河渠冰水力學研究進展和趨勢1)

郭新蕾 王 濤 付 輝 潘佳佳 路錦枝 郭永鑫 李甲振

(中國水利水電科學研究院，流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

引言

冰塞冰壩是北方寒冷地區江河渠庫中較常出現的冰情現象，極易導致凌汛洪水災害.目前，無論是自然內部進程或是外部強迫導致的全球氣候變化都使得極端天氣、水旱災害頻發，使得一些地區江河在暖冬也出現了比較頻繁的冰塞冰壩現象，不僅對經濟和社會發展帶來越來越大的危害，也進一步加大了冰凌洪水災害防治的難度[1].

北半球較高緯度的地區約有60%以上河流在冬季會經歷冰凌過程[2]，我國北緯30度以北占四分之三的國土面積上都有冰凌現象發生.江河渠庫一旦冰塞形成或冰壩潰決的預測和控制不及時，極易導致水位突增引發洪水泛濫(圖1)，嚴重威脅沿線人民的生命和財產安全.美國、加拿大、俄羅斯、中國是受凌汛災害影響較為嚴重的地區，每年因冰壩造成的損失可達數億美元.我國北方河流如黃河、黑龍江、松花江、西藏和新疆境內諸多界河冬春季時有凌汛險情，典型的黃河寧蒙河段和中俄界江黑龍江，經歷的極端低溫在?30?C 到?59.5?C 之間[3-4]，前者在1951—2010 年的60 年中有13 年發生了凌汛堤防決口災害；后者在1916—2014 年的98 年中有26 年發生過較大的冰凌災害，普通冰厚在1 m 左右，形成的冰壩長度達10 ～20 km，最長可達30 ～50 km，冰壩形成后的壅水高度一般為6 ～8 m，最高可達13 m.國家防總每年均會指示并會同有關省(區)和解放軍部隊，在寧蒙河段開展空中、地面破冰除險工作，中俄雙方政府間會商黑龍江春季防凌汛爆破工作也成為常態機制.對于大型引調水工程，如南水北調中線、北疆調水等工程，穿越城市緯度不同，多地進水口、渠道倒虹吸、節制閘進口等復雜邊界條件下的冰塞堆積問題日益引起重視，冰凌下潛或冰塞堆積嚴重時也將引起冰凌災害(圖2)和鏈發的次生災害，包括破壞水工建筑物[5]、阻塞渠道和影響過流能力等[6].此外，冰塞可能因堵塞引水口使水廠供水中斷，冰凌引發的沖刷、河冰刮擦導致堤岸崩塌破壞(典型如黃河中上游)或使魚類或其他的一些野生種群的生態和生境遭到破壞等.

圖1 漠河站典型年開河水位過程Fig.1 Typical water level process of Mohe station in breakup period

圖2 冰塞破壞及冰凌洪水照片Fig.2 Ice jam effect and ice floodin

鑒于當前氣候變化使得極端天氣、水旱災害頻發，北方河渠冰期安全及其水力調控和減災技術是水災害領域迫切需要解決的重大關鍵問題，它不僅是多個國家在“重大自然災害監測防御”、“水災害形成機理及調控減災對策”等領域的優先主題，也已成為關系國家江河安瀾、水工程安全和國計民生與社會發展的重大問題之一.

解決冰凌洪水重大災害問題的關鍵一是要明晰冰凌災害全過程演化和風險災害鏈機理，從而合理評估災害的風險和影響，二是要突破冰塞冰壩監測預警與防控核心技術與原理，從而形成實用裝備并提出預見性對策，這兩個層面問題的解決依賴于對冰凌現象、機理、過程的深入研究.北方河渠冰凌生消、發展、演變過程，中長期受氣候變化影響，短期主要受氣溫、河道流量迅速變化、河流走向、太陽輻射差異、河道形態和岸線條件、槽蓄量、流冰對冰蓋作用力等多重因素影響，導致每年卡塞地點亦有差異，現場觀測危險高[7]，預測預報難度大.加之天然河流地質地形復雜，冰塞冰壩演化成因尚不明了，同時冰蓋冰塞體的形成、釋放亦會影響到河床沖刷，擠壓刮擦河岸，這就使得河渠冰塞冰壩成因及演化過程、對岸灘崩塌的影響及其防控成為國際冰研究方面的瓶頸問題和前沿，引起了國內外科研人員和工程師的高度關注[8-15].因此，凝練總結現有河冰水力學研究成果及當前科學研究和工程應用研究中存在的難題，對于解決冰凌洪水災害問題具有重要指導意義.

