù)性條件提出了通用的復(fù)合糙率系數(shù)公式(1)：

(1)

式中：ni為冰蓋的糙率系數(shù)；β為河床區(qū)域濕周與冰蓋區(qū)域濕周的比值；a為河床區(qū)域和冰蓋區(qū)域的平均流速比;nb為河床面的糙率系數(shù)。

當(dāng)β=1且a=1時(shí)，式(1)為Belokon—Sabaneev公式。當(dāng)β≠1且a=1時(shí)，式(1)為Einstein公式。當(dāng)β=1且a≠1時(shí)，式(1)為L(zhǎng)arsen公式。

研究表明，在冰蓋區(qū)域和河床區(qū)域的流速分布符合對(duì)數(shù)分布的前提下，河床區(qū)域和冰蓋區(qū)域流速分布的不同對(duì)nc的影響不大，可以忽略不計(jì)?？梢越迫=1。Belokon-Sabaneev公式以及Larsen公式可應(yīng)用于b/H較大的明渠，但對(duì)于b/H較小的明渠會(huì)產(chǎn)生較大的計(jì)算偏差，Einstein公式更加適用于各種情況并且其計(jì)算出的復(fù)合糙率值比實(shí)際復(fù)合糙率更大，因此在工程設(shè)計(jì)中推薦使用Einstein公式。

對(duì)于河冰生消過(guò)程的研究可以追溯到1961年P(guān)ariset和Hausser[13]通過(guò)研究得到了河面冰堆積理論，可通過(guò)計(jì)算得到河面的初始冰蓋厚度，并且依據(jù)弗勞德數(shù)推測(cè)后續(xù)冰蓋發(fā)展情況。Tatinclaux[14]和Beltaos[15]進(jìn)行了更加深入的研究改進(jìn)和完善了這一理論。

從1984年至今，對(duì)于河冰生消過(guò)程的研究進(jìn)入了數(shù)值模擬的新階段。Shen[16]建立了RICE模型，通過(guò)一維明渠非恒定流方程考慮水溫、冰的分布密度、冰蓋熱力分布模擬河冰生消過(guò)程中水流的運(yùn)動(dòng)。后續(xù)Shen等[17-19]又進(jìn)行了二維河冰動(dòng)力學(xué)模型研究提出二維河冰輸移模型DynaRICE。Liu等[20]考慮了河冰與水的耦合、冰壩底部沖刷和其他水工結(jié)構(gòu)相互作用的影響，并用此模型成功模擬了密西西比河與密蘇里河交界處的冰壩演變過(guò)程。

與國(guó)外相比，我國(guó)在河冰生消發(fā)展過(guò)程數(shù)值模擬的研究也取得了不錯(cuò)的成果。靳國(guó)厚[21]通過(guò)一維非恒定流水力學(xué)模型和一維熱力學(xué)模型構(gòu)建了預(yù)報(bào)渠道內(nèi)冰情變化的數(shù)學(xué)模型。張學(xué)成[22]建立了初始冰蓋形成后冰蓋厚度演變的數(shù)學(xué)模型通過(guò)黃河實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證了其可行性。楊開林[23]根據(jù)冰塞冰壩的形成原理，提出了一系列冰塞冰壩形成的發(fā)展方程，并與實(shí)測(cè)資料相結(jié)合，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料基本吻合。郭新蕾[24-26]在南水北調(diào)工程中通過(guò)對(duì)典型年冰塞冰壩形成以及開河過(guò)程的模擬，提出了合理安全的輸水調(diào)水方案。練繼建[27]等通過(guò)VOF法追蹤水自由面，并與RNGk-ε紊流模型相結(jié)合，對(duì)浮冰底部水壓分布進(jìn)行模擬。經(jīng)過(guò)與Dow Ambtmand[28]試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的可行性，并發(fā)現(xiàn)冰凌下潛的臨界條件與冰凌的形狀和冰塊厚度(δ)、冰塊長(zhǎng)度(L)與上游水深(H)和其比值(δ/H、δ/L)還有弗勞德數(shù)有關(guān)。楊開林[29]以Reynolds平均的Navier-Stokes紊流方程為基礎(chǔ)，建立了河道在冰蓋下的恒定流水深平均流速橫向分布的準(zhǔn)二維模型。

2 冰情模型模擬研究進(jìn)展

為了更加精確地結(jié)合氣溫、水溫、水流速度等水文水力因素進(jìn)行冰情預(yù)報(bào)，國(guó)內(nèi)外研究了許多相關(guān)的水力模型和水文預(yù)報(bào)模型，如圖1所示。

