国外江河冰情研究动态.doc

国外江河冰情研究动态悉,即将出台的国家国土总体开发规刘巳确定沿长江发展一批大产业,并把长江中游地区列为本世纪末全国综合开发的重点地区之一.七五计划期间,经国家批准的沿江省,市基建投资安排了一千零四十亿元,占国家投资总额的21.长江是我国第一大江,长江流域是我国近代工业的发祥地之一.它横跨东中,西三大地带,拥有100多个大,中,小城市,在振兴我国经济中具有特殊地位和作用.木刊辑国外江河冰情研究动态孙肇初(合肥工业大学)王文才(黄委会水文局)世界上纬度较高地区的江河都有冰期.河流封冻以后,由于过水断面湿周增长,水力半径减小,冰盖的糙率作用以及水浸冰和水内冰占去了部份过水断面等,从而导致了水流形态的变化,妨碍正常的发电和供水,缩短航期,增加水工建筑物的荷载,影响河流泥沙的运动.因此,江河冰情与工农业生产,水利工程,交通运输,国防建设等都密切相关.尤其是冰塞,冰坝等严重冰情,还会给国计民生造成巨大的损失.近廿多年来,苏联,加拿大,美国,日本和北欧等许多国家,江河冰情的现耐和研究工作,有了迅速的发展.为适应和推动这一新兴学科的发展,由国际水力研究协会发起,并在联台国科教文组织,国际水文科学协会,世界气象组织,国际冰川学会等单位构联合倡议下,创建了国际冰情问题委员会.该会于19701988年相继在冰岛苏联,匈牙利,美国,瑞典,加拿大联邦德国和日本召开了九届国际冰学术讨论会,第十隅会议将于1990年在芬兰召开,并确定于1996年在中国召开第十三届国际冰情学术讨论会.平均两年一次的国际冰情学术交流活动,有力地推动了这一研究工作的开展.目前许多国家的有关学者,在对冰情观测的基础上,正越来越多的运用物理模型和数值模型的方法,着手解决河冰研究工作中的一些难题,研究水平亦日益提高从早期的研究成果看,它所涉及的内容仅局限于河冰的形成及其对水工建筑物的作用方面.近年来随着对地球上水资源的进一步开发利用,对低温禁区和海洋的开发,生物冷臻复苏实验以及对南北极观察研究等方面的影响,促使江河冰情研究的范围逐步扩大.从最近发表的大量的有关文献来看,目前对河冰的研究内容可以归纳为以下七个方面.一,江河冰情的观测,一r-,冰情观测是冰侍预报和研究工作的基础,近期各国进行冰情观测的方法大体分为:普通观测遥感观测,棱技术观测.l,普通观测t这是最早采用亦是最基本的砚强5方法,视野虽然小,但随时都可根据需要进行观测,能取得连续的精度较高的资料,观测所用的谢具多为经纬仪,水准仪,l2六分仪,照相机及一些直观简易的铡具2遥感观测:这是通过在飞机或卫星上装置的传感器对冰情进行观测?如:光学摄影在可见光范围内,冰的反射强烈,与无冰的地面形成明显的对比,故可以用高分辨率照相机或多渡段照相机进行拍摄.光学摄影色调真实分辫率高,能确定冰的形状,范嗣,但受天气影响,夜问也不能使用;红外线扫描,是采用8ul4微米的红外线扫占器,Trio.4u12.5微米的多波段扫描器,红外辐射,在很大程度上取决于目标的温度,故它可以浏得水温,冰的形状,可以全天候观测|3,桉技术观铡;这是应用桉射线的性质,通过穿透的介质的不同反映和检验低浓度同位案能力,来测得冰的密度和冰速.Y一射线,是由许多放射性同位素n一粒子或B一粒子相结合的电磁射线,具有高度穿透能力,将检验器放入冰中,可以测定冰的密度.环境同位素,是原在自然界中存在的或在核反应堆中人工产生的,氚(I.)