2.3 专项冰凌观测
黄河冰患严重，特别是封河期容易形成冰塞，开河期容易形成冰坝，堵塞过水断面，造成漫滩甚至大堤决口，严重地威胁着两岸人民生命和财产安全及经济发展。为了掌握黄河冰情的生消演变规律，特别发展了对一些特殊冰情进行大规模的观测实验，并对观测实验结果进行系统分析和研究，得出一些很有价值的结论。由于冰坝形成的时间短且不安全，很难观测，所以主要是对冰塞和水内冰的观测（蔡琳，2008；可素娟，2002）。
2.3.1 冰塞观测
黄河由于河道条件不顺，弯道多，河道宽窄不同，河床比降变化大，所以容易形成冰塞的河段很多，在上游、中游及下游都形成过严重冰塞。如上游的巴彦高勒河段冰塞，中游的潼关冰塞和下游的河南台前段冰塞等，都造成了严重的灾害损失。自从20世纪60年代以来，黄河干流上相继修建了系列梯级水库，如盐锅峡水库、青铜峡水库、天桥水电站及万家寨水库等，由于水库回水末端的阻冰阻水作用，经常在水库末端形成冰塞，使冰塞形成的几率增大（蔡琳，2008；沈洪道，2010）。
2.3.1.1 刘家峡—盐锅峡河段冰塞
盐锅峡水电站于1961年4月蓄水发电运用，库容为2.2亿m3，位于兰州以上70km处。水库运用后由于冬季蓄水发电，采用高水位运行，水库回水末端流速骤减，在0.3m/s以下，致使冰花堵塞，形成冰塞的头部，后续冰花向上游堆积，在刘家峡和盐锅峡河段形成冰塞壅水。尤以1961—1962年度冰期的冰塞壅水最为严重。该年小川拱桥水位3d上涨近3m，冰期最高水位上涨9m多，冰花堆积厚达14m以上，冰塞头部自牛鼻子峡口以下封冻边缘向上游延伸至何家堡（在小川上游25km），河段全长35km。为此，1962—1965年由北京勘测设计院、西北勘测设计院和原水电部第四工程局等单位联合组织冰塞研究组，对刘家峡、盐锅峡河段冰塞堆积体的计算方法、冰塞壅水预报、冰塞成因及防治措施等进行了三个冰情年的观测与分析研究。
据1962—1963年度冰情资料分析，冰塞的形成首先是从形成冰盖开始的，随着上游冰花的不断下潜、输送、推移，冰塞逐渐向上游发展。据12月18日至次年1月23日封冻过程的观测，从中庄到何家堡，累计封冻长度为32.8km，封冻速度为14～77m/h，平均封冻速度为38m/h，封冻边缘流速由下游向上游增大，变化范围为0.17～1.42m/s。冰盖厚度和冰花厚度一般在冰塞体的中部最厚，如1963年2月2日测得位于冰塞体中部的小川拱桥处冰盖厚度为0.96m，冰花厚最大为11m，平均为9.6m；而位于冰塞尾、头部即小川上下游的白塔寺、中庄则冰盖厚度分别为0.45m和0.46m，最大冰花厚分别为2.6m和6.0m，平均冰花厚分别为1.4m和2.8m，均小于冰塞中部的厚度。
通过对1962—1965年三个冰情年度的冰塞观测资料进行分析，刘家峡—盐锅峡河段冰塞产生的原因及发展的过程如下（蔡琳，2008）。
（1）产生原因有以下几个方面：
1）刘家峡以上河段为峡谷段，冬季气温低，1月平均气温在-6℃以下，流凌密度大，而且有不封冻的敞露河面，每年平均产冰量可达2250万m3 ，为在下游河段形成冰塞准备了物质条件。
2）据刘家峡河段实测资料，位于盐锅峡水库回水末端封冻冰盖前缘的导流洞出口以上流速大于0.8m/s，甚至有的河段流速在2m/s以上，大流速促使流冰花在冰盖前缘潜入冰盖下，为流冰花在冰盖下堆积准备了条件。
3）盐锅峡水库回水末端，由于水库的阻冰阻水作用，流速急剧减小，输冰能力减小，使从上游潜入冰盖下的冰花在此处堆积，形成冰塞头部，后续冰花使冰塞逐渐向上下游发展。
（2）冰塞演变过程有以下三个阶段：