圖1 模型模擬與冰情預(yù)報(bào)研究進(jìn)展框架

對(duì)于河冰冰凌生消過(guò)程模擬，從Shen[16]的RICE模型開始，考慮了溫度和冰分布密度以及冰蓋的熱力變化，提出了較為系統(tǒng)的雙層解析框架。Beltaos[15]提出的RIVJAM 冰壩模型可計(jì)算較寬河道出現(xiàn)冰塞后引起的水位升高。后續(xù)出現(xiàn)了一系列河冰動(dòng)力學(xué)模型包括RIVICE[30]、RIVICE 1D[31]、ICEJAM[32]、ICESIM[33]等。Shen[17-19]等建立了高水平的二維DynaRICE模型與CRISSP2D模型來(lái)模擬冰凌生消過(guò)程還考慮了河床高度變化和泥沙輸移的影響，并和世界上多條河流相結(jié)合成功應(yīng)用于冰情研究中。近期Wazney[34]等結(jié)合了上述模型通過(guò)建立熱力學(xué)和水力學(xué)之間的聯(lián)系，提出了一個(gè)新的公式結(jié)果與實(shí)測(cè)資料基本吻合。李紅芳[35]等對(duì)黃河彎道處的冰凌運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)冰凌運(yùn)動(dòng)軌跡的變化，預(yù)測(cè)易形成冰塞冰壩的河道斷面位置。潘佳佳[36-37]等將水沙理論和河冰理論相結(jié)合，針對(duì)北方河流建立了二維水冰沙耦合模型，并用實(shí)驗(yàn)室物模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，發(fā)現(xiàn)了河冰生消與泥沙輸移對(duì)岸灘侵蝕破壞的機(jī)理，對(duì)北方河流岸灘破壞防治與防凌減災(zāi)提供了有效依據(jù)。

3 冰情觀測(cè)方法研究進(jìn)展

因測(cè)量難度大和測(cè)量參數(shù)多，在冰期，水文要素測(cè)量難度要顯著高于非冰期的測(cè)量。如表面雷達(dá)測(cè)量裝置、接觸式水位計(jì)，因河面凍結(jié)而無(wú)法使用。而且對(duì)于流速、水溫、水深均需要越過(guò)冰層進(jìn)行測(cè)量，還要增加如流凌密度、河面冰封率等參數(shù)的測(cè)量。

近年來(lái)對(duì)于冰情觀測(cè)的設(shè)備與技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)初步形成了完整的冰情觀測(cè)設(shè)備體系。覆蓋了冰情觀測(cè)所需的多種參數(shù)，基本滿足防凌減災(zāi)的需要。但是，因冰期水體固液混合流動(dòng)的復(fù)雜性和水動(dòng)力學(xué)變化的不確定性，還是面臨許多測(cè)量難題，仍有許多重要的參數(shù)測(cè)量設(shè)備亟須突破。冰情觀測(cè)的技術(shù)裝備基本可以分為小尺度(定點(diǎn)觀測(cè))、中尺度(移動(dòng)觀測(cè))、大尺度(遙感觀測(cè))，如圖2所示。

圖2 冰情觀測(cè)設(shè)備匯總

定點(diǎn)觀測(cè)(小尺度)包括固定觀測(cè)、水內(nèi)埋沒觀測(cè)、冰體埋沒觀測(cè)與手持觀測(cè)。水內(nèi)埋沒觀測(cè)與冰體埋沒觀測(cè)屬于較為傳統(tǒng)的冰情觀測(cè)手段，其應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)、應(yīng)用范圍廣是公認(rèn)的較為可靠的測(cè)量方法。但是在維度較高的地區(qū)冬季時(shí)間長(zhǎng)、氣溫低、冰層厚度大，定點(diǎn)觀測(cè)就存在工作效率低、工作強(qiáng)度高、工作范圍小等一系列問題[38-39]。汪恩良[40]等通過(guò)定點(diǎn)拍攝漠河段流冰過(guò)程，通過(guò)影像信息分析記錄了漠河開江過(guò)程中河冰密度分布變化過(guò)程。張寶森[41]等通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)冰厚、ADCP、無(wú)人機(jī)航拍等技術(shù)對(duì)冰厚、冰下水位高度、氣溫、水溫、冰溫等參數(shù)進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集，得到流冰速度、冰凌分布密度、冰凌分布圖像等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)河冰生消全過(guò)程的連續(xù)記錄。

