几种常见冰厚观测方法的优劣分析

汪恩良，于 俊

(东北农业大学 水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

冰冻是冬季中高纬度地区普遍存在的一种自然现象，位于我国北纬30°以北的河流都会发生冰冻现象[1]。如黑龙江上游河段、嫩江上游河段、松花江依兰以下河段、黄河内蒙古段及山东河段等[2]。冰冻的出现阻碍了水体流动，其常在河道的弯道处产生冰盖并引发凌灾，而且冰冻也对水利工程安全设施的运行造成不利影响[3]，所以研究冰凌成为解决上述问题的突破口。国内外已有大量学者投入到冰科学研究之中。茅泽育等[4]通过建立模型较好地模拟出封冻期冰塞演变过程；李志军等[5-7]开展了一系列冰力学性质的研究试验；王军等[8-9]做了大量有关冰塞形成和堆积的实验；美国Clarkson大学沈洪道教授[10-14]在河冰生消的数值模拟研究方面作出了许多贡献并阐述了河冰增长和消融过程，建立了一个河冰研究的框架；Ashton[15-16]利用经典的度-日方法推导出水体、冰盖、大气三者之间能量交换的关系等。而在进行这些研究时，冰层厚度是必不可少的观测参数之一。冰厚生消变化的规律为我们了解气候变化、获取冰情预报及预防凌灾提供了科学的理论依据，同时在资源开发利用的新领域研究中，将海冰作为淡水资源并加以利用，为北方缺水地区供给了新的水资源[17]，其中对海冰厚度数据的掌握是估算海冰资源总量的前提。因此，如何得到准确、可靠的河冰和海冰的冰层厚度及其变化信息已成为该领域的热门话题。

本文从冰厚观测原理的角度入手，把目前探测冰厚常用的方法按照获取数据方式的不同分为两类：现场直接测量法和仪器收集处理法，文章分别介绍各个观测方法的工作原理及其特点，以期为不同环境条件下选取适宜的观测方法提供参考。

1 现场直接测量法

1.1 钻孔测量法及破冰船法

人们获取冰厚数据最直接、最传统的观测方法就是钻孔测量法[18]，此方法是早期冰情预报监测时所采用观测冰厚的重要手段，其工作原理是按照钻头刀刃的方向不断旋转握杆直至钻透冰层，再用卷尺或者量冰尺抵住冰层的底部，最后测量并记录冰层厚度，该方法的优点是操作简单、有很强的实用性，在江河、水库、室内实验中大量使用、其测量的准确度之高也被用作其他观测方法的标定手段，具有较大的现实意义[19]，缺点是需要大量的时间与劳动力，工作效率低且不能连续测量。现有采用电钻或电锯等机械工具代替人力进行钻孔以及使用不冻孔测桩式冰厚测试仪[20]，这些观测方法虽对传统的观测方法进行了改进，达到了省时省力的效果，但仍没有实现自动化，而且在进行海冰的研究时，由于海上环境复杂多变，在冰面上打洞困难且具有一定的危险性，因此在现场直接观测海冰厚度时，还可以采用破冰船法[21]。此方法已成为极地考察的重要工具，除用于破冰外，还肩负着运输和海洋考察等任务。目前我国极地科考船仅为一艘“雪龙号”破冰船，但我国正大力发展南北极科考研究，自主研发的首艘破冰船“雪龙2号”已经顺利下水，如图1所示，这将是世界上第一艘双向破冰船[22]，在不久的未来将与“雪龙号”一起组成科考破冰队[23]。破冰船法测量冰厚是通过击碎冰层再打捞碎冰测量厚度，其破冰方式有三种，分别是连续式、冲撞式、摇摆式。破冰船法的优点为工况较为安全，可快速得到冰层厚度,可信度高，数据可靠。破冰船法和钻孔测量法一样无法对较大尺度的冰层进行有效的观测，也不能满足连续观测的工作需要，受时间和空间上的限制，具有一定的局限性。

1.2 电阻丝加热法

电阻丝加热法作为现场直接观测方法之一，在很多研究中都得到了应用，如美国科学家在如何平衡海冰质量时使用此方法观测了几厘米到几米不等的冰层厚度[24]，李志军等[25]研究水库冰生长过程用到了此观测方法，中国第22次南极科学考察中在原有的方法上进行优化、完善和改进并应用于东南极普里兹湾固定冰断面冰厚的观测[26]等。