1）冰塞形成阶段。包括冰盖的形成、冰花下潜并堆积和冰塞头尾向上下游发展过程。河流封冻形成冰盖是形成冰塞的首要条件，形成初始冰盖后，冰盖前缘的流冰花在适当的水力条件下（流速大于0.7m/s），潜入冰盖下，流向下游，由于冰的密度小于水的密度，根据势能最小原理，冰盖下流动的冰花将上浮到冰盖下表面流动，在合适的水力条件下（流速在0.3m/s以下），冰花在冰盖下堆积、冻结，形成冰塞的头部，后续冰花使冰塞向上下游发展。
2）冰塞的稳定阶段。当冰塞形成发展到一定时期，即进入动态平衡阶段，此时断面流速、比降、过水断面面积出现较长时期（一般15d左右）的相对稳定。此时为冰塞壅水位的最高时期。
3）冰塞的消融阶段。包括冰层的塌陷期和全面开河期，一般在1月下旬至2月，气温升高，上游来冰花量减少，冰塞体逐渐融化解体，水位下降，直至全面开河。
2.3.1.2 巴彦高勒河段冰塞
巴彦高勒河段位于黄河宁夏与内蒙古河段交界处，由于所处的特殊地理位置，在封河时常形成冰塞，特别是1986—1995年，除1991年流量较小、冰塞最高水位为1051.91m外，其余各年均高于1052.50m。1990年、1992年、1994年、1995年巴彦高勒站冰塞壅水位均超过百年一遇的洪水位，1988年和1993年冰塞水位超过千年一遇洪水位，达1054.33m和1054.40m。以上几次冰塞均造成严重灾害。为了研究冰塞的形成原因，1990—1991年度对冰塞的发展演变进行了观测，下面根据观测结果及巴彦高勒河段的河道条件、水文气象等因素对该河段冰塞形成原因进行分析（蔡琳，2008）。
1.冰塞的演变过程
冰塞的形成是从形成初始冰盖开始的。河段封河后，上游产生的大量冰花流至冰盖前沿，在适当的水力条件和热力条件下，一部分冰花平靠冰盖，使冰盖向上游发展，一部分潜入冰盖下。当冰盖下的流冰量大于河道的输冰能力时，冰花开始滞积于冰盖下，形成初始冰塞。
初始冰塞形成后，随着流冰量的增大，冰塞向三维发展，垂向增加厚度，横向增加宽度，纵向发展长度；当冰塞发展到一定程度时，随着下潜冰量的减少，流冰量与输冰能力达到平衡，这时冰塞处于稳定阶段，冰塞体发展到最大。到2月中旬以后，气温逐渐升高，流冰量减少，输冰能力增大，部分冰塞冰花被输往下游，冰塞厚度逐渐减少，加上冰盖和冰花开始消融，冰塞逐渐减少直至消失。
从以上冰塞形成演变过程分析可知，形成冰塞的河段需要具备以下条件：首先要形成冰盖；上游有大量的流冰；流冰花在冰盖前沿下潜；流冰花在冰盖下堆积。这几方面都与河道条件、水力条件和气温条件有关，巴彦高勒河段冰塞的形成即是由这几个因素造成的，下面将具体分析。
2.巴彦高勒河段冰塞形成原因
根据巴彦高勒河段的河道条件、水力条件及气温条件和冰塞特点分析，其冰塞形成原因如下（蔡琳，2008；可素娟，2002）：
（1）巴彦高勒以上为海勃湾峡谷段，两岸陡峻，水深流急，河道比降在0.5‰以上，而自巴彦高勒进入河套平原，坡度变缓，比降在0.15‰左右，水流缓慢。由冰力学理论分析可知，巴彦高勒以上河段输冰能力大，冰花容易下潜，一般，当冰盖前缘流速大于或等于0.6m/s时，冰花即下潜；而巴彦高勒以下河段输冰能力小，冰花容易堆积。所以，具备了形成冰塞的河道条件，容易形成冰塞。
（2）冰盖前缘流冰弗劳德数增大，下潜能力增强。冰盖前缘流冰花下潜的临界弗劳德数
为0.06～0.12，平均0.09。据巴彦高勒站实测资料分析，1986年龙羊峡水库运用以前冰盖前缘平均弗劳德数为0.08，水库运用以后为0.113，比1986年以前增大41%，因此自1986年以后几乎连年形成严重冰塞。
