通肯河青冈段冰厚测量与分析

荆大威

（黑龙江省绥化水文水资源中心，黑龙江 绥化151600）

1 概述

本论文主要以通肯河青冈段为研究区域，在综合分析与实地踏勘选取特征区域的基础上，选用不同的方法对冰厚进行测量，并分析冰厚的变化因素，通过对测量数据的比较分析得出各种方法的优劣性，验证和分析常规测量方法和现代测量方法的不同。主要研究内容包含以下几点：a.通肯河青冈段冰情调查。b.冰厚变化和气温、流量等因素的分析。a.冰厚与气温的关系；b.冰厚与流量变化关系；c.冰厚与冰上积雪的关系；d.各种观测方法的比较分析。

2 研究区域概况

2.1 通肯河青冈段概况：

通肯河又作“通铿河”。松花江左岸支流呼兰河的支流。位于黑龙江省中部。发源于小兴安岭西南麓。全长378 公里，河宽10-60 米，水深0.5-5.0 米，流域总面积10583 平方公里。每年11 月中旬至次年3 月上旬为结冰期。通肯河青冈段的地理座标为东经：126°14′02″北纬：46°44′47″。年平均气温2.4°-2.6°C，历史最低气温-34.0 度，无霜期为85d 至130d。年平均降水量为477.0mm。春秋分明，冬长夏短。冬季气候寒冷，最大冰厚一般在0.60m 以上。

表1 1-3 月份气温变化表

图1 气温变化图

图2 归一后的冰厚累计负气温图

图3 累计负气温模拟冰厚的指数图及其公式

2.2 分析冰厚变化

气候变暖引起全球生态环境恶化是21 世纪人类社会发展所面临的重大挑战问题之一。其中气温升高导致全球冰的大面积融化直接关系到世界气候的变化。这就直接的影响到了冰厚的变化，所以气温是影响冰厚变化的最直接原因。

2.2.1 冰厚与气温的关系

冰厚与累计负气温成指数关系，并且随着气温的降低，冰厚在二月份末达到最大值，之后就逐渐消减（表1，图1-3）。从以上各图可以看出，冰厚的变化与封冻期期间的逐日的负气温变化没有明显的关系。从冰厚变化时程上看，冰厚随着累计负气温增加而增厚，青冈站一般在二月中下旬左右出现最大冰厚，主要反映在岸边和河心冰厚图上。

2.2.2 冰厚与冰上积雪的关系

冰厚也与冰上积雪有一定的关系，积雪越厚冰厚越薄，有固定计算公式。冰厚预报公式：dh/dt=TK/80ρh；实际预报时应当根据由实测资料作出的计算公式来应用，如果冰上有雪，则：

考虑冰上有雪，则求得最大可能冰厚公式为：

式中 h——冰厚；K——冰的导热系数；S——水内传热强度；T——冰面温度；ρ——冰的密度；t——时间。

2.2.3 冰厚与流量变化关系

平均流速越大的地方冰厚越小，这是由断面面积变化导致。当断面面积变小时，导致河流的平均流速变大，流速越大的水面就越不容易结冰，所以冰的厚度就越小；相反当断面面积变大时，河流的平均流速变慢，所以就越容易结冰，冰的厚度也就越大。

表2 流量、平均流速、最大测点流速表

图4 流量、平均流速、最大测点流速

图5

3 分析和比较各种测量方法

固定点冰厚测量的目的是为了随时掌握冰厚的变化过程和为工程设计提供依据。测量时测量地点应能代表河段的一般情况。应离开清沟、岸边、浅滩和距离冰上道路有足够的距离。冰厚测量在同一断面上分两处进行，一处在河心，一处离水边5～10 米。固定点冰厚测量的地点应能代表河段冰厚的平均情况，并应符合下列要求：（1）离开清沟岸边浅滩和河上冬季道路有足够的距离；（2）不受泉水工业废水或污水汇入影响；（3）应避开有冰堆冰塞冰坝冰上冒水等冰情现象出现的地点；（4）在下游回水或上游电站泄流影响范围之外；（5）所选地点宜与基本水尺断面相结合。一直以来,冰厚都被认为是冰最难监测的物理指标之一。钻孔测量是测量冰厚最可靠的监测手段,但其低效性难以满足定点冰厚连续观测的需要。目前国内外已发展了多种自动化冰厚观测技术,其中卫星遥感、雷达探测、浮筒测量、电阻加热测量、电磁感应和激光测距技术的组合、舰载声纳等设备,实现了中、大尺度的冰厚探测。这些探测设备的广泛应用,为掌握大范围冰厚度分布状况及其年际变化特征提供了可能。本文介绍了常规固定点冰厚观测技术，简述其测量原理，并结合其现场的应用研究结果并分析其应用适用性和价值体现。

以下是对每种方法的比较分析：

3.1 钻孔测量在精度控制方面的优劣。常用测量工具主要是凿孔工具和量冰尺两类，凿孔工具有冰穿和冰钻两类。冰穿一般为锥型，冰钻有曲柄式，双人式和电动式等。量冰尺有普通量冰尺和固定量冰尺。普通冰尺设备简单，适用于各种情况，其形式主要有L 形、钩形、山形和杆形量冰尺。固定式量冰尺设备较为复杂，但不必每次都开凿冰孔，它适用于水较深的冰层，测得的资料前后联系，是水文站使用较为广泛的测冰工具。至今仍然被广泛采用，但这种方法很难实现定点实时观测，并且因为劳动强度大，工作效率低下，只能用作关键点的测量，在结冰期和融冰期，出于安全考虑而难以实现。对于国内的河冰层厚度的测量，主要依靠水文站在冰封期用人工测量。普通方法能保证精度，能对固定点冰面水与冰接触面的情况进行详细观测，观测时需要开凿冰眼，同时观测过程中要用量冰尺进行不同方向的测量，观测人员工作程序对其精度影响较大。同时也不具备连续观测的功能。

3.2 雷达测量在精度控制方面的优劣。探地雷达简称GPR，也称地质雷达，是一种对地下的或物体内不可见的目标或界面进行定位的电磁技术。这种方法可以实时连续对冰厚进行观测，实现对河道纵、横断面分布情况的测量，但是受其电波在不同介质中传输速率影响，出现误差较大，尤其是在含有一定泥沙杂质的情况下，同时其对河流的水质要求也较高，要保证电波在水与冰分界面出现较大速率变化时，在有些界面分的并不是十分清楚，降低了测量精度。

4 结论

本章主要是对冰厚的变化做了三方面的分析以及对实地测量中用到的两种测量方法做了精度控制方面的优劣分析。根据实测数据分析得出以下影响冰厚的结论：a. 冰厚与累计负气温成指数关系，并且随着气温的降低，冰厚在二月中下旬左右达到最大值，之后就逐渐消减。b.平均流速越大的地方冰厚越小。c.冰厚也与冰上积雪有一定的关系，积雪越厚冰厚越薄。