1 河冰水力學基本理論進展

在冬季氣候寒冷地區當水溫降至冰點后，水流中產生具有較強黏性的冰花小晶體.在浮力和紊動力的作用下，冰花上浮水面形成冰盤，隨之流凌.新生成的水內冰具有較強的吸附性，能粘附于河床、水工結構物及河岸，形成錨冰和岸冰.隨著氣溫進一步降低以及冰花粘附，冰凌尺寸、強度、固結力增大[16].當流冰輸移過程中遇到障礙物(橋墩、閘門等)、河道型態特征突變(如彎道、卡口、分匯流和底坡明顯變化)等時，表面冰會出現聚集，直至某個斷面被河冰覆蓋，形成冬季河流的首封位置.隨著上游來冰進一步堆積，會縮小斷面過流面積、顯著增大河道阻力，進而引起冰體卡塞點上游水位的壅高，形成封河冰塞，并可以向上游發展[17].冬末春初氣溫回升，冰蓋發生熱力消融和動力破壞，進而出現開河.如果冰蓋消融過程水流平穩，這種熱力開河為“文開河”.但如果升溫快、融雪融冰產流大或降雨較多，尤其二者疊加，大量上游來冰容易在典型位置持續聚集進一步引起水位壅高形成開河冰壩，一定規模的冰壩體破裂和釋放時常常伴隨著急劇水位流量波動，這種冰水動力誘發的開河為“武開河”.一般認為，開河冰塞冰壩比封河期冰塞危害更大，實際上二者都能引起冰凌洪水災害.Beltaos[18]從河冰熱力生長和消融過程、水內冰、錨冰及岸冰的發展、冰塞冰壩形成和釋放引起的水位流量波動等方面詳細綜述了相關理論、數學模型以及原型觀測的顯著進步，但也強調關于氣候變化和人類活動影響下的冰塞冰壩形成機理和預測預報仍有很多不足.Shen[19]指出河冰研究是水力學、冰力學、熱力學和河流動力學等多學科的交叉領域，所包含的物理過程復雜，他指出關于河冰的理論和數學模型在過去取得的長足進步，能協助解決天然河流和實際工程中涉冰的防洪、發電、航道、生態及環境問題.

圖3 嘗試給出當前河渠冰水力學理論框架圖，其中圖中標注星號(*)是目前研究極少或難點問題.由圖可知，伴隨“失熱—產冰—封河—消融—開河”時間軸，50 年來國內外河冰水力學理論主要集中在水熱循環機理、流冰形成輸移擴散、錨冰岸冰形成發展、封河冰塞機理、開河冰壩機理、水工建筑物冰塞過程、水冰沙互饋作用等7 個主要方面.國外起步早，在前4 方面成果豐富，國內在實踐需求牽引下，借鑒前述成果正圍繞后4 方面的基本理論和難點開展研究，部分實現了并跑和引領.

1.1 水體失熱過程

北方河流水體的熱交換包括徑流和支流的能量匯入、下游出流的能量輸出、空氣與水體的熱交換、水體動能和勢能的轉換及河床與水體的熱交換.冬季水體失熱主要是河流與空氣間的熱交換，占水體熱循環的90%以上[20].持續的水體失熱是河冰形成的前提，河床一般在溫暖的季節儲存能量，在冬季向水體釋放熱量[21].河床與水體間的熱交換在水體熱循環中占比較小，但顯著影響河床上錨冰的生長和釋放過程[22-23].水體運動中動能和勢能轉換的熱能一般較小，可以忽略[24].因此，河流水體熱循環主要考慮水面或冰面與空氣間的熱交換.

圖3 河冰水力學理論框架圖Fig.3 Theoretical framework of river ice hydraulics

針對河流表面熱交換，Shen 和Chiang[25]考慮太陽輻射、水體長波輻射、蒸發熱損失、降雨降雪熱損失和水體與空氣間的熱傳導等因素，建立了冬季北方河流表面熱交換的準確計算方法.除了太陽輻射是水體吸收熱量外，其他熱傳導均為河流向外界釋放熱量，進而促進水體產冰.該方法能提供詳細的水體熱交換過程及各影響因子的權重，但需要太陽輻射角、降雪量、河道經緯度、空氣透射程度、云層狀況、氣溫、水溫和風速風向等各項資料，不便于實際工程應用.為了簡化計算，Shen 等[26]提出了近似的線性公式計算河流表面的熱交換公式，即建立了河流表面損失的凈熱通量與太陽輻射的熱通量、冰面與空氣間的熱傳導等的線性關系.

1.2 產冰過程

當河流水面溫度降到0?C 后，水體開始產冰.隨著水面的持續失熱，水體溫度能出現一定的過冷卻到達?0.01?C 的量級，大量的水內冰產生并釋放潛熱以彌補水體熱量損失，接著水體溫度回升并維持在結冰溫度[27].湍流下水體過冷卻和水內冰產生計算的理論公式相對完善，具體見文獻[28-29].水內冰上浮、懸浮和下沉的運動機理尚不明確，有待研究[30].

在河流的低流速區如河岸附近易形成靜態的岸冰，進而促進斷面冰蓋的產生.Matousek[31]總結了不同類型流冰的原型觀測資料，給出了靜態冰蓋和運動薄冰形成的水溫和流速條件，冰蓋的生長過程與湍流強度有關，即當水流速度過大或者水溫不夠低時冰蓋均不能發展[32].岸冰的橫向發展速率與表面流冰密度成正比，與水流拖曳力和流冰與岸冰摩擦力的大小密切相關[33].僅有的一些研究通過少量觀測資料提出了岸冰橫向發展的經驗公式，但臨界水溫在不同河流有不同取值，公式的通用性不足[19].

錨冰是一種粘附在河床上的冰，相對浮冰的觀測難度更大.錨冰的生長一般在水體達到結冰溫度之后，在河面完全冰封之前.當錨冰受到的浮力大于冰體與河床間的內黏聚力時會從河床釋放，進而上浮到水面.錨冰底部因吸收太陽輻射而融化時也會上浮釋放.冰水力學水槽試驗顯示錨冰的生長和釋放能顯著影響河床的綜合糙率[34].錨冰的釋放能搬運所吸附的河床泥沙，甚至輸運幾十千克的大型卵石或石塊，并在融化后釋放泥沙[35].最近潘佳佳等[22]的研究顯示錨冰的形成與釋放能引起河床高程的變化、斷面流量的波動和河道整體糙率的急劇變化，進而造成水深和流量高達30%的增長波動.

