冰层厚度监测技术的研究进展

王 星，贾 青

(黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150086)

在北方寒冷地区，由于气温的降低，会在江河湖海的表面形成厚度不等的冰盖，在形成过程中和形成后对水工建筑物产生静冰压力与动冰压力两种作用力，从而造成不同形式的破坏。在地球表面，常年处于冰冻的地区约达到3.0×107km2，加上季节性冰冻地带，约占地球表面的40%。而我国的寒区主要分布在东北地区、黄河上游，以及高海拔的青海西藏地区，这些地区比较分散，当地气候条件差别很大，对冰的形成有不同的影响，造成冰内部结构、冰层生消变化和力学性质往往不同。因此不同地区的冰要加以区别的研究，不能一概而论。

冰层生消变化最显著的特征就是冰层厚度的变化。Ashton提出冰厚是研究河冰和湖冰最重要的物理参数[1]，同时也是冰情监测与预报最为重要的参数之一。冰层厚度生消过程的分析对寒区的航运和水资源的利用也都极为重要[2]。

正因为冰层厚度是寒区冰工程领域中主要的参数之一，所以准确的监测冰层厚度尤为重要。随着科学技术的不断进步，测量冰厚的方法也不断的扩充和完善。依据对冰层的有无破坏，主要分为破坏式和非破坏式两种方法。下面主要介绍这两种测冰厚的方法，对今后的冰层监测有参考和借鉴意义。

1 破坏式测冰厚

破坏式测冰厚主要是用某种仪器穿透整个冰层来达到测量冰厚的方法。此方法比较直观简便，测量数据容易让人信服。但是工作量大，且破坏了原始的冰盖，对冰层的生消有一定的影响。

1.1 钻孔测冰厚

人类对冰厚的测量，最简单也是最传统的就是钻孔测冰厚。以前人们用手摇钻钻透冰层，通过不断地旋转曲杆，使钻头不断地钻向冰层，最终钻透冰层。因为此种测冰厚方法需要消耗人的很多力气，不能连续且快速的操作，所以现在采用在钻头的另一端安装电钻的旋转装置，通过电钻持续不断的旋转，能够快速钻透冰层，节省了大量的人力和时间，如图1(a)所示。冰层转透后，将米尺深入冰孔中，米尺要紧靠冰的侧面，使米尺端部卡在冰层底部，然后蹲下读取冰厚值。如图1(b)所示。

图1 钻孔测冰厚及其读数

1.2 电阻丝测冰厚

热电阻丝测冰厚是通过电阻丝通电发热，在冰内形成一条可以自由移动的通道，测量冰面以上电阻丝的长度，进而求出冰层厚度的方法。此方法通过简易的装置固定在冰面上，可以定点测量某一点的冰厚值,如图2(a)所示。该装置主要由电阻丝、挡板、支架、重锤，以及导线和铅蓄电池等共同组成。电阻丝使用电阻率大的镍铬合金，接通电源后，电阻丝可以在短时间内产生大量热量，从而融化周围的冰，形成自由移动的通道。因为木头导热性能差且绝缘，适宜做装置的支架。电阻丝底端的挡板和重锤，可以在提起电阻丝的时候卡在冰层底部，在放下电阻丝时可以自由下落。

实际测冰厚时，首先将电阻丝两端接通电源，然后将电阻丝顶端的把手向上提，直到挡板卡在冰层底部，最后用尺子测量冰层上部电阻丝的长度。电阻丝总的长度是已知的，总长度减去冰层上部电阻丝长度，就是冰层的厚度值。示意图如图2(b)所示。此方法相对于钻孔测冰厚，省时省力，简单易行。许多冰工程领域的学者都采用此方法测冰厚值，如李志军[2]采用此方法掌握了水库空间上冰厚度的变化和取水口对冰生长的影响。

图2 电阻丝装置的现场图及示意图

2 非破坏式测冰厚

非破坏式测冰厚主要通过特定仪器，在不破坏冰层的条件下，得出冰厚值。此方法保留了冰层的原始形态，对冰下水动力条件没有任何影响，可以得出准确的冰厚值。此方法主要有超声波法和探地雷达扫描法。