（3）自从上游龙、刘水库联合调度以来，汛期洪峰削减，河槽淤积加剧，一方面使河道输水输冰能力减弱，特别是当上游来水较大时，造成上游壅水严重，同样流量情况下水位偏高；另一方面容易使冰花堆积，形成严重冰塞。据资料统计，三盛公闸下16.65km长河段内，1990年比1983年汛后增加淤积量达1300万m3，若按平均河宽800m计，1900年河床较1983年抬高0.98m。
（4）20世纪70年代在三盛公闸下主流岸边修建了12座护堤丁字形坝垛，1987年又经加固加长，特别是闸下3.1km处3号坝长达100多m，直伸入主流，由于环流的作用，冰凌下潜非常明显，大量的浮冰在丁字坝头部附近漩涡下潜，使主流在闸下各断面的三次水面线观测资料，从中可以看出，闸下3.1km处为水面线的转折点，说明3号丁字坝的加固加长加重了冰塞壅水。
由于以上四个方面原因，巴彦高勒河段容易形成冰塞且近期冰塞壅水灾害严重，特别是暖冬年遭遇最大流量，极易在封河时形成严重的冰塞壅水，造成漫滩甚至大堤决口。
2.3.1.3 万家寨水库冰塞观测研究
万家寨水利枢纽位于黄河中游上段，坝址左岸为山西省偏关县，右岸为内蒙古自治区准格尔旗。该水库于1998年10月1日下闸蓄水，库容为8.96亿m3，调节库容为4.45亿m3，水库的主要任务是供水结合发电调峰，同时兼有防洪防凌的作用。在万家寨水库建成以前，该河段比降在1‰以上，冬季以淌凌为主，水库建成运用后，冬季成为稳定封冻河段，并且几乎连年在水库末端形成冰塞和冰坝，造成水位严重壅高。1999年万家寨库区冰塞壅水位已经接近移民高程984m。为了研究冰塞形成原因及进行冰塞壅水计算，万家寨水利枢纽每年冬季都组织对凌情、大断面、冰塞厚度及水位流量等进行观测。
通过对与冰塞相关的观测资料进行分析，万家寨冰塞形成原因如下（蔡琳，2008）：
（1）水力条件。由于水库蓄水作用，水库末端水面比降很小，在0.1‰以下，再加上水库末端的回水作用，流速很小，流量为500m3/s时相应的流速仅有0.17m/s，水流动力条件很弱，输冰能力很小，冰花在水库末端流动不畅，容易堆积堵塞过水断面，成为首封底点，往往也是冰塞的头部，后续流冰花使冰盖前缘向上游发展，也使冰塞向上游发展。
（2）河道条件。大坝上游58km附近的牛龙湾河段有一S形弯道和丰准铁路桥，并且是浑河入黄河口，由于弯道、铁路桥桥墩及河口的阻水阻冰作用，流冰易在此河段堆积卡塞，同时该河段位于水库运用水位960m（根据这几年水库运用情况看，封河期运用水位一般在960m左右）时水库回水末端上游10km左右，在水库末端形成冰塞头部后，冰塞在向上游发展时将迅速与牛龙湾河段冰塞连接，使冰塞体迅速扩大，堵塞过水断面，从而使上游水位严重壅高。
（3）冰量条件。从水库运用后这几年情况看，从流凌至初始封河期，形成库尾河道冰塞的冰花来源于两个河段：一个是头道拐以下的河段；另一个是头道拐以上的河段。如果头道拐比库区末端封河推迟时间长，则库尾河段冰塞体由两个河段的冰量组成，冰量大，将形成严重冰塞，如1998—1999年度冰塞，该年度于12月1日首先在水库末端小沙湾处封河，然后逐渐向上游发展，头道拐河段于1月11日才封河，比库区末端晚41d，因此该年度流冰量大，冰塞严重，冰塞壅水位最高达7m。再如1999—2000年度第一次冰塞形成情况，该年度为冷冬年，由于冷空气侵袭早，降温幅度大，11月27日即在坝上40km处的石流沙村插封，并向上游发展，期间头道拐段未封河，由于气温低，上游长距离未封河段产生大量冰花，使堆冰迅速上延，同时在上延的过程中形成严重冰塞，水泥厂最高冰塞壅水位达到982.4m，喇嘛湾最高冰塞壅水位达到983.01m。
