冰塞成因與預(yù)測研究進(jìn)展

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)害給沿江各地帶來巨大的損失[3]。因此利用現(xiàn)有的水文、氣象資料對冰塞冰壩形成的發(fā)展規(guī)律與對未來冰情預(yù)測能夠?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。在過去幾十年，在國際水力學(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、原型觀測與冰情預(yù)測的研究與應(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。當(dāng)冰隨著水流向下流動(dòng)的過程中遇到障礙，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)，特別是對于大型河道來說，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，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度不同產(chǎn)生的影響。Einstein[8]研究了河床與冰蓋濕周長度對nc的影響，但Einstein公式是建立在過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，并通過模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該公式的實(shí)用性。

茅澤育[11]通過實(shí)測資料根據(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)場實(shí)測資料進(jìn)行了對比驗(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Larsen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nc的影響不大，可以忽略不計(jì)。可以近似取a=1。Belokon-Sabaneev公式以及Larsen公式可應(yīng)用于b/H較大的明渠，但對于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。

對于河冰生消過程的研究可以追溯到1961年P(guān)ariset和Hausser[13]通過研究得到了河面冰堆積理論，可通過計(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，對于河冰生消過程的研究進(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程。

與國外相比，我國在河冰生消發(fā)展過程數(shù)值模擬的研究也取得了不錯(cuò)的成果。靳國厚[21]通過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)模型通過黃河實(shí)測資料驗(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)測資料相結(jié)合，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測資料基本吻合。郭新蕾[24-26]在南水北調(diào)工程中通過對典型年冰塞冰壩形成以及開河過程的模擬，提出了合理安全的輸水調(diào)水方案。練繼建[27]等通過VOF法追蹤水自由面，并與RNGk-ε紊流模型相結(jié)合，對浮冰底部水壓分布進(jìn)行模擬。經(jīng)過與Dow Ambtmand[28]試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，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

對于河冰冰凌生消過程模擬，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模型來模擬冰凌生消過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)測資料基本吻合。李紅芳[35]等對黃河彎道處的冰凌運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對冰凌運(yùn)動(dòng)軌跡的變化，預(yù)測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岸灘侵蝕破壞的機(jī)理，對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 冰情觀測方法研究進(jìn)展

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

近年來對于冰情觀測的設(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設(shè)備體系。覆蓋了冰情觀測所需的多種參數(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，還是面臨許多測量難題，仍有許多重要的參數(shù)測量設(shè)備亟須突破。冰情觀測的技術(shù)裝備基本可以分為小尺度(定點(diǎn)觀測)、中尺度(移動(dòng)觀測)、大尺度(遙感觀測)，如圖2所示。

圖2 冰情觀測設(shè)備匯總

定點(diǎn)觀測(小尺度)包括固定觀測、水內(nèi)埋沒觀測、冰體埋沒觀測與手持觀測。水內(nèi)埋沒觀測與冰體埋沒觀測屬于較為傳統(tǒng)的冰情觀測手段，其應(yīng)用時(shí)間長、應(yīng)用范圍廣是公認(rèn)的較為可靠的測量方法。但是在維度較高的地區(qū)冬季時(shí)間長、氣溫低、冰層厚度大，定點(diǎn)觀測就存在工作效率低、工作強(qiáng)度高、工作范圍小等一系列問題[38-39]。汪恩良[40]等通過定點(diǎn)拍攝漠河段流冰過程，通過影像信息分析記錄了漠河開江過程中河冰密度分布變化過程。張寶森[41]等通過地質(zhì)雷達(dá)勘測冰厚、ADCP、無人機(jī)航拍等技術(shù)對冰厚、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)對河冰生消全過程的連續(xù)記錄。

移動(dòng)觀測(中尺度)主要是通過雷達(dá)進(jìn)行拖曳式測量。李志軍[42]等用600 MHz的RIS K2型探地雷達(dá)進(jìn)行了水庫冰厚測量，研究發(fā)現(xiàn)與鉆孔測量相比冰氣泡含量增多會(huì)影響雷達(dá)測冰厚的準(zhǔn)確度。劉曉鳳[43]等應(yīng)用探地雷達(dá)和傳統(tǒng)鉆孔測冰厚進(jìn)行對比，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)鉆孔測量進(jìn)行對比，結(jié)果表明平均誤差小于5%。雷達(dá)測量冰厚相較于大尺度的遙感觀測，降低了使用成本，同時(shí)與定點(diǎn)觀測相比降低了工作強(qiáng)度提高了工作效率。

遙感觀測(大尺度)主要通過衛(wèi)星、低空飛行設(shè)備如無人機(jī)為載體，通過光線、聲波、圖像經(jīng)過冰體發(fā)生的變化，來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)。但其測量精度較低且容易受到環(huán)境影響。美國國家海洋局[45]的IMS衛(wèi)星系統(tǒng)分辨率為4 km，美國國家航空航天局[46]的冰情衛(wèi)星分辨率為500 m。衛(wèi)星遙感觀測一般用于觀測冰情范圍，與冰凌災(zāi)害大范圍風(fēng)險(xiǎn)評估。無人機(jī)搭載雷達(dá)測量方式精度上高于遙感觀測，常用于觀測冰厚與雪厚。早期Arcone[47-48]等就嘗試過利用直升機(jī)機(jī)載探地雷達(dá)進(jìn)行冰厚測量，但直升機(jī)應(yīng)用成本較高、難度較大，隨著近年來無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和興起，無人機(jī)機(jī)載探地雷達(dá)已取得不錯(cuò)進(jìn)展。劉輝[49]等通過無人機(jī)機(jī)載探地雷達(dá)對黃河什四份子彎道處的冰厚進(jìn)行測量，通過鉆孔測量推導(dǎo)出雷達(dá)波在冰內(nèi)的傳播速度，并與冰厚實(shí)際測量值進(jìn)行對比，結(jié)果表明無人機(jī)機(jī)載探底雷達(dá)具有安全、高效、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，對未來的冰厚觀測具有重要的參考價(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，通過算法與數(shù)學(xué)模型，預(yù)測未來冰凌發(fā)展過程，對防凌減災(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)行了對圣勞倫斯河封河日期變化的長期預(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)很難測量，造成實(shí)測資料不完整，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。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，國內(nèi)仍然是通過人工智能算法進(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)算法對黃河寧蒙流段進(jìn)行了流凌變化、封開河日期的預(yù)測，得到了較好的預(yù)測結(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，對天然河道以及調(diào)水明渠進(jìn)行預(yù)測，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，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，預(yù)報(bào)期較長、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)行了對比，研究表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以提高對于水位預(yù)測的精度。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]等利用過往的水文氣象資料，應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對2011—2015年漠河的冰情變化和開江日期進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與實(shí)測資料基本一致。

5 結(jié)論和展望

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

(1)對于河冰基礎(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)場觀測數(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，需通過模型試驗(yàn)與現(xiàn)場觀測完善這一部分理論。另外，我國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、河冰變化對岸灘侵蝕的影響，探索岸灘侵蝕作用過程中水、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，國內(nèi)外已經(jīng)做了大量冰情觀測與模型模擬實(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)場觀測結(jié)果誤差較大，不同河道現(xiàn)場觀測得到的初始冰蓋糙率系數(shù)差距較大，無法大規(guī)模應(yīng)用，需找出形成這種差異的原因。開河期的冰情觀測與冰塞冰壩形成和瓦解過程數(shù)據(jù)較少，相關(guān)的觀測技術(shù)還需進(jìn)一步發(fā)展。

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