1.3 封河過程

當河道出現卡塞點和初始冰蓋后，上游的來冰會在卡塞處堆積.如果水流速度較低，斷面弗勞德數低于一定臨界值時，水面浮冰會以平鋪上溯的方式發展(juxtaposition mode)；如果水流速度較大，浮冰所受的水流拖曳力能拖動冰塊下潛或翻轉到冰蓋下，冰蓋會以水力加厚的模式(hydraulic thickening mode)向上游發展[18]；當下潛的浮冰過多，冰塞體的內摩擦力小于水流拖曳力和上游壓力時，冰塞體會出現坍塌和力學加厚，進而以更厚的冰塞向上游發展(mechanical thickening mode)，大部分河流的冰塞屬于該類型[36]；如果水流速度進一步增大，斷面弗勞德數超過上限臨界值時，上游來冰在水流拖曳作用下下潛并沿冰塞體底部滑移，最終沖蝕到下游河道，且不能停留堆積在冰塞體下，因此冰蓋不會向上游發展[19].

經典的河冰水力學理論采用靜力平衡原理分析了冰蓋的形成和臨界冰厚，將水力學理論應用到冰塞問題分析中[37].Michel[38]將能量守恒方程應用于冰塞頭部計算，建立窄河冰塞下臨界流速與冰厚的關系，進一步量化了冰塞的發展過程.Uzuner 和Kennedy[39]采用連續方程和動量方程分析了寬河冰塞下的水流特征，提出恒定流下寬河冰塞的平衡冰厚計算公式.通過自然河流中大量冰塞的原型觀測，Beltaos 等[40-41]收集了平衡和非平衡冰塞資料，提出冰塞對水體的阻力與冰厚成正比，并指出冰塞釋放引起的岸灘刮擦侵蝕和河床沖刷遠大于夏季汛期的河道沖刷.美國河冰專家沈洪道等[42-44]針對冰塞過程中的非恒定水流運動，采用冰水雙層流連續介質假定，建立一二維河冰動力學模型，能模擬河冰的產生、輸運、堆積、消融及冰塞的發展釋放過程，為河冰研究提供了有效的技術手段.

1.4 開河過程

相比于封河研究，冬末春初的開河研究遠不夠充分，冰蓋橫縫和縱縫的開裂過程及碎冰蓋的卡塞位置和時間仍是河冰研究的技術難題.隨著冬末氣溫的升高和太陽輻射的增強，冰蓋消融，冰體強度下降.在上游洪水波的作用下，陡峭河段的冰蓋破裂成塊，并向下游輸運.類似封河時的冰塞形成，開河堆積的冰塊也能形成冰塞或冰壩.國內外關于冰塞和冰壩的定義存在較大差異，國外將開河和封河過程中浮冰或流動冰塊堆積形成的冰體雍塞均定義為冰塞(ice jam)，將穩定冰蓋下流冰花或流冰塊的懸浮堆積稱為懸冰壩[18-19](hanging ice dam).在國內，一般將封河過程中產生冰體堆積和堵塞定義為封河冰塞，將開河時期冰塊堆積和堵塞定義為開河冰壩.受流量和來冰量的影響，一般開河冰壩引起的水位和流量波動比封河冰塞大[45].

Shulyakovskii[46]在原蘇聯觀測了大量河流開河過程，采用開河和封河時期的水位差作為冰蓋破碎開河的標準，建立冰蓋強度與開河水位和封河水位的經驗公式.Beltaos[47]通過大量加拿大河流的原型觀測，進一步提出開河與封河期的水位比值與冰厚、冰封寬度、冰體強度和水流拖曳力有關，建立了開河冰蓋破裂和移動的概化模型[45].但這些經驗公式主觀因素較多，不利于在其他河流中推廣應用.國內開河預報主要基于人工智能算法[8].陳守煜和冀鴻蘭[48]基于BP 神經網絡模型，預報了黃河寧蒙河段開河日期.王濤等[49]基于GIS 地理信息系統和神經網絡預報模型，建立黃河冰情預報專家系統，能有效預報寧蒙河段開河日期，預報期精度在10 d 左右.王軍等[50]采用BP 神經網絡模型模擬了實驗條件下彎道冰塞的水位壅高，能較好地預測河冰影響下的水位變化.

目前，封河之前的冰凌生消及冰塞形成的熱力學和動力學機理相對明確，其過程主要受氣溫、水動力影響(圖4)，但冰厚消融—開河—開河期冰壩的形成和破壞過程不僅涉及到水力學和熱力學過程，還伴隨著冰內結構的變化，尤其是冰密度、孔隙率(圖5)和冰塊之間機械運動，機理非常復雜.在這方面，Beltaos 長達40 余年對開河期冰塊堆積、冰壩形成、冰壩破壞的物理過程和冰壩潰決后洪水波進行觀測，提出了冰蓋破裂或者流冰經驗性的臨界標準、冰壩洪水發生頻率與調控的定性關系等[13,51]，其中最近的觀測表明冬季河流開河冰塞和潰決可引發強烈河岸崩塌及泥沙輸運.Jasek[52]基于河流冰塞的原型觀測提出了較為系統的冰塞潰決過程分析模型.由于冰塞冰壩涉及到復雜的河流動力學過程，影響因素多，使得冰塞冰壩成因和發展演化機理研究也成為國際河冰研究方面的重點.

