張邀丹，李志軍，李春江，張寶森，鄧 宇

（1. 大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2. 黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

1 研究背景

冰的微觀結(jié)構(gòu)是冰最基本的物理性質(zhì)，主要包括層理、晶體結(jié)構(gòu)和冰內(nèi)雜質(zhì)，冰內(nèi)雜質(zhì)以氣泡、泥沙和未凍水最為常見［1-2］。冰的微觀結(jié)構(gòu)是冰的基本構(gòu)造，能夠反映冰內(nèi)部的“骨架”特征，影響冰的各項物理性質(zhì)。一方面，冰的微結(jié)構(gòu)直接影響冰的力學(xué)行為，并間接影響其與結(jié)構(gòu)物的相互作用，是冰工程研究的基礎(chǔ)［3］；另一方面，冰的微觀結(jié)構(gòu)影響冰的聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，進一步影響冰下水生態(tài)環(huán)境，是冰熱力學(xué)研究和冰遙感研究的基礎(chǔ)［4］。有關(guān)冰生長的歷史信息存儲在冰層及冰微結(jié)構(gòu)中，可以通過對冰樣進行分析和重建認識冰的生消過程，預(yù)測冰層破裂和冰塞堵塞等冰的生消過程。因此，開展冰微結(jié)構(gòu)特性研究對冰環(huán)境和冰工程具有重要意義。

冰微觀結(jié)構(gòu)及其對冰力學(xué)行為的影響已有相關(guān)的報道［5-7］。早在20世紀七八十年代，Michel就對冰的結(jié)構(gòu)進行了定性分類［5］，后來Eicken分析了不同結(jié)構(gòu)冰晶體的形態(tài)尺寸特征［6］。李志軍等研究了冰內(nèi)孔隙率對渤海海冰單軸壓縮強度的影響，發(fā)現(xiàn)海冰冰單軸壓縮強度與其冰內(nèi)孔隙率關(guān)系密切［7］。鄧宇等在假定黃河冰晶體中所有晶粒尺寸為均一值的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值仿真技術(shù)模擬了冰晶粒尺寸對冰單軸壓縮強度的影響，發(fā)現(xiàn)單軸壓縮強度與晶粒尺寸di-12呈線性相關(guān)［8］。在冰熱力學(xué)研究方面，石麗瓊等在分析冰溫對冰熱擴散的影響中發(fā)現(xiàn)，冰內(nèi)氣泡含量和尺寸是影響冰熱擴散系數(shù)的關(guān)鍵因素［9］，但目前缺乏對冰內(nèi)氣泡的定量描述，仍有很大的探索空間。近年來，冰情觀測技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)場鉆孔測量冰厚是獲取冰厚最準確的方法，但也是最難實現(xiàn)的方法，遙感和雷達觀測技術(shù)是獲取冰厚的有效手段［10］。地物光譜特征是遙感技術(shù)的物理基礎(chǔ)［11］，而冰晶體、冰內(nèi)泥沙和氣泡等成分都具有自己獨特的光學(xué)性質(zhì)。不同晶體之間，冰晶熱學(xué)、光學(xué)和電學(xué)行為存在差異，會對遙感和雷達觀測精度造成不同程度的影響。劉輝等采用無人機載探地雷達測量了黃河什四份子彎道的冰厚，發(fā)現(xiàn)立封冰蓋條件下雷達的測量精度會下降較多［12］。李志軍等采用探地雷達對紅旗泡水庫的冰蓋厚度開展了野外測量，認為氣泡含量較多時，會影響雷達測量精度［13］。曹曉衛(wèi)等利用探地雷達測量了黃河冰厚，并提出在冰內(nèi)泥沙和氣泡等因素的影響下，雷達波在冰層中的傳播速度出現(xiàn)一定的離散性［14］。因此，科學(xué)認識冰內(nèi)晶體形態(tài)尺寸、冰密度、冰內(nèi)泥沙、冰內(nèi)氣泡形態(tài)和氣泡百分含量特征，是分析和提高其對冰熱學(xué)、光學(xué)和電學(xué)行為影響的基礎(chǔ)，也是進一步提高冰物理計算模型和遙感觀測精度的關(guān)鍵。

近年來，極地冰［15］、高原冰川冰［16-17］、海冰［18-19］、湖冰［20］和水庫冰［21］等冰微結(jié)構(gòu)的研究成果不斷涌現(xiàn)，但仍缺乏對冰晶體、冰密度、冰內(nèi)含泥量和冰內(nèi)氣泡的定量分析，且河冰微結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的研究成果較少。黃河是中國北方大河，且被譽為世界上泥沙含量最大的河流，并且在黃河冰的生消過程中，黃河河道形態(tài)不斷演變，河流水動力條件復(fù)雜，冰的生消過程除了純熱力學(xué)作用外還伴有動力學(xué)作用［22］，會造成不同程度的冰災(zāi)害［23-25］。本文以黃河冰為研究對象，對其冰微觀結(jié)構(gòu)進行有效觀測和定量分析。對黃河內(nèi)蒙段河冰及烏梁素海湖冰開展了連續(xù)5年的現(xiàn)場試驗，觀測冰晶體形態(tài)尺寸、冰密度、冰內(nèi)含泥量、冰內(nèi)氣泡形態(tài)和氣泡含量及冰下流速，結(jié)合黃河冰的形成過程，對黃河冰的微結(jié)構(gòu)進行分析和重建，并討論了不同冰晶體結(jié)構(gòu)下，冰密度、冰內(nèi)含泥量以及冰內(nèi)氣泡的特性。期望在黃河冰基本物理性質(zhì)對黃河冰探測、預(yù)報以及災(zāi)害預(yù)防的影響等方面提供科學(xué)理論基礎(chǔ)。

