第3章 冰凌生消演变过程及其影响因素
3.1 冰凌的生消演变过程
我国位于北回归线以北地区的河流每逢冬季都会出现不同程度的结冰成凌现象。黄河地处我国冰情现象的过渡地带，其间很多河段都会出现结冰现象，加之部分河段上的水流方向呈西南至东北流向，这使得黄河上的冰凌生消演变规律较为复杂。根据以往的观测经验，一般把冰凌生消演变的发展过程分为结冰期、封冻期、解冻期三个时期；进一步细分，又可以将结冰期分为成冰阶段和流凌阶段，封冻期分为初封阶段和稳封阶段，解冻期分为融冰阶段和开河阶段，如图3-1所示。黄河上的冰凌演变不仅遵循一般的规律，同时还兼具其自身的特点（刘玉洁，2000）。
图3-1 冰凌演变过程示意图
3.1.1 结冰期
由于河流水体是流动的，其结冰过程与静水的结冰过程存在不同。一般情况下当温度达到0℃时静水就会开始结冰。然而，河流中的水体处于流动状态，即使当温度在0℃以下时，水流有时也不会结冰。结冰期，既有河冰的形成，又有河冰沿水流运移，故将结冰期细分为成冰阶段和流凌阶段（可素娟，2002）。
3.1.1.1 成冰阶段
水体中存在强烈的紊流扰动，使得水分子间的热交换作用强烈。因此，在河流结冰时其水体中的温度大致趋于相同，这时只要水体中存在结晶核，河水就会产生结冰现象。单个的水分子（H2O）是由两个氢原子和一个氧原子化合而成。在自然界的水体内部，水分子会由于氢键的作用而聚合在一起。两个水分子聚合在一起叫做双水分子?H2O）2；三个水分子聚合在一起叫做三水分子?H2O）3；而冰则是由大量分子聚合在一起的产物。
河水中水分子的运动受两个因素影响：一是水分子的热运动；二是水分子间的氢键作用。温度的升高和流速的增大，导致水分子的热运动加快，使得分子间的平均距离加大，氢键大量断裂。研究表明4℃是水分子热运动与氢键聚合力作用的临界点，当水温由4℃降低至0℃的过程中，水分子由于聚合力的作用形成大量的双水分子和三水分子。随着温度降低，水中的三水分子不断增多，当其含量超过37%的临界点时，便会严重的妨碍水分子间的热运动从而导致其热运动速度急剧减小，液态的水的分子通过氢键有规则地结合在一起从而开始向固态的冰转化。但是在水分子结晶的同时，会释放出一定量的潜热，这部分热量一部分通过热传递被空气或水体带走，另一部分会融化正在凝结的冰晶，故当水温达到0℃时，水流的结冰状态并不稳定，因此又称温度在0℃的水为过冷却水；只有当水温低于0℃，此时潜热的产生不足以对冰晶的形成造成影响时，河水中的冰才正式形成。
河冰形态概括起来大致可分为四种：粒状冰、絮状冰、团状冰、块状冰。当水体中的成冰条件满足时，河面上开始不断形成冰晶，一部分冰晶由于水体的紊动作用下潜至水流内部或依附到河床上并不断凝结形成水中冰体及河床冰体，有些水中冰体与河床冰体由于流速与浮力作用再次上浮，形成水面冰花；而另一部分留在水面的冰晶不断聚集到一起，形成絮状冰体，将其称之为冰淞，其结构十分松散且极易碎裂；当成冰时期河段遇到降雪时，落到河面的雪不断与冰晶聚合、凝结，从而形成更大的团状结构，这种称之为绵冰，其特点是冰体非常像是一朵朵棉花团浸在水中；同时，由于河岸土壤失热较快，且岸边水流受阻力较大流速较低，故沿河岸的水体会先形成较薄的初生岸冰，岸冰由于水流作用脱落河岸从而形成片状或块状的碎冰。
3.1.1.2 流凌阶段