移動(dòng)觀測(cè)(中尺度)主要是通過(guò)雷達(dá)進(jìn)行拖曳式測(cè)量。李志軍[42]等用600 MHz的RIS K2型探地雷達(dá)進(jìn)行了水庫(kù)冰厚測(cè)量，研究發(fā)現(xiàn)與鉆孔測(cè)量相比冰氣泡含量增多會(huì)影響雷達(dá)測(cè)冰厚的準(zhǔn)確度。劉曉鳳[43]等應(yīng)用探地雷達(dá)和傳統(tǒng)鉆孔測(cè)冰厚進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)探地雷達(dá)可提高工作效率并降低工作強(qiáng)度。付輝[44]等將探地雷達(dá)和GPS坐標(biāo)綁定，在黃河與黑龍江流域和傳統(tǒng)鉆孔測(cè)量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明平均誤差小于5%。雷達(dá)測(cè)量冰厚相較于大尺度的遙感觀測(cè)，降低了使用成本，同時(shí)與定點(diǎn)觀測(cè)相比降低了工作強(qiáng)度提高了工作效率。

遙感觀測(cè)(大尺度)主要通過(guò)衛(wèi)星、低空飛行設(shè)備如無(wú)人機(jī)為載體，通過(guò)光線、聲波、圖像經(jīng)過(guò)冰體發(fā)生的變化，來(lái)獲取大范圍的冰層厚度、冰塞冰壩位置、河面冰封率等參數(shù)。但其測(cè)量精度較低且容易受到環(huán)境影響。美國(guó)國(guó)家海洋局[45]的IMS衛(wèi)星系統(tǒng)分辨率為4 km，美國(guó)國(guó)家航空航天局[46]的冰情衛(wèi)星分辨率為500 m。衛(wèi)星遙感觀測(cè)一般用于觀測(cè)冰情范圍，與冰凌災(zāi)害大范圍風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。無(wú)人機(jī)搭載雷達(dá)測(cè)量方式精度上高于遙感觀測(cè)，常用于觀測(cè)冰厚與雪厚。早期Arcone[47-48]等就嘗試過(guò)利用直升機(jī)機(jī)載探地雷達(dá)進(jìn)行冰厚測(cè)量，但直升機(jī)應(yīng)用成本較高、難度較大，隨著近年來(lái)無(wú)人機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和興起，無(wú)人機(jī)機(jī)載探地雷達(dá)已取得不錯(cuò)進(jìn)展。劉輝[49]等通過(guò)無(wú)人機(jī)機(jī)載探地雷達(dá)對(duì)黃河什四份子彎道處的冰厚進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)鉆孔測(cè)量推導(dǎo)出雷達(dá)波在冰內(nèi)的傳播速度，并與冰厚實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明無(wú)人機(jī)機(jī)載探底雷達(dá)具有安全、高效、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)未來(lái)的冰厚觀測(cè)具有重要的參考價(jià)值，值得推廣。

4 冰情預(yù)報(bào)研究進(jìn)展

冰情預(yù)報(bào)指的是通過(guò)現(xiàn)有的水文氣象資料，根據(jù)河流、湖泊的冰凌形成與解凍的形成機(jī)理，通過(guò)算法與數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)未來(lái)冰凌發(fā)展過(guò)程，對(duì)防凌減災(zāi)具有重要的參考價(jià)值。冰情預(yù)報(bào)流程如圖3所示。