2 研究方法

2.1 采樣點布置2015—2020年間，對黃河內(nèi)蒙段河冰開展了5個冬季的野外觀測試驗，沿黃河內(nèi)蒙段上游巴彥淖爾至下游萬家寨布置了11個采樣點，如圖1所示，共獲取了86塊冰坯，其中：

（1）2015—2016年冬季，沿黃河河道縱斷在渡口、敖包、四科河頭和三河湖口段采集12 塊冰坯，觀測冰晶體結(jié)構(gòu)，同時觀測采樣點處的冰下流速；

（2）2016—2017年冬季，在黃河什四份子段采集53 塊冰坯，觀測冰晶體結(jié)構(gòu)，同時觀測采樣點處的冰下流速；

（3）2017—2018年冬季，沿黃河河道縱斷在包頭、三道拐、西麻地、柳林灘和前房子段采集10塊冰坯，觀測冰晶體結(jié)構(gòu)、冰密度和冰內(nèi)含泥量，同時觀測采樣點處的冰下流速；

（4）2018—2019年冬季，沿黃河河道在什四份子、頭道拐和柳林灘段采集7塊冰坯，觀測冰晶體結(jié)構(gòu)、冰密度、冰內(nèi)含泥量、冰內(nèi)氣泡型態(tài)、氣泡含量和氣泡尺寸，同時觀測采樣點處的冰下流速；

（5）2019—2020年冬季，沿黃河河道縱斷在什四份子、頭道拐段采集4 塊冰坯，觀測冰晶體結(jié)構(gòu)、冰密度、冰內(nèi)含泥量、冰內(nèi)氣泡形態(tài)、氣泡含量和氣泡尺寸，同時觀測采樣點處的冰下流速。

2.2 冰微結(jié)構(gòu)及冰下流速觀測方法參照文獻［26］冰微結(jié)構(gòu)觀測的實驗方法，觀測冰晶體結(jié)構(gòu)、冰密度和冰內(nèi)含泥量。利用Adobe Photoshop 和Matlab 對冰晶體圖像進行處理，計算每一層冰晶體的平均等效直徑。冰內(nèi)氣泡的觀測方法與以往不同［21，26］，本次利用顯微鏡觀測冰內(nèi)氣泡，設(shè)置顯微鏡的放大倍數(shù)為200倍，觀測時，將冰薄片放置在顯微鏡的移動平臺上，利用計算機記錄冰內(nèi)氣泡圖像，然后使用Image J和Adobe Photoshop對冰內(nèi)氣泡圖像進行處理，計算每一層氣泡的百分含量和平均等效直徑，在對冰內(nèi)氣泡百分含量進行統(tǒng)計時，不包括冰內(nèi)泥沙所占的空間。為進一步研究冰下水動力條件對冰微觀結(jié)構(gòu)的影響，參考郜國明等人對黃河冰下流速的觀測方法［27］，利用多普勒流速儀觀測冰下流速。

3 冰微結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果

3.1 冰晶體結(jié)構(gòu)參考Michel 和Ramseier［5］對海冰和河冰的分類方法以及Eicken 和Lange［6］對湖冰的分類方法，對黃河內(nèi)蒙段河冰晶體結(jié)構(gòu)的觀測結(jié)果進行了歸納整理，依據(jù)冰晶體的晶粒大小和晶粒形狀，對黃河冰進行了分類。黃河冰中存在5種不同的冰晶體結(jié)構(gòu)，除了文獻［5-6］提到的雪冰、粒狀冰和柱狀冰外，還存在2種特殊的冰晶體結(jié)構(gòu)，分別過渡冰和冰花冰（圖2）。其中：雪冰的晶粒多接近圓形和顆粒狀，晶體粒徑細小，雪冰大多經(jīng)歷過壓實和凍結(jié)融化再凍結(jié)的過程，冰內(nèi)泥沙孔隙較多，凍結(jié)過程主要受環(huán)境干擾和水動力條件控制；粒狀冰的晶粒形狀接近橢圓形，晶體界限清晰，且晶體長軸隨機分布，凍結(jié)過程主要受環(huán)境干擾和水動力條件控制；過渡冰在粒狀冰向柱狀冰發(fā)展的過程中形成，晶體形狀有沿熱傳導(dǎo)方向輕微伸長的趨勢，凍結(jié)過程主要受熱傳導(dǎo)控制和環(huán)境干擾；柱狀冰的晶粒形狀接近矩形，晶體界限清晰，且晶體長軸沿熱傳導(dǎo)方向不斷延伸，凍結(jié)過程主要受熱傳導(dǎo)控制和環(huán)境干擾；冰花冰的晶粒形狀極其不規(guī)則，多為樹突狀和鋸齒狀，多數(shù)冰晶體的粒徑較小，中間夾有部分粒徑較大的冰晶，晶粒邊緣存在包裹晶體，冰晶體之間空隙較多，冰內(nèi)泥沙含量較大，凍結(jié)過程主要受環(huán)境干擾和水動力條件控制。