是氧(H)的放射性同位素,与水分子结合为氚水(HTO),自然存在于降水之中,是字宙射线与大气中氮作用而产生许多中子(n)反应形成的,氚是水的极好示踪剂,故可以坝溯冰和水的移动速度.二河冰形成条件及冰情形态演变河流中水内冰冰盖,冰塞和功:埙的形成,发展和消融(或解体),这必然涉及蓟热力,水力两方面的重要因素.热力因素方面的研究已比较深入,虽然水流与泳盖,河床间的翥流热交换,以及冰盖与大气问的热交换尚未达到能以公式表示的定量阶段,但已有一些分析性或经验性l的成果可资应用.对于形成冰盖,冰塞和冰坝的水流条件,已经进行了大量的原型观测和试验研究.早先,对冰凌的堆积,曾企图以平均流速来建立一个准则j最近,根据流冰到达聚积冰盖上游端的运动状态,而用水流的佛汝德数或以浮冰厚度为基准的流冰密度佛汝德数来表示.一般观测到的,形成冰塞,冰坝的水流佛汝德数的下限为0.06u0.09.对于个体流冰在冰盖前缘下潜,沉没的机理已经有较多的了解,问题在于人们最关心的,堆积严重具有灾害性的冰塞坝,迄今乎还没有佧么分析和论述.三,江河的热力状态江河的热力状态,主要系指自然热力状态及热流输入对冰情的影响,研究江河的自然热力状态,实际上涉及到O以下百分之几度的过冷却水,和O以上百分之几度的融解水的微小的变化问题.一般情况下,河流中的过冷却水变化在一0.01一0.05左右,值得往意的是,这种微量的变化与水流的运动变化密切相关l?另外象0.05这样小.的正水温,便可导致冰盖底面的迅速融化.因此,要研究与冰情演变棍关的天然河流的热力状态,就必须有极其精确的测量方法.根据已有的测量结果,河水的温度在水深方向的变化梯度是较小的,而在水流宽度方面的分布,往往由于有地下水的输入,近岸区的水温稍有偏高的趋势.在天然河流中,热流的输入,可以起到抑制下游情的作用,I3它涉及到水流韵混合,紊流热交换,三维空间的热扩散,不稳定流韵影响及天气变化等,这就给这方面的研究工作带来许多困难.四,冰凌水力学冰盖的糙率系数,冰期水位流量关系,冰盖对水流扩散的影响,泳期输沙率以及冰凌作用下进水口的设计等都属于冰凌水力学研究的问题关于冰盖的糙率系统,巳进行了大量的研究,一般规律是,在冰盖形成后的初期,由于不规则冰的影响和水内泳的税聚,冰盖底部的糙率系数较大I随后在冬季内却有所减小,这一般是冰盖下冰花碎冰数量的减少而造成的.当水温稍高于o时,随着底面波纹的出现,糙率系数复又增加.丑前已有不少学者对此提供了定量的数据,这就为推求水位流量关系创遣了条件,而影向水位流量关系的主要因素还在于河道槽蓄水量不稳定的变化,它往往给冰期的水位预报造成一些困难为了估算热流的输入对下游泳情的影响,就必须研究泳盖对水流扩散构影响,遗憾的是,由于封球期进行现场量测的困难,与冰盖下水流有关的纵横向扩散系数,至今仅有很少的量测结果同样的,冰盖和水内冰对输沙率的影响问题,实际上也无什么论述从理论上来说,由于水流阻力的增加,导致边界单位面积上平均剪切应力的减小,会使输沙率有所降低,但是,有一些现象已经引起人们的注意,营如,在一些媸现冰塞的河段上,当冰塞消失后,往往会观测到河底有显着的冲刷情况,目前还无法弄清楚床沙质的移动,是由于水流的冲刷作用或是冰体的淘刷作用.关于有流冰条件下j毪水口的设计问题,主要的问题是在选择进水口位置方面,防止冰凌和防止泥沙进入取.