圖4 河道冰塞生消發展過程Fig.4 Development process of river ice jam

圖5 黃河典型斷面冰蓋的冰體結構[3]Fig.5 Typical ice cover structure of the section in Yellow River[3]

1.5 河冰影響

冬季河冰運動和堆積可能影響水工建筑物運行及安全[53-54].封河期生成的大量水內冰能吸附在攔冰柵和取水管口，造成取水口堵塞，進而影響冬季供水和輸水安全[22].

水流遇到橋墩等障礙物時，對繞流的研究涉及障礙物表面的邊界層、障礙物兩側的剪切層、回流區和尾跡區域非常復雜的流動形態[55],而冬季產生的流凌不僅加劇了此處水流的復雜性，而且直接撞擊或刮擦橋墩，嚴重的還能引起橋墩混凝土表面脫落，影響橋梁結構的安全性.此外，橋墩結構所在的斷面容易引起浮冰堆積，促進冰塞冰壩的形成，引起凌汛洪水[56].嚴重的冰壩能在橋梁或其他阻水建筑物迎冰面形成較大推力，造成水工結構的破壞.

Ettema 和Kempema[57]詳細綜述了河冰對沙質河床地形、泥沙輸運、河岸侵蝕的影響，強調封河期和開河期河冰運動對泥沙運動和河道演變的影響最為劇烈.錨冰的釋放能搬運大量泥沙，甚至輸運非冰期無法啟動的卵石[35].冰塞冰壩的形成和釋放會導致河冰刮擦割蝕河岸，嚴重的能導致堤岸崩塌破壞，誘發凌汛洪水.另一方面，岸冰的凍結能避免流凌直接刮蝕河岸，進而保護河岸[58-59].受限于冬季惡劣的天氣條件、儀器裝備的不足和理論的缺失，目前仍缺少關于河冰對河床沖淤影響的研究，無法定量評估河冰對岸灘的刮擦侵蝕、冰蓋下的泥沙輸運和冰塞冰壩作用下的河道演變規律.

2 冰情預報和模擬模型進展

為了較好地預報冰凌、封河、開河等多水文水力要素和凌汛災害等級、概率等冰情，國內外在冰情預測預報方面研究較多，模型主要集中在兩大方面，包括宏觀的冰情水文預報模型和細觀的河冰過程水力模擬模型，如圖6 所示.

2.1 冰情預報研究進展

冰情預報主要針對流凌、封河、開河和凌汛災害情況開展預報，關鍵參數包括流凌日期、水溫、首封日期和位置、冰厚、開河日期、冰壩等級及冰壩洪水災害評估等.伴隨著人工智能在水科學預報領域應用而不斷發展，其中人工神經和模糊理論因其能對機理相對模糊、河道實測資料不全或缺失、水文資料不完整等狀況具有良好的適應性，被成功應用到冰情問題的研究中.國內冰情預報早期較為系統的研究主要集中在黃河，指標法或統計學模型[60]在早期冰預測中發揮很大的作用.Wang 等[4,61-63]先后將統計模型、人工神經網絡、模糊數學方法等與冰情預測預報結合，較為成功地預測了封開河時間、冰厚、冰壩發生日期等冰情參數，尤其王濤等[49,62]將神經網絡預報模型應用到黃河寧蒙河段冰情預報中，多年來模型應用效果良好，為寧蒙河段的防凌提供了支撐.Sun 等[64]提出了疊加樹模型框架(SETM)，核心是聯合多種智能算法預報開河時間和開河水位，也取得了較好效果.此外，還有半理論半經驗的水文--水溫模型來預報流域內的封開河過程[65]以及在此基礎上更多考慮封開河形成物理機制的水文--水溫實時預報模型[2,66].上述人工智能在冰情中得到成果應用，但仍缺乏對冰情受熱力--動力--特征驅動的認知并將之耦合到預報系統中.相比之下，開河期冰壩的研究成果多集中在開河期冰壩預報的經驗判別及冰壩潰決后洪水的研究.Shen 和Lin[67]在研究日本Shokotsu 河突發冰壩中發現開河前氣溫驟然升高和強降雨同步發生是誘發本次冰壩的主要原因，但未能進一步證明該判斷是否具有普遍性，也未給出氣溫升高和降雨對冰壩影響的量化指標.同開河期冰壩形成過程比較，冰壩潰決后洪水水位和洪水波的研究可以借鑒無冰時洪水研究成果[68-71]，如Beltaos 等[51,72]進一步研究了潰壩后洪水對河床泥沙輸移的影響.由此可見，冰壩預報研究更多集中于開河和冰壩形成之前的冰情預報以及冰壩發生后的洪水預報等方面，對冰壩發生的判斷和預報主要局限在經驗公式或者特定指標方法[8,73]，亟待進一步探明冰壩演變機理基礎上提出新的預報方法.