电阻丝加热法的原理如图2所示，是通过给一端带有挡板的电阻丝接上电源使其加热，然后垂直于冰面放置直至打通冰层，使电阻丝能够自由的上下移动，再把电阻丝底端的挡板旋转一定的角度，确保拉起电阻丝时可以抵住冰层底部，由于我们已知电阻丝的长度，只要测量出露在冰面上部电阻丝的长度，两者做差即可得到所测冰层的厚度。电阻丝加热法简单易行、成本廉价、数据可靠，相比于钻孔测量法虽测量的精度量级基本一致，但节省了大量的劳动力。在2009年雷瑞波[26]等人对原有的方法进行改进，其原理如图3所示，除测量冰厚外还能获取冰表面和底面的动态变化，增加了在多个地点连续测量的优点，对电阻丝加热法的推广起到很大的帮助。

图2 电阻丝加热法原理

图3 改进后热电阻丝原理

2 仪器收集处理法

2.1 磁致伸缩法

铁磁质受磁化的影响导致介质晶格间距发生方向的改变，从而使得铁磁质的长度和体积发生变化，即磁致伸缩现象，也称为威德曼效应，其逆效应称为维拉里效应[27]。磁致伸缩位移传感器是利用这两种效应设计的。磁致伸缩传感器是由波导钢丝、位置磁铁、波检测器和电子系统组成[28]。传感器的工作原理是波导钢丝在脉冲电流激励下产生环绕钢丝的旋转磁场，同时位置磁铁也产生一个固定磁场，这两个磁场相互正交并使波导钢丝扭转变形，形成一个以固定速度向两端传播的旋转波。当波到达检测器时，在线圈的两端产生感应电脉冲。通过测量旋转波从位置磁铁到波检测器的时间，就可算出位置磁铁到波检测器之间距离。

这是基于磁致伸缩位移传感器原理而研制的一种测量冰厚的仪器[29]，如图4所示。该测量仪是由仪器箱和测量杆两部分构成。仪器箱内有：电池组、数据记录仪、气缸和气泵；测量杆上主要有上、下可自由活动的磁环、固定的磁环、磁致伸缩传感器、气囊和卷扬机。当冰厚测量仪工作时，上磁环受重力作用向下运动，直至到达冰面；同时气囊通过气动的方式膨胀并带动下磁环向上运动接触冰底，然后利用磁致伸缩传感器分别测量固定磁环与上磁环的距离和固定磁环与下磁环的距离，通过与初始值对比，即可得到冰上表面到冰下表面的位置，进而计算出冰层的厚度。观测完毕后，上磁环在卷扬机的牵引力作用下向上运动回到初始位置，然后释放气缸压力，气囊收缩，下磁环受重力下沉到测量杆底部。磁致伸缩法冰厚测量仪的现场实地观测精度可达±2 mm[26]，能够监测到冰层厚度的细微变化过程，相比其他的测量手段，在观测高精度冰厚数据时，该方法有着较大的优势。同时，在过去很长的一段时间里，毫米级的冰厚数据获取一直是研究海冰热力学发展的“瓶颈”问题[30]，该技术的应用解决了这一难题。该仪器不仅应用于海冰也同样适用于河冰、水库冰、室内实验冰的厚度测量。磁致伸缩测量法的不足之处是能量消耗大，受恶劣环境影响，可能会使仪器内部零件受损无法精准测量。因此今后可以通过对仪器机械部件的优化设计和现场观测经验的积累，从而避免误差。

图4 磁致伸缩法冰厚测量仪

2.2 电磁感应法

电磁感应技术最早被用于地质勘探工作[31]，但随着科学的发展以及学科的融合和交叉，该技术在冰科学领域观测冰厚方面得到了广泛应用。首次使用该方法是20世纪70年代对北极冰层的观测[32]，随后此方法在该领域的研究中取得了大量成果[33-36]。

电磁感应法的工作原理：第一步，通过电磁感应仪发射低频电磁波，然后发射线圈产生一个初级磁场，磁场穿透冰层在接触到冰下水层时生成另一个磁场(次级磁场)并被接收线圈收到并记录。次级磁场与初级磁场的比值用σa表示,公式为[37]：

(1)