西藥治療組：黃體酮膠囊與倍美力片聯(lián)合治療。倍美力片，口服，1.25 mg，每日一次，共22天；服用倍美力片第13天起，加服黃體酮膠囊，口服，100 mg，每日2次，共10天。30天為一療程。2～3個療程為一個治療周期。

圖2 黃河內(nèi)蒙段冰晶體結(jié)構(gòu)類型

圖3是沿黃河內(nèi)蒙段河道縱斷面，從黃河上游巴彥淖爾至下游萬家寨選取的8根典型冰樣的冰晶體結(jié)構(gòu)，此外還列舉出一根烏梁素海湖冰冰樣的晶體結(jié)構(gòu)。從冰的晶體結(jié)構(gòu)圖中可以看出：烏梁素海湖冰為純熱力學(xué)生長的柱狀冰，晶體粒徑具有明顯的隨深度增加逐漸變大的趨勢，而黃河內(nèi)蒙段冰層內(nèi)晶體分布比烏梁素海湖冰復(fù)雜，整個冰層為單一粒狀冰或單一柱狀冰的情況較少，主要表現(xiàn)為粒狀冰、柱狀冰和冰花冰相互交替。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：烏梁素海湖冰生消過程中，水動力條件較弱，結(jié)冰水體不存在明顯的流動性，即流速的影響可以忽略，是純熱力學(xué)生長的湖冰；而相比于烏梁素海湖冰，黃河冰的生消過程中除了熱力學(xué)作用還伴有動力學(xué)作用，在冰生消過程中，凍結(jié)環(huán)境不穩(wěn)定且水動力條件不斷變化，最終導(dǎo)致黃河冰層內(nèi)冰晶體結(jié)構(gòu)變化多端。如：渡口1#0 ～5 cm和30 ～47.5 cm冰層均為顯著的柱狀冰，中間5 ～30 cm冰層表現(xiàn)為部分冰花冰嵌于柱狀冰間，四科河頭3#13 ～30 cm冰層內(nèi)有部分冰花冰嵌于柱狀冰間，前房子1#0 ～20 cm也存在部分冰花冰嵌于柱狀冰層間，以上現(xiàn)象都是冰花和流冰受水動力條件和環(huán)境干擾快速凍結(jié)而形成的冰花冰夾層，影響了柱狀冰的自然生長；敖包4#0 ～30 cm為穩(wěn)定的柱狀冰，30 ～61 cm的冰花冰是由于在水流作用下，上游冰花下潛或河底冰花上浮到冰底，最后在熱力學(xué)作用下凍結(jié)在原冰層底部造成的，冰花冰的附著影響了原有冰層的自然生長，改變了原冰層的冰晶體結(jié)構(gòu)；三河湖口4#0 ～27 cm為冰花冰，底層27 ～34 cm是過渡冰，這是粒狀冰和柱狀冰凍結(jié)在冰花冰底部造成的；什四份子4#0 ～20 cm為冰花冰，底層20 ～38 cm 柱狀冰，但在30 ～38 cm 中存在明顯的黑色泥沙，這是攜帶大量泥沙的冰花冰凍結(jié)在柱狀冰底部造成的；頭道拐1#0 ～64 cm表現(xiàn)為粒狀冰和柱狀冰的交替，這是受凍結(jié)環(huán)境干擾和水流不斷變化造成的；蒲灘拐1#0 ～10 cm 為雪冰，但40 cm附近出現(xiàn)了晶粒細小的水平層，能夠反映出外界條件的突然變化而導(dǎo)致的凍結(jié)速率的變化，而這一水平層帶的厚度能夠反映出這種變化持續(xù)的時間，蒲灘拐1#冰晶體結(jié)構(gòu)中晶粒細小水平層帶厚度較小，說明這一變化持續(xù)的時間較短。此外，不同采樣點，冰花凍結(jié)深度不同，同一凍結(jié)深度，冰花冰的凍結(jié)厚度不同，這主要與冰花原始厚度和冰下水流作用有關(guān)。

圖3 2015—2019年黃河內(nèi)蒙段河道縱斷面冰晶體結(jié)構(gòu)