2.2 冰凌生消過程模擬

對于細觀的河冰過程模擬，較為系統的模型可從Shen的RICE模型算起，提出的模擬河冰過程的雙層解析框架，考慮了水溫分布和冰的濃度分布以及冰蓋熱力增長和消退.Beltaos[74]研制了RIVJAM模型計算寬河型冰塞所引起的水位升高，該模型可以較好的模擬非平衡的冰塞或接地冰塞，類似的模型還包括ICEJAM[75],HEC-RAS,ICEPRO,ICESIM[76],RIVICE[77],RIVICE 1D[78]等.Shen 等[15,26,79]建立了具有高水準的一維、二維DynRICE 模型(CRISSP)來模擬冰凌發展過程，并考慮了河床變化和泥沙運動，該系列模型已成功應用于世界多條河流的冰情研究中.最近Wazney 等[80]在上述模擬冰蓋形成演化時提出了新的公式以嘗試建立熱力學和動力學之間的聯系并得到驗證.國內對黃河冬季冰水情發展過程的模擬可追溯到20 世紀90 年代，黃河水利委員會與Clarkson 大學合作，采用RICE 模型模擬黃河下游冰蓋下水流變化和河道沖淤過程[81-82].黃河水文局和Delft 大學合作，利用一維黃河河冰動態模型模擬了2007—2008年三湖河口冬季流量和水位的變化[83].文獻[10-11，14，83-86]也建立冰塞形成及演變發展動態數學模型、河道冰塞堆積厚度的數值模型及其冰厚增長度日法等，郭新蕾等[54,87]針對長距離明渠--閘門--泵站系統冬季正、反向輸水可能出現的冰問題，開發了調水工程冬季輸水冰情過程模擬平臺及水力控制模型并在南水北調、密云水庫調蓄工程等取得較好模擬效果.

圖6 冰情預測預報模型主要進展框架Fig.6 Framework of progress on river ice forecast and ice models

由于冰水耦合作用涉及到熱力學、結構力學、水力學、泥沙動力學等多學科，河冰水力學基本理論仍在發展中，上述現有的一維、二維動力學數學模型在能夠模擬的冰情、泥沙現象和準確性方面還存在一定局限，如開河冰塞、冰壩的堆積和解體過程、冰體內部裂紋的發生、演化過程和斷裂特征較難直接獲得[88]、河冰運動與岸灘侵蝕的聯系、預報采用智能算法與物理過程結合等，這是河冰預測預報模型方面的難點.

2.3 水冰沙耦合模擬

值得一提的是，冬季河冰過程對北方河流水沙運動的影響至關重要.全球氣候變化和人類活動影響下，極端冰塞冰壩發生的可能性更大.冰塞冰壩能引起上游河道水位迅速抬高，流凌刮擦割蝕岸灘能導致堤岸崩塌破壞，由此引發的凌汛洪災嚴重威脅北方河流冬季輸水安全和河流管理.河冰不僅影響泥沙運動和河道變化，還顯著影響水體溫度和含氧量，例如錨冰和冰蓋的形成會壓縮水生物生長繁殖空間，進而影響水生態環境[57].這些河冰過程吸引了眾多學者的關注，并在水內冰、岸冰、錨冰、冰蓋、冰塞和冰壩等方面取得長足進步[8,89-91]，但缺少耦合水沙運動和河冰動力過程的研究[24].

典型的我國北方河流如黃河、黑龍江和松花江等每年都有超過100 d 的冰期[92]，而冬季河冰運動對泥沙輸運和河道演變的影響常常被忽略.一方面大部分河渠規劃和設計主要基于明流條件，缺少北方河流冰期水沙運動的觀測資料和數據總結.受地區和時間的限制，河冰影響下的水沙問題是季節性過程，不及明渠水沙研究更具代表性，常常被研究人員忽略[59].另一方面冰期河流涉及冰體堆積釋放、水位壅高、流量波動、河床沖淤變化和岸灘崩塌侵蝕等多種過程，存在復雜的水冰沙相互作用.因此，北方河流水冰沙耦合作用機理問題是水力學、河冰動力學和河流動力學的交叉方向，涉及的物理因素多問題復雜，是河冰領域研究的前沿和難點[93].

前已述及，Shen 等[15]開發的二維河冰動力學模型(DynaRICE)，采用基于歐拉場的有限元法計算二維淺水方程，采用基于拉格朗日式的無網格光滑粒子法計算河冰運動，曾考慮了河床變化和泥沙運動.Liu 等[94]開發的河冰全過程的二維數學模型(CRISSP2D)也能模擬復雜地形下的急緩流過程、太陽輻射及風場影響下的水溫升降規律、水內冰的生成及錨冰、岸冰和浮冰過程、冰蓋下的浮冰輸移和沉降過程、冰蓋的熱力增長和消融等過程.Knack 和Shen[95]在CRISSP2D 模型基礎上耦合了二維水沙數值模塊，能模擬北方河流河冰影響下的推移質和懸移質泥沙運動及河床變形.此后，潘佳佳和Shen[22]將CRISSP2D 發展為RICES2D，考慮河冰影響下的泥沙輸運、河床沖淤變化及岸灘侵蝕等，這是水冰沙耦合方面一個很好的探索和嘗試.

3 觀測和防治技術裝備進展

3.1 冰情觀測技術和設備

冰期水文要素的測量相較非冰期具有顯著的測量難度大和測量參數多的特點.一是多種非冰期的測量裝備無法在冰期使用或效果不佳，如表面流場雷達測量裝置、接觸式水位計等；二是多個參數需要跨介質測量，如流速、水溫、水深等均需要跨越冰層測量.此外，冰期增加了許多測量難度較大的專業參數，如冰花濃度、表面冰封率、流凌密度等.