式中：Hs为次级磁场强度，A/m；Hp为初级磁场强度，A/m；ω为角频率，rad/s；μ0为空间磁场传导系数；r为发射线圈与接收线圈的间距，cm。

基于冰和水电导率的差异，一般来说，冰的电导率相比于水可以忽略不计，假设水的电导率一定并且水和冰的传导性是连续的[38]，因此次级磁场与初级磁场的比值仅与仪器到冰水分界面的距离有关，那么只需要测得准确的σa，就可以换算出仪器到冰水分界面的距离T1。第二步，只要测得仪器到冰面的距离T2，就可求出冰层的厚度。而电磁感应仪的放置方式一般有：船载[33]、机载[35-36]以及直接放在冰面上。其中仪器放在冰面上时，T1就是冰层的厚度；当采用船载和机载时，就需用到激光测距仪，其测量冰厚的公式为：

T2=tc/2

(2)

H=T1-T2

(3)

式中：T2为仪器与冰面之间距离，m；t为激光在仪器与冰面之间往返时间，s；c为光速，m/s；H为冰层厚度，m。

电磁感应法具有非接触式的特点，无需破坏冰层，较为安全；可观测的范围很广，而且工作效率快，能够在短时间内获得大量的冰厚数据[39]；对于平整冰的观测数据精确，但对不规则且复杂形态的冰层观测精度不够，存在误差。误差的成因通常是冰层中有水、冰面有雪或水导致激光测距仪测得数据不准、冰受力变形等。因此如何减小对变形冰观测的误差，将是未来工作研究的内容之一。

2.3 雷达测量法

20世纪30年代雷达技术由美国率先应用成功[40]。在1922年和1933年，美国使用连续波干扰雷达分别检测出木船和飞机[41]。随着时间的推移，雷达技术的发展从简单到复杂，从粗略到精细，从单元化到多元化进行演变；现代雷达不仅在军事领域有着很成熟的技术，也在地质探勘[42]、农业生产[43]、环境监测[44]等方面也有广泛应用。在冰工程研究领域中利用雷达探测冰厚的想法是由1955年冰川学会提出的[45]，随后雷达开始作为观测冰厚的必要手段之一。而早期雷达的使用主要是对南北极冰的研究。1957年Waite[46]首次使用雷达高度计观测了南极Ross冰架底部；Giles等[47]利用雷达测高对北冰洋的海冰厚度变化进行研究，发现2002—2007年冬季北冰洋厚度下降了0.26 m；在第二次北极考察中我国与其他国家联合使用雷达测量了大量的冰雪厚度剖面数据[30]；邓世坤等[48]对南极Amery冰架的内部结构进行了观测；雷达观测也多次在南极科学考察中起到至关重要的作用[49]。现在雷达观测冰厚除在南北极使用外，也常用于河冰、水库冰的研究。张宝森等[50]采用RIS K2型探地雷达对黄河河道断面冰层厚度进行探测试验，结果表明200 MHz频率天线能够更清晰的探测冰下状况；曹晓卫等[51]测量了黄河弯道桥墩周围的冰层厚度；李志军等[52]也利用探地雷达实现对红旗泡水库冰厚数据的收集。目前在研究冰性质方面的一系列实验中，利用雷达观测冰厚的常用方法主要有：探地雷达、雷达-激光测距仪等。

探地雷达系统主要是由主机控制单元、发射和接收天线组成[53]。其原理是：探地雷达向冰层下方发射超高频宽带短脉冲电磁波，电磁波应选择恰当的频率来测量适宜的冰层，当波穿透空气、冰、水三种介质，遇到空气-冰和冰-水两个界面后发生反射并被接收器获取，接收器会对获取的信号波进行分析处理，从而得到空气-冰界面和冰-水界面的位置，就此推算出冰层厚度。计算公式为：

(4)

式中：H为冰层厚度，m；C为雷达波在空气中的传播速度,m/s；T1和T2为电磁波到达上、下界面反射回来的时间,s；ε为物质的相对介电常数。

一般情况下，将雷达测得数据与钻孔所得数据相结合来提高探地雷达的精准度，也把此方法用来分析探地雷达误差原因。雷达工作时常采用机载、车载或人工拉拽的方式[54]，图5为探地雷达野外实测，其中机载雷达的优点是可以避免在接近开河和封冻时，由于冰面脆弱上冰测量的危险，但价格昂贵，受气象条件限制。探地雷达的优点在于高效性、连续性、携带方便、配合载具能大范围的观测，可实时对冰层进行测量，而且无需破坏冰层。