3.2 冰晶體粒徑尺寸對2017—2018和2018—2019年兩個冬季黃河冰不同晶體結(jié)構(gòu)下的晶體粒徑尺寸分別統(tǒng)計，并繪制不同晶體結(jié)構(gòu)下，冰晶體粒徑尺寸沿深度方向的分布圖，冰晶體粒徑尺寸用di表示，如圖4所示：（1）兩個冬季黃河冰晶體粒徑尺寸沿深度方向的分布情況相近。2017—2018年冬季黃河冰花冰的晶體尺寸變化范圍為2.15 ～4.03 mm，粒狀冰的晶體尺寸變化范圍為2.67 ～4.57 mm，柱狀冰晶體的尺寸的變化范圍為3.23 ～26.84 mm。2018—2019年冬季黃河冰花冰的晶體尺寸變化范圍為2.03 ～3.69 mm，粒狀冰的晶體尺寸變化范圍為2.31 ～3.23 mm，柱狀冰晶體的尺寸的變化范圍較大，為3.26 ～28.83 mm；（2）兩個冬季冰表面0 ～10 cm的雪冰粒徑尺寸變化范圍為1.00 ～2.20 mm，但在50 cm附近冰層中出現(xiàn)了平均等效直徑為3.00 mm的雪冰，這是由于雪冰凍結(jié)在流冰冰排內(nèi)，隨流冰下潛到冰底并凍結(jié)在冰底，流冰中粒狀冰和冰花冰的存在，導(dǎo)致雪冰的晶體尺寸變大；（3）兩個冬季黃河冰晶體粒徑尺寸沿深度方向的變化規(guī)律一致。粒狀冰和冰花冰的晶體尺寸沿深度方向在0 ～5 mm范圍內(nèi)隨機分布，柱狀冰的晶體尺寸主要集中在5 ～30 mm，且沿深度方向柱狀冰晶體尺寸有逐漸增大的趨勢；（4）在2018—2019年冬季冰晶體中發(fā)現(xiàn)了明顯的從粒狀冰向柱狀冰發(fā)展的過渡冰，其晶體尺寸介于粒狀冰與柱狀冰之間，分別為4.47 mm和5.88 mm。

圖4 黃河內(nèi)蒙段不同結(jié)構(gòu)晶體等效直徑沿深度方向的變化

3.3 冰密度與冰內(nèi)含泥量對黃河冰及烏梁素海湖冰的冰密度和冰內(nèi)含泥量觀測結(jié)果進行統(tǒng)計，得出：黃河內(nèi)蒙段冰密度和冰內(nèi)含泥量變化范圍分別為702.8 ～964.6 kg/m3和0.001 ～36.039 kg/m3，烏梁素海湖冰冰密度和含泥量范圍分別為883.0 ～907.2 kg/m3和0.001 ～0.243 kg/m3。從黃河內(nèi)蒙段選取4根冰樣的測量結(jié)果，烏梁素海選擇1根冰樣的測量結(jié)果，繪制冰密度和冰內(nèi)含泥量沿深度方向的分布曲線，如圖5所示。黃河內(nèi)蒙段河道內(nèi)不同采樣點的冰密度和冰內(nèi)含泥量沿深度方向的分布均缺少一定的分布規(guī)律，冰密度和冰內(nèi)含泥量的變化幅度較大，而烏梁素海湖冰密度沿深度方向逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，且冰內(nèi)含泥量沿深度方向的波動很小。這與3.1節(jié)冰晶體結(jié)構(gòu)分布情況一致。但烏梁素海湖冰表層0 ～5 cm的冰內(nèi)含泥量明顯高于冰5 ～40 cm的冰內(nèi)含泥量，這是由于烏梁素海附近的泥沙在風的作用下飄落到冰表面，經(jīng)過太陽的輻射及冰表面的凍融作用后滲入冰表層，導(dǎo)致烏梁素海冰表層含泥量明顯較高。

圖5 黃河內(nèi)蒙段及烏梁素海冰密度與冰內(nèi)含泥量沿深度方向的分布

3.4 冰內(nèi)氣泡黃河內(nèi)蒙段河冰和烏梁素海湖冰內(nèi)的氣泡形態(tài)主要分為以下4種，分別是圓球型氣泡、脊椎型氣泡、線粒狀氣泡和多種型態(tài)混合型氣泡，如圖6所示。結(jié)合冰晶體結(jié)構(gòu)的觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粒狀冰的冰內(nèi)氣泡主要為圓球型；柱狀冰的冰內(nèi)氣泡主要為圓球型和線粒狀，冰花冰的冰內(nèi)氣泡形態(tài)不規(guī)則，主要為脊椎型和多種型態(tài)混合型氣泡。

圖6 黃河內(nèi)蒙段及烏梁素海冰內(nèi)氣泡形態(tài)