近年來觀測技術裝備發展迅速，目前已經形成了初步的冰情觀測技術裝備體系，裝備類型有二十余種，觀測的參數達到數十個，在測量參數上覆蓋了冰厚、水深、冰花濃度、水溫、冰面冰封率、流冰速度、水溫、冰溫、冰壓力等，基本滿足了一般性的防凌減災需要.但是，由于冰期水體液固演化過程的復雜性和河流水動力學變化的不確定性疊加所引起的測量難題，仍有很多重要的參數測量裝備亟待突破，如冰厚的高精度快速連續式測量、冰塞(冰壩)厚度的測量、冰下流速的非接觸式測量、首封位置和冰情發展過程的動態監測等.冰情觀測裝備從觀測尺度上可分為大尺度遙感遙測式、中尺度移動式觀測式和小尺度定點式，如圖7 所示.上述裝備各有優缺點和適用場景，常常需要單獨或多種觀測設備相互結合使用.

圖7 冰情觀測技術裝備Fig.7 Ice parameter monitoring technology and equipment

大尺度遙感遙測式冰情觀測裝備主要以遠程衛星、低空飛行器為載體，利用圖像、光線、雷達波等物理量在冰體處的變化，來獲取大范圍的冰蓋厚度、冰塞(冰壩)位置、冰體槽蓄量、冰封率等數據.遙感遙測的優勢是覆蓋范圍大，但是存在著測量精度有限和受環境變化影響大的缺點.如美國國家海洋和大氣管理的IMS衛星系統分辨率為4 km[96]，美國國家航空航天局的冰情衛星分辨率為500 m[97].因此，衛星遙感遙測所獲數據常用于冰情范圍、洪水風險等大范圍的評估.低空飛行器搭載雷達測量的方式在精度上一般高于衛星遙感，多應用于冰厚和雪厚的測量.如Arcone 等[98-99]利用直升機機載探地雷達開展了冰厚的單一測量.但早期直升機的應用受限較大，近年來無人機技術的興起和發展，無人機搭載探地雷達的方式獲取冰厚等參數有了長足進步.劉輝等[100]采用400 MHz 無人機載探地雷達測量了黃河什四份子彎道的冰厚，避免了人員的冰面作業的危險性，并發現立封冰蓋條件下雷達的測量精度會下降較多.羅紅春等[101]采用無人機載探地雷達測量了黃河穩封期的冰厚，平封冰蓋的絕對誤差小于5 cm.無人機搭載探地雷達在穩封期平整冰厚的測量上總體效果較好，但是在冰塞、冰壩等特殊冰體的測量上受制于現在的理論尚不完善，尚需進一步發展.

在中尺度的移動式觀測上，包括雷達拖拽式測量、移動圖像識別和移動式測量等.通過雷達拖拽測量的方式，李志軍等[102]采用600 MHz 的探地雷達測量了紅旗泡水庫的堅冰蓋厚度，認為如果氣泡含量較多則會對雷達測量的準確性造成一定的影響.崔雙利和劉成剛[103]在東西遼河交匯處采用250 MHz 的探地雷達測量了冰下水深，發現了雷達波回波圖像上的多次反射區影響了測量的精度.曹曉衛等[104]在融冰期采用200 MHz 的探地雷達測量了巨合灘黃河公路大橋橋墩附近的冰厚，并認為在冰內泥沙、氣泡和冰溫等因素的影響下，雷達波在冰層中的傳播速度出現一定的離散性.劉曉鳳[105]通過與傳統打孔測量方法對比分析后認為探地雷達方法可有效地克服傳統打冰測量方法中測點有限、效率低、勞動強度大等缺點，極大地提高現場工作效率.張寶森和張興紅[106]采用200,400,900 和1500 MHz 的探地雷達測量了黃河頭道拐水文站位置處的冰厚，并認為融冰期冰內含水量增大會導致介電常數發生較大的變化.Finlay等[107]和Proskin 等[108]使用500 和120 MHz兩套探地雷達分別測量了冰厚和水深.Holt 等[109]使用50～250 MHz 的可變頻率探地雷達測量了1～7 m 的海冰冰厚，使用300～1300 MHz 的雷達測量了0.3～1.0 m 的水深.將雷達搭載在氣墊船上，劉之平等[53]采用探地雷達測量了黑龍江和黃河部分河段的冰厚和對應的水深分布，在2 h 內完成了68 km 長的河道冰厚和水深的測量，效率遠超傳統的打孔方法.付輝等[3]改進了雷達測量系統，首次實現了冰厚和水深以及測點GPS 坐標的同步測量，經在黑龍江和黃河上與傳統打孔測量測量方法進行對比，平均誤差小于5%.拖拽式雷達測量方法相較于大尺度的衛星和低空飛航式裝備，在成本和應用門檻上大幅降低，且已經實現冰厚和水深的聯測.

移動圖像識別主要用于錨冰和岸灘侵蝕等的測量.錨冰早期未引起重視，因為錨冰并不一定存在于每條河流上，且錨冰位于河道底部，在封凍期形成，在穩封期消失.近年發現一些河流上的錨冰會導致河道的阻力的大幅增大，才逐漸重視起來[35].在錨冰的觀測上目前尚無完善的方法，主要以圖像識別為主的定性或半定性判斷.冰期的岸灘侵蝕現象主要由冰體刮擦、土壤凍融和水流沖刷引起，目前以野外移動式巡測為主，在定量測量裝備上也未完善.