水体中的冰称为凌，凌随水体流动的现象叫做流凌，又俗称“淌凌”，如图3-2所示。一般来说当河冰形成且不易融化能被人们观测到后，河段便进入流凌阶段。该阶段从某河段开始流凌为起点，以该河段断面封冻为终点。其间的历时叫做流凌期。流凌期的长短取决于河段气温及河段流量两个主要因素，其中气温的变化是该阶段的主导因素，持续负气温及低气温会造成河面迅速冻结，致使流凌期提前结束；而较高的气温会直接导致流凌期大为延长。同时流量、流速的大小也可以适当的减少或延长流凌时期。
图3-2 黄河宁蒙段河面流凌
由于不同的水文、气象及河道条件，黄河各河段的流凌日期不尽相同。黄河上处在高纬度地区的河段流凌日期较早。例如，黄河宁蒙段流凌日期多年平均值为11月17日，这要比黄河下游的河南、山东河段的流凌日期提前了近一个月。一般来说宁蒙河段上，巴彦高勒、三湖河口、头道拐的流凌日期比较接近，而石嘴山的流凌日期比以上地区落后半个月左右。
在河段流凌时期内，由于河流内部冰体与水面流冰的共同作用，使得水流受阻，从而导致流速减小，水位上升，河段内槽蓄水量也有一定量的增加。封河时段前的流凌形式以绵冰、冰淞、冰花为主；开河阶段的流凌以河面冰层融化瓦解后的大块碎冰为主，冰下水流带着冰块向下游移动。流凌密度是一项很重要的河道冰情研究指标，它能直接具体地反映出河段中的流冰状况。流凌密度等于观测河段内流动冰体所占的水面面积和该河段同水位条件下畅流水面面积的比值，即：
式中：D为流凌密度；A为观测河段内流动冰体所占的水面面积；S为该河段同水位条件下畅流水面面积。
对流凌密度的掌握能使决策者对冰情做出较为客观准确的判断。气温是流凌密度的主要影响因素，气温快速下降时，流凌密度也大幅增加。当流凌密度小于30%时，称之为“稀疏流冰”；当流凌密度介于30%～70%之间时，称之为“中度流冰”；而当凌密度高于70%时，称河段“全面流冰”。
3.1.2 封冻期
当河道中的流凌密度继续增加，且河水流速降低到一定程度时，河面就会出现封冻。一般来讲，当宁蒙河段的流凌密度达到70%以上，且水流速度降低到0.6 m/s以下时，随着该区域的负气温的持续，就会出现河面封冻。一般定义封冻的开始期为：河段上某处出现能够连接河道两岸的稳定冰层，且该段冰盖覆盖的面积大于该段面积的80%时，河段便进入封冻期。封冻一般先出现在某几个断面上，然后继续发展，逐渐形成全河段封冻。一般定义封冻历时为某处河段首封日期至全河段解冻开通之日之间的时间间隔。
3.1.2.1 初封阶段
在河道流凌期间，随着气温持续走低，流凌密度不断增大，冰凌逐渐聚积冻结，遂向上游、下游发展出现首次封河，称为“初封期”。初封期的封河主要有平封和立封两种形式。平封多发生在宽浅河道上，由于受持续低气温的影响并且流速降低，两岸边凌逐渐增宽增厚，与河面冰凌相互冻结成较为平整的封冻面，如图3-3所示。
立封，又俗称“插封”，其一般发生在狭窄弯曲的河段，当河段出现卡冰后，冰块自下而上节节插排上延，部分冰块在水流动力作用下上爬下插，形成冰块互相重叠竖立插塞犹如犬牙交错状的封冻河面，如图3-4所示。
河流进入封冻状态后，在局部地方会存在敞露的狭长状自由水面，称之为清沟。清沟是由于水体污染或急流处不易封冻而形成的。清沟中的水属于过冷却水，当流经河湾处或流速降低时，极易冻结形成冰花。
图3-3 黄河河面封冻（平封）
图3-4 黄河河面封冻（立封）
3.1.2.2 稳封阶段