對黃河及烏梁素海的冰內(nèi)氣泡含量和等效直徑觀測結(jié)果進行統(tǒng)計，得出：黃河冰冰內(nèi)氣泡含量和等效直徑的變化范圍分別為0.5%～14.0%和0.003 ～4.700 mm，烏梁素海湖冰內(nèi)氣泡含量和等效直徑的變化范圍分別為0.5%～3.0%和0.001 ～0.300 mm。從黃河內(nèi)蒙段選取4根冰樣的測量結(jié)果，烏梁素海選擇1根冰樣的測量結(jié)果，繪制冰內(nèi)氣泡含量和等效直徑沿深度方向的分布曲線，如圖7所示。與3.1節(jié)冰晶體結(jié)構(gòu)及3.3節(jié)冰密度和冰內(nèi)含泥量的觀測結(jié)果一致，黃河內(nèi)蒙段河道內(nèi)不同采樣點的冰內(nèi)氣泡含量和等效直徑沿深度方向波動較大，缺少一定的分布規(guī)律，冰凍結(jié)時受風和水流的影響，導(dǎo)致冰表層氣泡含量相對較大。而烏梁素海湖冰內(nèi)氣泡含量和等效直徑沿深度方向波動較小，冰內(nèi)氣泡含量與等效直徑也比黃河小。冰內(nèi)氣泡的來源有多種［28-29］，但主要包含以下三種：（1） 在凍結(jié)初期，溫度下降迅速，沒有形成完整冰蓋時，凍結(jié)受風和水流的影響，水體中包裹的空氣被快速凍結(jié)在冰表層；（2） 冰蓋形成后，水體內(nèi)生物的呼吸作用產(chǎn)生的氣體釋放到冰層時，沒有及時排出而被凍結(jié)在冰層中；（3）冰蓋形成后，冰蓋下水流的擾動產(chǎn)生的空氣包裹體沒有及時排出而被凍結(jié)在冰層內(nèi)。黃河冰內(nèi)氣泡來源以這三種情況為主，而第三種情況，冰蓋形成后，受到冰蓋的阻隔和約束，凍結(jié)不再受風的影響，產(chǎn)生的冰內(nèi)空氣包裹體沒有第一種結(jié)構(gòu)情況多，因此，冰蓋形成后冰層內(nèi)的氣泡含量相對表層冰內(nèi)氣泡含量較小，這與李志軍［21］和Gherboudj［30］等對天然冰內(nèi)氣泡含量的觀測結(jié)果一致。但在黃河冰底部也發(fā)現(xiàn)了氣泡含量較大的冰樣，且黃河冰內(nèi)氣泡含量沿深度方向也在不斷波動，這主要是因為黃河冰不完全是以熱力學(xué)方式形成的，冰蓋形成后，常有冰花和堆積冰凍結(jié)在原有冰層底部，冰內(nèi)氣泡含量也會隨之發(fā)生變化。

圖7 黃河內(nèi)蒙段及烏梁素海冰內(nèi)氣泡含量和等效直徑沿深度方向的分布

4 討論

4.1 黃河冰晶體結(jié)構(gòu)影響因素黃河河道形態(tài)多變，多處河道上寬下窄，為冰花和流冰的堆積創(chuàng)造了有利的地形條件，加之水動力條件的干擾，造成黃河冰的生消過程復(fù)雜，冰的生消過程必然控制著冰的結(jié)構(gòu)，影響冰生消的水文、氣象條件也必然影響著冰結(jié)構(gòu)［4］。圖8給出了黃河冰形成過程的示意圖。在水的過冷過程中，河道內(nèi)會形成很多冰晶，冰晶可以懸浮在水流中，并且不斷的與其它冰晶相互吸附和聚合，形成冰花，冰花可能會隨水流作用向下游漂移，隨著氣溫的下降可能形成更大的冰盤［31］。在水流的作用下，來自上游的冰花和流冰受水流的拖曳力能夠下潛到冰蓋下，下潛的冰花和流冰會插入或吸附在下游冰層底部［32］，若流速進一步增大，下潛到冰底的冰花和流冰會沿冰底部滑移，最終被水流沖到下游［33］。當冰花和流冰在熱力學(xué)作用下凍結(jié)在河道原有冰層內(nèi)時，不僅會增加原有冰層的厚度，而且改變了原有冰層的結(jié)構(gòu)特性，導(dǎo)致黃河冰的晶體結(jié)構(gòu)不連續(xù)，單一結(jié)構(gòu)的冰晶體較少，主要表現(xiàn)為多種結(jié)構(gòu)的冰晶體相互交替。