小尺度定點式冰情觀測裝備包括岸邊固定式、冰體內埋設式、水內埋設式和單點式.冰體內埋設式和水內埋設式是冰情觀測應用時間長、應用廣泛的基本冰情觀測手段，包括傳統的量冰尺、冰花采樣器、測深錘、壓力傳感器、冰網等，這些方法被認為是最為可靠的測量方法，但是高緯度地區冬季氣溫一般在?30?C 甚至更低，冰厚普遍在0.6 m 以上，上述接觸式測量方法就存在效率低、覆蓋河段少和工作強度大等不足[110-111].秦建敏等[112-113]近年來利用空氣、冰與水的電阻及溫度電學特性差異規律，改進了接觸式冰厚測量方法的部分缺點，通過分層檢測電阻、電容、溫度，實現了對冰層厚度、冰層內部溫度梯度的固定式單點連續測量.岸邊固定式主要在測桿上一次搭載多臺套設備，通過多種傳感器的集成，實現水溫、氣溫、冰厚、水位、冰封率、流冰速度等多參數采集[106].

近年來隨著以雷達、聲納、超聲波、圖像識別為基礎的高效非接觸式測量裝備的發展，定點式測量裝備也呈現出由接觸式向非接觸式發展的趨勢，以避免冗繁的打孔、加熱以及接觸式測量對冰體的破壞所造成的誤差.采用聲納冰情測量設備主要為ASL Environmental Sciences 的SWIP 系統，通過發射和接收超聲波脈沖信號實現了冰厚、水深和冰花濃度參數的測量，缺點是需要安裝在河床的固定位置上，且為單點測量，需要多臺設備才能全面地反映河道或湖泊的冰情分布特點，且費用高[114-117].探地雷達通過懸吊在冰面上方，也可應用于定點式的冰情觀測，具有成本較低、無人值守和連續測量的優勢，但在測點的選擇上應注意盡量避開不封凍或立封河段.

3.2 冰凌災害防治技術和設備

在冰塞冰壩預防技術和設備方面，提前破冰技術被認為是預防冰塞冰壩災害的較為先進、有效的技術.在比利時、加拿大、芬蘭、法國、德國、荷蘭、前蘇聯和美國的河道和海灣地區都廣泛地應用過破冰技術.如加拿大渥太華市的里多河(Rideau River)上每年都要進行破冰作業，以防止城市內河道發生冰塞洪水[118].破冰方法包括傳統的破冰船、開鑿機和爆破作業等.典型的破冰作業，一般按等級同時使用多種破冰措施，破冰的流程從下游冰蓋的邊緣開始，逐漸向上游推進，冰被破壞的尺寸不小于河寬的四分之一.研究表明，只要保證足夠的水流速度，破冰后的冰塊就會被沖到下游.

開河前冰蓋的爆破通常選擇在冰壩形成前，氣溫穩定轉正后進行，目的是讓冰蓋沿既定方案破裂，降低開河冰壩風險.如中國水利水電科學研究院在黑龍江開展了多年的防凌爆破研究，圖8 為黑龍江漠河段典型位置的爆破現場.爆破選擇在開河前15 d 左右進行，既保證爆破的冰塊不會再凍結，也要確保冰蓋有足夠強度滿足冰面上爆破工作的順利進行.上述黑龍江的爆破選擇炸藥為2 號巖石乳化炸藥，打孔方式采用一字形交錯布置，試驗研究推薦的是爆破孔炸藥橫向放置方式.

圖8 黑龍江漠河典型位置爆破過程Fig.8 Breaking ice with explosive in Mohe section of Heilongjiang River

除了提前破冰，機械切冰也可以加速冰塞冰壩易發河段冰的釋放輸移，例如彎曲河段、坡度驟變河段和河流交匯口等.冰的切割方法在俄羅斯西伯利亞地區河流、芬蘭、美國和加拿大等寒區河流中得以成功應用，目前常用的切割機械有：切割機、開槽機、鋸冰機等，如美國的DitchwitchTM1620 切割機、芬蘭Mobimar 公司生產專門為致力于降低冰塞冰壩洪水風險而研發的ICESAW 型水陸兩用鋸冰機、加拿大研制的AmphibexTM水陸兩用類破冰機等.這方面目前我國差距較大，尚缺乏相關大型設備.

此外，在熱措施方面，冰蓋吸收各種熱量后強度也會降低或者融化.冰氣交界面的能量交換主要受氣溫、風速、濕度、長波輻射、短波輻射、反射率等的影響，冰水交接面的能量交換主要受水溫和流速的影響，因此，可通過控制這些主要影響因素中的一種或幾種，來控制冰蓋的增長或者衰減，以降低形成冰塞的風險.抑制冰塊生長的常用方法是通過熱源來升高水溫，而常用的熱源有溫排水或湖底的溫水.如為了防止建筑物等遭到冰凍破壞，采用方法是把底層的溫水帶到水面使冰融化，相關設備包括鼓泡器、潛水泵或者導流器，都是通過動力設備把底層溫水帶到水面，實現冷水和熱水的交換，達到融冰的效果.這方面，降低表面反射率也是技術之一.雪冰和白冰對可見光的反射率分別為50%～90%和60%～80%，而黑色或透明的冰的反射率約為20%.因此，對于裸露的黑冰以外的冰體，大部分的太陽輻射都被反射，并沒有被冰體或雪吸收.減小冰或雪蓋的表面反射率，增加對太陽輻射(短波輻射)的吸收，從而可加速冰蓋的融化和消退.實現這種目標的方法之一就是在其表面噴撒一些黑色的物質(俗稱撒粉塵).這種粉塵類的物質在北美、歐洲和亞洲的北部已經被廣泛的使用，用于在破冰作業之前削弱冰的強度，延長海港和水道通航的時間，同時阻止冰塞的形成.常用的一些粉塵類的物質有砂、飛塵(礦渣)、粉煤灰、染料、色素、黑煙末、石油燃料以及落葉等[53,119].