2.1 超声波测冰厚

利用超声波在介质中的传播特性，可以准确测量冰层的厚度值。依据超声波发射器的位置，分为冰层超声测距和冰下超声测距。冰层超声测距是通过固定在冰层内部发射器发射的声波，记录超声在冰层内部往返一次的时间，进而求出冰层厚度[3]。冰下超声测距是通过固定在冰层下水中的超声波发射器发射的声波来测量冰层厚度的。此方法为全自动测冰厚装置，不需要人为操作，能够实时监测冰厚值，所以它能够反映冰层连续生消变化情况。冰下超声测冰厚原理为,超声波发射器固定在底端为直角型的支架上，并且发射器朝冰层方向放置，放入冰下的水里，保持支架竖直状态，直到冰孔中的水重新冻结使装置永久固定在冰层中,如图3(a)所示。利用已知超声波在水中的传播速度和超声波发射后遇到冰面再返回到接收器的时间，可以计算出发射器和冰底面之间的距离。因此超声测距仪测得的是冰底面的生消变化。将超声波发射器放入水下后，应及时测量发射器到冰面的距离，再减掉发射器和冰底面之间的距离，就是冰厚值。示意图如图3(b)所示。黄文峰[4]等人通过固定冰层顶部和底部的超声测距仪，能够实时监测冰层顶面和底面的变化情况。

图3 冰下超声测冰厚现场图和示意图

2.2 探地雷达扫描法

以上三种测冰厚方法都费时费力，不能在空间上加密测点，需建立水文气象因子同冰生长的数值模拟来估算冰层厚度。在对冰层厚度精度要求不高的条件下，可以采用图4的探地雷达对冰层扫描的方法，该方法具有高效、快速、无损和连续等特点。其原理为：雷达发射波的频率对雷达波的穿透深度和分辨率起决定性作用，在实际操作时应适当的调节雷达频率以适用不同的冰厚。当用雷达测量冰厚时，将雷达发射机对准冰层发射超高频宽带短脉冲电磁波，当遇到不同介质交界面时，部分电磁波反射到接收器，接收器会对这些信号处理。因为空气-冰界面和冰-水界面是不同介质的界面，所以会反射电磁波。通过对电磁波图像的处理，判断出空气-冰界面和冰-水界面，间接知道冰层厚度值。曹晓卫[5]等人利用探地雷达探测黄河弯道及桥墩周围冰层厚度。邓世坤[6]采用探地雷达对冰架进行了剖面测量。

图4 探地雷达实物图

3 结 论

本文简要介绍破坏式和非破坏式的四种监测冰厚的方法，这些方法是相关学者对冰厚监测的主要手段，经过长期的野外实践，也验证了它们的准确性和可靠性。

[1] Ashton G D. River and lake ice thickening, thinning, and snow ice formation[J]. Cold Regions Science & Technology. 2011,68(1): 3-19.

[2] 李志军, 杨宇, 彭旭明,等. 黑龙江红旗泡水库冰生长过程现场观测数据的剖析[J]. 西安理工大学学报, 2009, 25(3):270-274.

[3] 林海, 王海涵, 宫鹏. 超声波在冰-水界面临界入射角的实验方法[J]. 工程与试验， 2009,49(2): 18-20.

[4] 黄文峰, 韩红卫, 牛富俊, 等. 季节性冰封热融浅湖水温原位观测及其分层特征[J]. 水科学进展，2016,27(2): 280-289.

[5] 曹晓卫, 李春江, 颜小飞, 等. 利用探地雷达探测黄河弯道及桥墩周围冰层厚度[J]. 南水北调与水利科技，2016,14(6): 91-95.

[6] 邓世坤, 孙波. 冰面雷达探测揭示东南极Amery冰架内部结构基本特征[J]. 工程地球物理学报， 2004,1(1): 1-9.