水口的要求恰恰相反,偏巧的是又往往耍同时满足这两方面的要求,单纯从结构细部本身来解决,确实会有一些困难.另外,还有一个拦污栅被水内冰堵塞的问题,水内冰至:少能在深度达15m的范围内堵塞进水口,通常解决的办法是对拦污栅条加热,或者采取.堤使进水口上游尽早形成一个完整冰盖的办法,m防止水内冰的产生.五,河冰的机械力学性质及其对水工建筑物的作用一冰的热力性质已经有比较充分的研究.然而,由于试验条件和试验方法尚未得到统一,所以,有关冰的机械力学性质亦相应的缺乏统一的认识.但是,通过现有的试验已经说明,冰的机械强度与冰的结晶结晶轴的主要方向,水温,试样的大小和形状咀及岢载的组合密切相关.至于冰对水工建筑物和岸上施加的力,有时是很大的,并且往往导致结构物的破坏.冰对建筑物施加的力,有的来自流冰的撞击,有的是由于冰的膨胀或收缩而产生的静压力,而水位涨落引起的冰盖在垂直方向的位移,也会对建筑物产生力的作用.然而,目前尚无理想的方法来确定这种力的大小,因此,在设计中仍然采用宁可让冰破坏,而不使建筑物受损的原则来确定它的最大荷载.除此外,亦可在建筑匀前布设一连串的浮筒来承受冰的作用,在冰传来力的作用下,使浮筒壅高或潜入水下,烈避免冰对建筑物的直接作用.有时亦可采用气咆发生系统,在局部的地点抑制冰情,消除冰对建筑物的作用.六,江河冰情的模拟通过物理或数学模型来模拟某些河冰现象,是一种好,快,省的实验研究方法.例如,在研究的课题中,不涉及到冰的热力和物理力学性质,而仅仅涉及到水力作用与冰体运动变化间的关系时,就可采用水工模型,通过它可以观测到冰凌运动和堆积形态演变过程中的各种水流的】临界参数.在设计这种模型时,必须同时考虑到水流本身的佛汝德数相似(重力相似),和流冰的密度佛汝德数相似(流冰运动特性相似).通常多选用与冰的密度相一致的微孔塑料或工业白蜡来代替冰块,但是,利用这种不同于冰的薄块来模拟冰块时,模型中出现的冰块的挤压现象和堆积过程与天然河流中的实际情况会有一些差距.另外还有一个来自非浸湿性材料和冰块之间的不同的表面张力的相互影响问题,对于很薄的河冰来说,这种影响就更大.在研究的课题中涉及到冰的热力和物理力学性质时,例如,研究冰晶的生成过程,就必须在只有冷冻作用的条件下进行,美国的依阿华大学和北极地区研究和工程实验室,就设有冷冻实验室.目前也有利用电拟模型.即以电流模拟热通量,电压模拟温度的方法来研究河流的结冰问题.至于分析性的数值模拟,它可以模拟任何一类河冰现象,同时就其模拟技术本身来说困难是不大的,目前感到困难的问题,还在于对河冰特性要素缺乏定性的,特别是定量方面的了解.七,冰情预报冰情预报包括初冰,流冰,封冻,解冻日期和冰厚,冰量,冰塞,冰坝等项目的碗报,其基本原理,是建立在对热力,水力,河道特性和冰情现象综合分析的基础.在预报方法方面,现有两种基本途径,第一种途径是,预报人员利用现有的统计工具,统计分析现存的历史记录(至少对一些人口密集的地区来说,是具备这种资料的),有些地方还做了资料的插补工作,然后根据统计规律或已出现的特征指标来编制长期冰情预报.第二种途弪是,对于热量进行详细的分析计算,根据气象预报的因子和水文预报的水位,流量等,来确定热量交换,进行短期冰情预报.这一途径预报的成功率,不能超过气象和水文因素的预报精度,因此,发展这种预报的主要障碍,就在于缺乏正确的天气预报.最近研究工作,对于冰情预报的中心问题,就在于改进天气预报,并不断努力改