圖8 河冰形成過程示意

水動力條件的干擾，直接影響冰花的堆積和凍結(jié)，進一步影響冰層的晶體結(jié)構(gòu)。本文3.1節(jié)冰晶體結(jié)構(gòu)中，不同采樣點，冰花冰的凍結(jié)厚度不同，這不僅與冰花原始厚度有關(guān)，而且冰下水動力條件對冰花的堆積凍結(jié)也有一定的影響。通過進一步分析采樣點處冰下流速和冰底部的冰花冰厚度發(fā)現(xiàn)：黃河內(nèi)蒙段冰花堆積物下水流流速范圍為0.15 ～0.9 m/s，這與郜國明等在黃河內(nèi)蒙段［26］、楊開林等對松花江白山河段［34］以及Michel和Dourin在LaGrande河［35］研究得到的冰花堆積物下的水流流速范圍相近。如圖9所示，本研究初步發(fā)現(xiàn)，當冰下流速大于0.15 m/s，小于0.9 m/s時，冰花冰的厚度隨冰下流速增大有增大的趨勢，該發(fā)現(xiàn)仍有待于進一步深入探究。根據(jù)羅紅春等［36］對河道冰塞特征的研究對此進行初步分析，冰花能否繼續(xù)向下游漂移，取決于其沿水流方向的受力情況，流速越大，對冰花的沖擊力越大，水流的挾冰能力越大，若冰花較小，與冰底的摩擦力較小，則會隨流速向下游漂流，反之冰花則能有機會繼續(xù)附著在冰層底部，并隨溫度的降低凍結(jié)在冰層底部。由于黃河河道內(nèi)水動力條件復(fù)雜，河道內(nèi)不同位置處的冰下流速不同，導(dǎo)致河道內(nèi)不同位置處，冰下堆積的冰花冰厚度不同，進一步造成河道不同位置處，凍結(jié)在冰層底部的冰花冰厚度有差異，最終使黃河冰層晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

圖9 冰花冰厚度與冰下流速的關(guān)系

圖10 2018—2019年前房子4#冰樣的晶體結(jié)構(gòu)、冰密度與冰內(nèi)含泥量

通過繪制冰密度和冰內(nèi)含泥量沿深度方向的分布曲線發(fā)現(xiàn)，冰花冰對應(yīng)的冰內(nèi)含泥量明顯大于粒狀冰和柱狀冰，但冰花冰的冰密度小于粒狀冰和柱狀冰。同時可以看出，冰樣表層冰密度較小，冰內(nèi)含泥量較大。無論是粒狀冰、過渡冰還是柱狀冰，冰密度都與冰內(nèi)含泥量正相關(guān)，冰花冰除了表層0 ～5 cm和中間30 ～35 cm層，冰密度與冰內(nèi)含泥量也是正相關(guān)的，但冰密度與冰內(nèi)含泥量的正相關(guān)性并不顯著，是因為冰密度還與冰內(nèi)氣泡含量有關(guān)。結(jié)合圖10（e）可以看出，0 ～5 cm和30 ～35 cm面層冰內(nèi)氣泡含量大，是導(dǎo)致其冰密度小的原因。

對黃河2017—2018和2018—2019兩個冬季冰樣進行分析，統(tǒng)計不同晶體結(jié)構(gòu)下冰密度和冰內(nèi)含泥量，其中雪冰的冰密度與冰內(nèi)含泥量較小，分別為852.423±19.539 kg/m3和1.857±1.463 kg/m3；冰花冰的冰密度和冰內(nèi)含泥量變化較大，分別為859.594±38.731 kg/m3和5.301±8.072 kg/m3；粒狀冰冰的冰密度與冰內(nèi)含泥量變化分別為888.850±16.497 kg/m3和1.325±2.563 kg/m3；柱狀冰的冰密度與冰內(nèi)含泥量變化分別為901.109±15.886 kg/m3和0.465±1.105 kg/m3；過渡冰的冰內(nèi)含泥量和冰密度分別為0.768 kg/m3、0.932 kg/m3和907.783 kg/m3、930.395 kg/m3，均介于粒狀冰與柱狀冰之間。

圖11（a）繪制了2017—2018 和2018—2019 兩個冬季不同晶體結(jié)構(gòu)下冰密度與冰內(nèi)含泥量的關(guān)系，可以看出：冰花冰的冰內(nèi)含泥量變化范圍比柱狀冰和粒狀冰大，粒狀冰的冰內(nèi)含泥量變化范圍比柱狀冰大。造成這種現(xiàn)象的原因主要是不同結(jié)構(gòu)的冰晶形成過程不同，冰花主要以河道內(nèi)的冰粒子和泥沙等過冷顆粒為晶核生成［31］，隨溫度的降低，不斷增長，漂浮的冰花在河道內(nèi)堆積會凍結(jié)成冰排，冰排內(nèi)含有大量空隙，且黃河河道內(nèi)的泥沙在水流的作用下很容易被保存在冰排內(nèi)，并隨溫度的降低凍結(jié)在冰層內(nèi)，導(dǎo)致冰花冰含泥量較大。而粒狀冰和柱狀冰都是在熱力學(xué)作用下生長在冰層內(nèi)，生長過程中受水流的沖刷作用，能夠直接凍結(jié)在冰內(nèi)的泥沙量有限，且柱狀冰較密實，冰內(nèi)空隙較粒狀冰少，能凍結(jié)在冰內(nèi)的泥沙也較少，所以柱狀冰冰內(nèi)含泥量較粒狀冰小。由于黃河的冰晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單一的柱狀冰和粒狀冰較少，常有冰花冰斜插在粒狀冰和柱狀冰內(nèi)的情況，而在進行冰密度和冰內(nèi)含泥量觀測時，不能預(yù)先將其中的冰花冰切除，所以導(dǎo)致某些粒狀冰和柱狀冰的冰內(nèi)泥沙含量較大。圖11（a）中冰密度與冰內(nèi)含泥量的相關(guān)性不顯著，這是因為冰內(nèi)氣泡的存在同樣會改變冰的密度。