稳封期，又称“冰冻期”。其具体时间段是从河面流冰停止并形成固定冰盖起，到该河段冰盖开始融化瓦解之时。稳封期处在冬季最冷的时段，由冰层替代河道的自由水面，由于冰层隔热作用，河水内部基本停止产冰，此时河段泄流减少，河段内的槽蓄水增量到达最大。黄河宁蒙段稳封期期一般从12月上旬开始，到次年3月中、下旬，历时3～4个月。
3.1.3 解冻期
在气温回升的作用下，河面冰层开始逐渐融化、瓦解、破裂并随水流向下游运移。从融冰开始到河段内冰凌全部消失、水面完全贯通，这一时期称之为“解冻期”。解冻期可分为融冰和开河两个阶段。
3.1.3.1 融冰阶段
随着季节推移，气候转暖，太阳辐射逐渐增强，冰面由于辐射热能的作用，部分冰封表面开始出现融化现象。宁蒙河段由于初春季节风沙较大，使得封冻河面覆上尘土，沙土的出现进一步加速了冰面的辐射融冰作用。气温转正后，冰层与大气发生更为强烈的热交换作用。由于温度较低，冰层在热交换中不断吸收大气中的热量，当热量增大到足以破坏冰体结晶之间的链接时，冰晶的聚合强度便逐渐减弱，河面冰盖开始出现大面积的瓦解融化。
黄河上一般融冰阶段会依次出现如下现象（张学成，1994）：
（1）冰色变白。在临近解冻开河期，太阳辐射增强，冰盖表层融化成多孔隙竖丝，在阳光折射下呈白色的现象。冰色变白是冰面开始融化的迹象。
（2）冰面流水。温度进一步升高，冰面积水增多，由于地势和冰面裂隙作用，积水沿冰面向下游流动，同时冰面流水加速了冰层融化。
（3）河冰脱岸。由于河岸土层比热较低，吸收相同热量后温度上升较快，致使河岸温度高于冰层温度，沿河岸的冰体先行溶解，导致河冰脱岸。
（4）冰色变黄。随着气温、水温持续升高，冰质融化加重，冰块上下出现竖丝空隙，河中水沙入侵，导致冰体呈现黄色。
（5）冰裂。随着冰色变黄，冰质变得更加疏松，河段水位一旦上涨，就会发生冰盖断裂的现象。
（6）冰体滑动。河道中分裂瓦解的冰体随水流向下游移动，冰体滑动是逐渐开河的象征。
3.1.3.2 开河阶段
在累积正气温不断增加的同时，冰盖破裂并逐渐消融，随着水流向下游流去，此时河流正式步入开河阶段。由于开河解冻受热力和水流动力作用的综合影响。当热力和水流动力作用所占比例不同，会出现三种不同的开河态势，即文开河、武开河、半文半武开河。图3-5为黄河上游某河段开河情景。
（1）文开河是以热力作用为主形成的融冰开河。河道封冻后河槽蓄水量不大，冰量较少；当日平均气温升至0℃以上且持续时间较长，日照和辐射热增强，水温升高，封冻自上而下开始融解，冰质减弱；在来水流量不大、水热比较平稳的情况下，逐段解冻开河，冰水安全下泄。文开河态势整个解冻开河历时较长，一般不会成灾。
图3-5 头道拐断面开河情景
（2）武开河是以水力作用为主的强制开河现象。河道封冻期间，由于上下河段气温差异较大，封河后的冰厚、冰量、冰塞等也有差异。春初，气温升高，上段河道封冻先行解冻开河，封冻期河槽积蓄的水量急剧下泄，形成凌汛洪水，洪峰流量沿程递增，水位上涨。这时下段河道因气温较低，冰凌固封，在水流动力作用下，水鼓冰开。此种开河有时大量冰块在窄弯或浅滩河段阻塞，形成冰坝，水位陡涨、漫滩偎堤，如防御不及时甚至会造成极其严重的灾害。
（3）半文半武开河则是介于文开河和武开河之间的一种开河形式，热力作用和水流动力的作用平分秋色，一般也不会造成比较严重的灾害。
至此，经过结冰期—封冻期—解冻期的冰凌生消演变，黄河上的历时4～5个月的冰期正式结束。