圖3 冰情預(yù)報(bào)流程圖

對(duì)于冰情預(yù)報(bào)的研究最早可追溯到20世紀(jì)50年代，Rodhe[50]在假設(shè)空氣和水之間的熱交換速率和它們之間的溫差成正比的前提下，提出了日平均氣溫和冰情變化關(guān)系公式。Adams[51]在假定半月內(nèi)氣溫不變的前提下，利用相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)建立了圣勞倫斯河上游河段封河預(yù)報(bào)模型。Edwad[52]等考慮了河冰變化非恒定這一特點(diǎn)，進(jìn)行了對(duì)圣勞倫斯河封河日期變化的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。Massie[53]等較早地將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于封開河預(yù)報(bào)，提高了冰情預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。由于天然河道的斷面尺寸、糙率系數(shù)等參數(shù)很難測(cè)量，造成實(shí)測(cè)資料不完整，導(dǎo)致應(yīng)用冰水力學(xué)模型不能進(jìn)行冰情的精確預(yù)測(cè)。因此，在洪水水位精確、人口密集的地區(qū)，河道幾何尺寸參數(shù)完整的河段，Blackburn[54]等建立了一種洪水水位確定與洪水演算相結(jié)合的非恒定流模型，可以較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)冰情。而在河道數(shù)據(jù)不完整的地區(qū)，只能采取概化河道斷面尺寸，應(yīng)用冰水力學(xué)模型進(jìn)行冰情預(yù)報(bào)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)仍然是通過(guò)人工智能算法進(jìn)行冰情預(yù)報(bào)系統(tǒng)的開發(fā)與拓展。陳守煜[55]等應(yīng)用模糊理論優(yōu)選BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)黃河寧蒙流段進(jìn)行了流凌變化、封開河日期的預(yù)測(cè)，得到了較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。王濤[56-57]等將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊理論應(yīng)用于南水北調(diào)中線工程當(dāng)中，對(duì)天然河道以及調(diào)水明渠進(jìn)行預(yù)測(cè)，取得了不錯(cuò)的效果。郭永鑫[58]等建立了黃河寧蒙河段的冰情預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)，以GIS作為平臺(tái)，進(jìn)行了冰情預(yù)報(bào)決策支持系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)與開發(fā)。這套預(yù)報(bào)系統(tǒng)從2004年運(yùn)行以來(lái)，預(yù)報(bào)期較長(zhǎng)、預(yù)報(bào)結(jié)果準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定，為黃河寧蒙河段的防凌減災(zāi)工作提供了參考與科學(xué)依據(jù)。王軍[59]等根據(jù)實(shí)測(cè)資料，分析了彎道段冰塞壅水高度和弗勞德數(shù)與流量的變化關(guān)系，應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)彎道斷面水位進(jìn)行模擬并與回歸分析的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，研究表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以提高對(duì)于水位預(yù)測(cè)的精度。王濤[60]等將Levenberg-Marquart算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合并應(yīng)用于南水北調(diào)沿線工程，提高了預(yù)報(bào)精度。宋春山[61]等利用過(guò)往的水文氣象資料，應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)2011—2015年漠河的冰情變化和開江日期進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)資料基本一致。

5 結(jié)論和展望

基于上述對(duì)冰情變化研究進(jìn)展梳理，可以得到下述結(jié)論及對(duì)未來(lái)難點(diǎn)的攻關(guān)與展望。

(1)對(duì)于河冰基礎(chǔ)理論的研究已經(jīng)取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，從最初的定性描述冰的物理特性發(fā)展到定量模擬冰凌從形成到融化的全部過(guò)程。冰蓋覆蓋下的水流流動(dòng)的復(fù)合糙率系數(shù)nc的計(jì)算方法已經(jīng)比較完善，初始冰蓋、冰塞、冰壩的發(fā)展理論已經(jīng)得到了模型實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。河道冰水力學(xué)的一維模型已經(jīng)逐漸成熟并廣泛應(yīng)用，二維水動(dòng)力學(xué)模型還在發(fā)展，需要不斷更新完善。由于冰水力學(xué)和熱力學(xué)的復(fù)雜性，復(fù)式斷面冰蓋下水力學(xué)與冰水動(dòng)力學(xué)耦合機(jī)理、冰蓋下流速分布特點(diǎn)還尚未明確，需通過(guò)模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)完善這一部分理論。另外，我國(guó)北方河流岸灘侵蝕嚴(yán)重，其主要發(fā)生在每年的冬季和早春，與河冰變化關(guān)系密切，因此研究泥沙輸移、河冰變化對(duì)岸灘侵蝕的影響，探索岸灘侵蝕作用過(guò)程中水、冰、沙的耦合機(jī)理是目前的前沿方向與需要突破的關(guān)鍵難題。

(2)目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)做了大量冰情觀測(cè)與模型模擬實(shí)驗(yàn)。建立了一系列初冰期冰情發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)公式，但依舊存在模型實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果誤差較大，不同河道現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得到的初始冰蓋糙率系數(shù)差距較大，無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用，需找出形成這種差異的原因。開河期的冰情觀測(cè)與冰塞冰壩形成和瓦解過(guò)程數(shù)據(jù)較少，相關(guān)的觀測(cè)技術(shù)還需進(jìn)一步發(fā)展。

(3)我國(guó)現(xiàn)有冰情預(yù)報(bào)應(yīng)用和研究與其他國(guó)家處于同一水平，但是有很大的發(fā)展空間。現(xiàn)有的對(duì)于冰情預(yù)報(bào)研究的觀測(cè)站數(shù)量還較少，觀測(cè)參數(shù)也有限，需建設(shè)新的觀測(cè)站和拓展新的觀測(cè)項(xiàng)目。關(guān)于河流冰情中長(zhǎng)期的變化與進(jìn)展研究較少，研究冰情中長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和演變規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)具有針對(duì)性的冰情預(yù)報(bào)方法，是今后冰情預(yù)報(bào)研究的主要發(fā)展方向。