圖11 黃河內(nèi)蒙段不同結(jié)構(gòu)晶體下冰密度隨冰內(nèi)含泥量的變化

為了在不受冰內(nèi)氣泡含量影響的情況下分析冰內(nèi)含泥量對冰密度的影響，參考Aly［37］使用的數(shù)據(jù)歸一化處理方法，將所有冰密度都按照一個參考值進行歸一化，選取本文觀測到的所有冰樣的平均氣泡含量3.67%作為參考值，歸一化公式如（1）所示，以917 kg/m3為純冰密度［4］，三項理論的理想冰密度隨冰內(nèi)含泥量和冰內(nèi)氣泡含量變化的計算公式如式（2）所示。

式中：ρn為根據(jù)參考冰內(nèi)氣泡含量校正后的冰密度；ρm為一定氣泡含量和含泥量下的實測密度值；ρc,r為參考冰內(nèi)氣泡含量下的冰密度；ρc,m為根據(jù)實測氣泡含量計算的冰密度；ρsa為三項理論的理想冰密度；vs為泥沙體積；va為氣泡體積；v為冰樣體積；ms為泥沙質(zhì)量。

圖11（b）是將2018—2019年冬季冰密度與冰內(nèi)含泥量歸一化后繪制成的曲線?？梢钥闯?，雪冰、粒狀冰、柱狀冰和過渡冰歸一化后的冰密度主要集中在0 ～4 kg/m3，在這個范圍內(nèi)，含泥量對冰密度的影響不顯著，而冰花冰內(nèi)的含泥量較大，且冰內(nèi)含泥量對冰密度的影響比雪冰、粒狀冰、柱狀冰和過渡冰顯著，即在當冰內(nèi)含泥量大于4 kg/m3時，冰密度隨冰內(nèi)含泥量的增加逐漸增大。

4.3 不同冰晶體結(jié)構(gòu)下冰內(nèi)氣泡的特征以2018—2019年前房子4#冰樣為例，將黃河冰的晶體結(jié)構(gòu)與冰內(nèi)氣泡含量和氣泡等效直徑進行對比分析，如圖10（e）所示?？梢钥闯霾煌Y(jié)構(gòu)冰晶體中冰內(nèi)氣泡含量和氣泡等效直徑不同，冰花冰中冰內(nèi)氣泡含量和等效直徑比粒狀冰和柱狀冰內(nèi)的氣泡含量和等效直徑大，粒狀冰中冰內(nèi)氣泡含量和等效直徑比柱狀冰內(nèi)的氣泡含量和等效直徑大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：冰花冰中泥沙顆粒較多，且冰花冰形成時的溫度較低，導(dǎo)致冰花冰相對粒狀冰和柱狀冰和柱狀冰疏松，冰密度較小，冰內(nèi)孔隙較多，柱狀冰相對粒狀冰密實，孔隙較少。此外，該冰樣表層冰內(nèi)氣泡含量與等效直徑較大，這不僅與冰晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與冰表層凍結(jié)環(huán)境有關(guān)。人為活動的影響及地表泥沙的滲入，加上表層冰花堆積的過程和風流的作用，都會影響冰面表層的凍結(jié)，導(dǎo)致表層氣泡含量和等效直徑較大。

對黃河2018—2019年和2019—2020年兩個冬季不同晶體結(jié)構(gòu)下，冰密度和冰內(nèi)氣泡含量進行統(tǒng)計，其中雪冰的冰內(nèi)氣泡含量變化范圍為5.29%±2.57%，冰花冰的冰內(nèi)氣泡含量變化范圍為7.13%±2.73%，粒狀冰的冰內(nèi)氣泡含量變化范圍為3.42%±1.41%，柱狀冰的冰的冰內(nèi)氣泡含量變化范圍為2.57%±1.09%，過渡冰的冰內(nèi)氣泡含量變化范圍介于粒狀冰與柱狀冰之間，分別為1.93%和2.38%。