雷达-激光测距仪法和前面介绍的电磁感应法原理相近，都是利用激光测距仪的相位法，通过输出激光到达目标，再测定往返信号的相位差，来确定目标距离。雷达-激光测距仪由雷达、激光设备、通信接口、数据采集器、计算机、打印机等部分组成。其设备的工作流程是：雷达发射一定频率的电磁波，由于水的介电常数较大，当电磁波到达冰层下表面时，开始反射回来，雷达接收电磁波并转为数字信号传向计算机。激光测距仪通过发射激光到冰层上表面，由于冰层属于半透明性质的物体因而被反射，仪器收到反射信号后传输给数据采集器进行分析仪器到冰面的距离，再将数据传到计算机，最后计算机分析两个高度的数据得到冰层厚度，数据流程图如图6所示。仪器结构简单，操作方便，测距的精度达毫米级，可以对薄冰进行测量，但其设备误差的来源也较为明显，由于雷达和激光测距仪各自测量都存在毫米级的误差，这就导致整个系统误差，如何减小这两个仪器的误差，是未来研究该设备的重点。

图5 探地雷达野外观测

图6 数据流程图

2.4 仰视声呐法

仰视声呐技术是观测冰厚的经典方法。仰视声呐法主要应用于海冰的监测，常搭载潜艇[55]或水下机器人[56]平台对冰层厚度进行测量，根据平台的不同将探测方法分为：潜艇声呐法和系泊声呐法。潜艇声呐法最早出现在北极的勘探中[57]，然后多次为北极的探测提供支持，获得了较为准确的北极海冰厚度数据[58]。但由于南极条约的限制，潜艇不允许进入南大洋，因此无法获取南极冰厚的数据。系泊声呐法首次应用于冰厚测量是在北极波弗特海[59]。随后常用于分析和研究海冰的时空变化和季节变化[60]。系泊声呐测量冰厚的技术特点是可以获得固定位置高时相分辨率的连续数据变化信息，相比潜艇声呐，可以对冰层进行日变化和季节变化的研究，且精度率高于潜艇声呐。

声呐测冰设备是由一台工控机、水声换能器、波形生成器、发射接收器和数据采集系统等组成。其工作原理是将声呐测冰设备放置于水中，利用水声换能器向水面发出不同形式的信号来分别测量气-冰界面和冰-水界面反射信号的时间延迟，再由两个界面回波信号的时间差和波在冰中的声速，计算出冰层厚度。仰视声呐的优点在于测量精度高，适用于某一区域总体分布情况；冰下分辨率最好，可以回避冰性质的影响；不仅可以对平整冰进行观测，而且对不规则冰也同样有效；此外仰视声呐可提供长时间连续的数据，受外界恶劣环境的影响较小。其缺点为仪器安装十分困难，在试验结束后不易回收，数据难以获取，还未实现远程遥控作业的要求[61]，设施耗资金巨大，无法满足冰厚观测的需求。未来对仰视声呐这一技术手段的研究，应该放在接收信号的准确度和如何快速处理等方面[62]。

3 总结与讨论

(1)现场直接测量法的优点是得到的冰厚数据精确度高，可靠性好，可以作为其他测量手段的标定方法使用。缺点是观测时消耗大量的人力物力，不能较好的对大尺度冰层进行测量，也不能长时间连续工作，受时间和空间的影响较大。虽有一些技术手段进行了改进，但实现自动化观测仍是尚未解决的问题，在未来还需继续深入探究。

(2)仪器收集处理法观测的特点是利用电磁波、激光或声脉冲分辨出气-冰和冰-水界面，通过仪器得到每一个界面之间的距离，再计算出冰厚。其优点是无需破坏冰层就可大范围的进行长时间连续观测，数据处理快速且准确，与现场直接测量法所得数据基本符合。缺点为仪器作业时常处于野外，受环境条件影响，未来应加强仪器测量时的受干扰能力。

本文介绍了6种常见观测冰厚的方法，分别论述了每一种方法的工作原理、适用条件和优缺点，除上述观测方法外，卫星遥感技术、电容探测、超声波法均可有效的测量冰厚。不同的观测方法各有其自身的优点和不足，也有着不同的时空尺度，选择出合适的观测手段是本文旨在探讨的重点。