冰層溫度場(chǎng)及冰蓋厚度演變分析

孫同非,萬(wàn)守朋,李春良（.山東省交通運(yùn)輸廳京杭運(yùn)河工程建設(shè)辦公室,濟(jì)南　5004；.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院,濟(jì)南　5003）

冰層溫度場(chǎng)及冰蓋厚度演變分析

孫同非1,萬(wàn)守朋1,李春良2
（1.山東省交通運(yùn)輸廳京杭運(yùn)河工程建設(shè)辦公室,濟(jì)南250014；2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院,濟(jì)南250031）

摘要：研究冰厚的演變過(guò)程是分析冰凌演變過(guò)程的基礎(chǔ)。本文通過(guò)連續(xù)觀測(cè)到的冰溫及冰厚實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討了冰層溫度場(chǎng)及冰厚的演變過(guò)程及影響因素，并與一種冰厚計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比。

關(guān)鍵詞：冰厚;演變過(guò)程;溫度場(chǎng);影響因素

1　引言

冰的生消演變與其運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過(guò)程，涉及到水動(dòng)力、機(jī)械力和熱力等因素[1]。輸水渠道冰生消過(guò)程主要由其熱力要素控制，并可通過(guò)冰熱力模式進(jìn)行模擬。本文主要研究冰蓋內(nèi)溫度場(chǎng)和冰厚度隨著氣溫等因素的變化情況，并在深入分析冰蓋生長(zhǎng)、消融機(jī)理的基礎(chǔ)上，以觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證實(shí)用的冰厚計(jì)算方法。

2　冰情觀測(cè)試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)布置及測(cè)量

為了準(zhǔn)確把握天然冰在冰期生長(zhǎng)情況及冰的熱力學(xué)因素對(duì)其影響，研究各相關(guān)因素之間的關(guān)系，采用加氣砂漿砌筑了長(zhǎng)度為2.5m，寬度為1.5m，高度為1m的室外防凍裂水池，以便于密切觀測(cè)冰的動(dòng)態(tài)。從2012年12月開(kāi)始，開(kāi)展了冰厚及不同位置溫度觀測(cè)試驗(yàn)。自2012 年12月22日起，試驗(yàn)池水面開(kāi)始封凍。共選定三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，連續(xù)進(jìn)行了定點(diǎn)位置的冰厚、冰溫、氣溫和水溫的觀測(cè)。為了更加準(zhǔn)確地掌握冰蓋厚度、冰溫、水溫在一天中的變化和日平均冰厚的發(fā)展，每日進(jìn)行六次觀測(cè)。觀測(cè)時(shí)間分別為：上午8：00、10：00、12：00、14：00、16：00和18：00。

2.2測(cè)量方法

冰厚測(cè)量選取三個(gè)測(cè)點(diǎn)，平均布置在池邊距離池中心三個(gè)位置，當(dāng)水面開(kāi)始結(jié)冰之日起，每次測(cè)量時(shí)將測(cè)量桿輕輕向上提起，直至測(cè)量桿下部橫板抵觸冰面下表面，讀取測(cè)量桿上刻度，即可確定冰厚。將測(cè)量架固定在試驗(yàn)池中心位置，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)預(yù)估最大冰厚，在水面及以下間隔60mm共設(shè)置6個(gè)溫度傳感器，同時(shí)又分別在水底放置一個(gè)溫度傳感器測(cè)量水溫，冰面上200mm處放置一個(gè)溫度傳感器測(cè)量氣溫。

2.3觀測(cè)結(jié)果分析

由于觀測(cè)數(shù)據(jù)較多，全部用來(lái)生成圖表會(huì)導(dǎo)致圖表顯示混亂，難以進(jìn)行分析。此處選取1月11日至18日所測(cè)得的數(shù)據(jù)，因此時(shí)水面已徹底封凍，該數(shù)據(jù)具有一定代表性。

圖1　冰層溫度及水溫隨氣溫變化曲線

從上圖中不同時(shí)刻冰層內(nèi)溫度及水溫隨著氣溫變化曲線，可以看出，冰層內(nèi)溫度場(chǎng)隨著氣溫變化明顯，越接近冰上表面的測(cè)點(diǎn)冰溫隨氣溫變化越明顯。同時(shí)分析可知，當(dāng)氣溫持續(xù)降低，冰表面溫度最低，冰下下表面溫度最高，形成上冷下熱的漸次增高的分布；當(dāng)氣溫持續(xù)升高時(shí)，冰表面溫度最高，冰下下表面溫度最低，形成下冷上熱的漸次變化分布。當(dāng)氣溫在變化幅度較小的區(qū)域內(nèi)反復(fù)升降，冰層內(nèi)溫度場(chǎng)就出現(xiàn)上下表面熱，中間冰層溫度低的“外熱內(nèi)冷”分布。

水溫變化曲線隨著氣溫的變化并沒(méi)有太大的浮動(dòng)，十分趨近于0℃，可以假定冰層下表面和水溫是一樣的，都是0℃。

2.4氣溫對(duì)冰厚影響分析

通過(guò)對(duì)比各測(cè)點(diǎn)冰厚變化過(guò)程和天氣狀況之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，持續(xù)低溫作用是影響冰蓋厚度的主要因素。同時(shí)，降雪之類(lèi)的天氣變化對(duì)冰蓋厚度的變化也有重要影響。

3　冰蓋厚度計(jì)算方法

練繼建[3]忽略了水、冰熱傳導(dǎo)對(duì)冰厚的影響，提出了靜水冰厚預(yù)測(cè)的輻射冰凍度-日法。該計(jì)算方法不需要經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，各參數(shù)物理定義明確，具有廣泛的適用范圍。

4　冰厚計(jì)算算例

對(duì)2012.12～2013.1期間試驗(yàn)池冰厚觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用公式（1）的冰厚計(jì)算方法計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2。

圖2　冰厚實(shí)際演變與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)對(duì)比圖可以看出，公式（1）對(duì)靜水冰厚演變的計(jì)算是相當(dāng)合理的。

5　結(jié)語(yǔ)

（1）氣溫對(duì)冰層內(nèi)溫度場(chǎng)形成有重要作用。當(dāng)氣溫持續(xù)升或降，冰層內(nèi)溫度場(chǎng)都呈線性分布，當(dāng)氣溫在較小范圍內(nèi)反復(fù)升降變化，引起冰層出現(xiàn)“冷中間層”和“熱中間層”的分布；

（2）持續(xù)低溫作用是影響冰蓋厚度的主要因素。同時(shí)，降雪之類(lèi)的天氣變化對(duì)冰蓋厚度的變化也有重要影響；

（3）在充分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，驗(yàn)證了簡(jiǎn)易的冰厚計(jì)算方法，用以描述冰厚生長(zhǎng)、消融的全過(guò)程。

參考文獻(xiàn):

[1]茅澤育,吳劍疆,佘云童.河冰生消演變及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究進(jìn)展[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2002(01):153-160.

[3]練繼建，趙新.靜動(dòng)水冰厚生長(zhǎng)消融全過(guò)程的輻射冰凍度-日法預(yù)測(cè)研究[J].水力學(xué)報(bào),2011,42(11):1261-1267．