在冰塞冰壩安全破除技術和設備方面，爆破也是常用有效的辦法，可最大程度防止凌汛災害發生或減緩其造成的災害損失.爆破時機一般選擇在冰壩形成期，如采用飛機投彈移除冰壩的技術，美國俄亥俄州的沃爾杭丁河和阿什蘭附近的普拉特河都成功地采用投擲炸藥的方法清除過已發生的冰塞[119]，我國黃河投彈破冰也一直沿用至今.此外，利用氣墊船可輔助冰塞和冰壩的爆破，根據冰壩位置、分布、規模和厚度等實際情況，將炸藥(彈)布置在關鍵部位或結構點處，一般應選在對冰壩起著支撐作用的主河槽的一個邊側，也就是冰壩的堆冰和旁側灘冰的接合部，然后人工起爆并達到破冰和疏通河道的目的，該技術在黃河和黑龍江冰塞冰壩防治中得以成功應用.

4 相關研究展望

鑒于上述河渠冰水力學的研究現狀和難點，建議在以下多個方面開展攻關和探討.

(1)河渠冰水力學基本理論拓展.在現有河冰理論框架下，關于河床熱通量和地下水補給的熱源匯入有必要考慮在內；應進一步研究水內冰生長、絮凝、運動和分布規律；河流錨冰生長和釋放引起流量和水位的變化需要提升觀測水平、積累觀測資料進一步驗證；關于卡冰和初始冰蓋形成的熱力--動力--地形特征影響機制需定量公式化表達.此外，在更接近天然河道的復式斷面冰蓋下水力學特性及冰水動力學耦合機理方面的研究國內外還不充分，有必要進一步研究復式斷面冰蓋下垂向、橫向流速分布特性，建立冰蓋、河床邊界內水流切應力分布模型和計算方法，并通過試驗和觀測驗證和完善建立的理論.再者，我國北方河流治理在冬季還應考慮泥沙影響，北方河流的岸灘侵蝕主要集中在冬季和春初，與河冰的影響關系密切，目前國際上已有學者開始探索河渠冰過程對河床侵蝕和岸灘崩塌的影響.因此，為了更好地支撐黃河等北方河流的防凌減災實際，有必要開展水冰、水沙聯合研究，尤其是研究河冰運動與岸灘侵蝕過程中的水冰沙耦合作用機理這個前沿方向，豐富和拓展河冰水力學研究范疇.

(2)變化環境下的冰情預報及趨勢推演.目前關于河流冰情中長期演變的預報研究不足.從中長期尺度看，氣候變化會改變地表的輻射平衡和大氣環流，正加劇我國青藏高原、新疆等地冰川融化，導致諸如黃河等北方河流中上游氣溫和水溫條件、流域水循環發生顯著變化，該過程對冰情、凌情演變規律的影響考慮遠遠不夠，亟待被認知.因此，有必要基于氣候變化周期內水文和氣象演變特征，結合北方河流，如黃河上游冰川凍土、融雪徑流、蒸發降雨、及地表和地下徑流的變化趨勢，分析氣候變化下冰雪融水對黃河流域水循環影響效應，研究揭示變化環境下黃河中上游冰情多年演變規律，在此基礎上針對性的提出冰情預報方法和技術，尤其是不同尺度區域、中長期、精準化水文--水動力預測預報模型技術，并借此預報未來變化條件下冰情的發展趨勢.

(3)冰凌災害全過程監測預警與協同防控技術裝備研發.目前針對河流冰凌災害監測防御仍有不足，主要原因是監測預警技術與裝備，對象和門類較為單一，監測范圍有限且精度效率不高，全過程監測體系不完整.雖然目前的河冰模型可以較為細致地刻畫和反映冰凌生消全過程，但關于冰塞內部滲流、冰塞內摩擦力以及形成冰塞、冰壩后內部反映冰壩演化的動力與能量積累、釋放等指標尚缺乏相應監測傳感器和裝備.目前的冰水情雷達等雖然顯著提高了冰情測量效率，但在數據處理自動化程度方面還有一定的提升空間.此外，尚缺乏少資料區河流冰期流量等定量反演技術裝備，這些都制約著冰凌災害的防控水平.因此，有必要研究創建不同尺度冰塞冰壩連續監測原理和新方法，研制相應的監測關鍵傳感器，形成多參數立體監測裝備，研發凌汛災害影響監測與災情信息獲取技術與裝備，為構建冰凌災害智能預報、預警和防控一體的平臺提供監測手段和數據支撐.

(4)高原冰湖冰川相關研究探索.冰湖潰決產生的潰決洪水往往會對下游生命財產和基礎設施帶來極大破壞.冰湖潰決過程影響因素多，過程復雜，但潰決流量仍受潰口演化過程制約，類似于土石壩潰決，但土石壩與冰磧物在物質組成、壩體結構的差別決定了潰決過程的差別.因此，有必要加強對冰湖潰決機制、影響因素以及預測預報的研究，注重開展低溫條件下冰湖潰口演化的機理試驗探索，尤其是研究水流沖蝕潰口冰磧土下切和坍塌過程等物理機制，為冰湖災害的預判、模擬提供理論支持和決策依據.