從圖12不同晶體結(jié)構(gòu)下冰密度與冰內(nèi)氣泡含量的關(guān)系中能夠看出：冰花冰的冰內(nèi)氣泡含量變化范圍比粒狀冰和柱狀冰大，粒狀冰的冰內(nèi)氣泡含量比柱狀冰大，這主要與冰晶的形成過程有關(guān)，冰花冰較粒狀冰和柱狀冰疏松，冰內(nèi)泥沙等雜質(zhì)含量較多，所以冰內(nèi)空氣包裹體比粒狀冰和柱狀冰多，冰內(nèi)氣泡含量大。以917kg/m3為純冰密度［4］，忽略冰內(nèi)含泥量對冰密度的影響，利用式（3）計算兩項理論的理想冰密度隨冰內(nèi)氣泡含量變化的關(guān)系。同時，對實測的冰密度與冰內(nèi)氣泡含量進行擬合。可以看出無論是哪種結(jié)構(gòu)的冰，冰密度都表現(xiàn)出了對冰內(nèi)氣泡含量的強相關(guān)性，隨冰內(nèi)氣泡含量的增加而減小。并且還發(fā)現(xiàn)部分冰密度實測值大于理論密度值，這主要是因為冰密度受冰內(nèi)氣泡含量和冰內(nèi)含泥量的共同控制，冰內(nèi)含泥量能使冰密度增加所致。同時，實際測量誤差如冰密度測量誤差和氣泡圖像處理誤差也會造成實測冰密度大于理論冰密度的情況：

圖12 黃河內(nèi)蒙段不同結(jié)構(gòu)晶體下冰密度隨冰內(nèi)氣泡含量的變化

式中：ρa為兩項理論的理想冰密度；Ca為冰內(nèi)氣泡含量。

5 結(jié)論

本文通過觀測2015—2020年五個冬季黃河內(nèi)蒙段河冰及烏梁素海湖冰的晶體結(jié)構(gòu)、冰密度、冰內(nèi)含泥量、冰內(nèi)氣泡及冰下流速，深入認識黃河冰的微結(jié)構(gòu)特性及影響因素，得出：（1）烏梁素海湖冰為純熱力學(xué)方式生長的柱狀冰，晶體粒徑具有明顯的隨深度增加逐漸變大的趨勢，受河流動力學(xué)作用的影響，黃河內(nèi)蒙段冰層內(nèi)晶體分布比烏梁素海湖冰復(fù)雜，整個冰層為單一粒狀冰或單一柱狀冰的情況較少，主要表現(xiàn)為粒狀冰、柱狀冰和冰花冰相互交替。（2）凍結(jié)環(huán)境和水動力條件是導(dǎo)致黃河冰晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的重要原因，黃河內(nèi)蒙段冰花堆積物下水流流速范圍為0.15 ～0.9 m/s，且初步發(fā)現(xiàn)冰層底部凍結(jié)的冰花冰厚度隨冰下流速增大有逐漸增大的趨勢。（3）不同冬季黃河冰晶體粒徑尺寸沿深度方向的分布規(guī)律一致。雪冰的晶粒尺寸在0 ～3 mm范圍內(nèi)隨機分布，粒狀冰和冰花冰的晶粒尺寸在0 ～5 mm范圍內(nèi)隨機分布，柱狀冰的晶體尺寸主要集中在5 ～30 mm，且沿深度方向柱狀冰晶體尺寸有逐漸增大的趨勢。（4）相比于烏梁素海湖冰，黃河內(nèi)蒙段河道內(nèi)不同采樣點冰樣的冰密度、冰內(nèi)含泥量、冰內(nèi)氣泡含量及等效直徑沿深度方向的分布均缺少一定的規(guī)律，受冰層凍結(jié)環(huán)境的影響，不同結(jié)構(gòu)冰晶體下，冰密度、冰內(nèi)含泥量、冰內(nèi)氣泡形態(tài)、氣泡含量和氣泡等效直徑均不同。（5）冰花冰的冰內(nèi)含泥量、冰內(nèi)氣泡含量和等效直徑變化范圍比柱狀冰和粒狀冰大，粒狀冰的冰內(nèi)含泥量、冰內(nèi)氣泡含量和等效直徑變化范圍比柱狀冰大。（6）冰內(nèi)含泥量和冰內(nèi)氣泡含量不同是導(dǎo)致冰密度變化的主要原因，但冰內(nèi)含泥量對冰密度的影響較冰內(nèi)氣泡含量對冰密度的影響弱，通過將冰密度進行歸一化處理后，發(fā)現(xiàn)：當冰密度在0 ～4 kg/m3范圍內(nèi)時，冰內(nèi)含泥量對冰密度的影響不顯著，當冰內(nèi)含泥量大于4 kg/m3時，冰密度隨冰內(nèi)含泥量的增加逐漸增大。

黃河冰的微結(jié)構(gòu)特性對黃河冰的力學(xué)性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)均有重要的影響，本文對黃河冰的微觀結(jié)構(gòu)特性進行了詳細分析，并探索了冰下水動力條件對黃河冰微結(jié)構(gòu)的影響，除本文分析的冰下水動力條件對黃河冰微結(jié)構(gòu)的影響外，還有許多其他因素，如地形和河道的演變等，需進一步開展試驗研究和理論分析，以便更加全面的掌握黃河冰的形成機制和黃河冰的微觀結(jié)構(gòu)特征，為研究黃河冰基本物理特性對黃河冰探測、預(yù)報和災(zāi)害預(yù)防等方面的影響提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)。