如果头道拐封河时间早于万家寨水库末端或与万家寨水库末端封河的时间同步，则库尾河段冰塞体主要由头道拐以下河段流冰形成，冰量不会太大，不会形成严重冰塞，如1999—2000年度第二次形成冰塞情况，该年度12月2日第一次冰塞被推入库区后，于12月6日以后又一次冷空气入侵，位于水库末端的小沙湾以上的冰花再次堆积卡塞并向上游发展，但是由于头道拐以上河段于12月9日封河，所以这次冰塞体的冰量主要是由头道拐以下河段的冰花组成，冰量较小，壅水较轻，水泥厂最高水位为980.63m，比第一次冰塞壅水低1.77m，喇嘛湾最高壅水位为981.99m，比第一次壅水位低1.02m。
2.3.2 水内冰观测研究
目前对水内冰的研究，由于缺少资料，无论是国内还是国外，研究的都较少。特别是水内冰产生的机理，由于缺乏深入研究和资料限制，各家说法不一，有的学者认为由于河水紊动，在气温降到0℃以下时，河流水体内形成略低于百分之几度的过冷却水，这时遇有凝结核如泥沙、悬浮于水中的微粒等，或在河流的卵石、砂砾上形成水内冰；有的学者则认为气温低于0℃的条件下，蒸发在空气中的水汽受冷凝结成微小冰晶或过冷却的尘埃落入水中成为凝结核，形成水内冰。
20世纪50年代在黄河上游的包头水文站和下游的泺口水文站，曾进行过水内冰观测。但是观测时间不长，资料很少且缺少气象观测。1979—1982年连续3年对昭君坟和利津水文站开展了水内冰观测，但是只有昭君坟水文站的资料保存完好，下面根据该站实测资料对水内冰的形成及演变进行分析（蔡琳，2008）。
1.水内冰产生时间
由于气温转负，过冷却水首先在岸边或浅滩水面产生，因此首先出现岸冰和水面冰；同时由于水流的紊动，在水体内产生过冷却水，形成水内冰。一般情况下，水内冰的产生迟于水面冰的产生，有时与水面冰同日出现，有时落后几日出现，落后时间的长短主要取决于当时的降温强度。若降温强度很大，水面和水体内迅速产生过冷却水，则水内冰与水面冰可能同日出现；若降温强度小，水内冰产生过冷却水需要的时间较长，则水内冰产生落后于水面冰的时间较长。对黄河昭君坟河段水内冰产生的观测情况显示，初始流冰期，降温强度大时，从水面开始产生冰花到水内冰的产生间隔时间短，而降温强度很小时，则间隔长。如1954年，由于初始流冰日，日平均气温为-11.2℃，降温强度很大，水内冰与水面冰同日出现，而1980年，初始流冰时，气温较高，都在-5℃以上，水内冰产生比水面冰产生迟5d。
2.水内冰产生的条件
水内冰的产生需要三个条件：气温足够低，可产生过冷却水；水中存在凝结核（例如浑河中的泥沙颗粒）；水流为紊流，且为敞露水面，从而可在水体内产生过冷却水。
对于第一个和第二个条件，一般我国寒带河流都可以满足，第三个条件在畅流期也容易满足。因此，水内冰主要是在流冰期产生。流冰期，水体直接与大气进行热交换，由于水流的紊动，水体内产生过冷却水，从而产生水内冰，产生的多少与水流速度大小及气温高低和水中凝结核的浓度等因素有关，目前还无法建立水内结冰量与流速和气温之间的定量关系。
河流封冻以后，冰盖隔断了水体与冷空气接触，此时，空气与水体之间进行热交换由辐射对流改变为固体热传导形式，水体散热较敞露水面小，与冰盖底部接触的过冷却水结冰，将直接增加冰盖厚度。一方面由于气温降低，使水体通过冰盖向大气中散热；另一方面，冰盖厚度增加释放出的凝固潜热、水体之间及水体与冰层的摩擦生热、地下水流入增热及水体与河床间热交换等，使冰盖下水体失热得热相互抵消，处于热量平衡状态，不再产生水内冰。这一点从观测中也可以证明。由观测可知，在封冻冰层下放网（用来观测水内冰的工具），没有观测到水内冰。
但是，封冻河道内存在清沟，是水内冰产生的“温床”，随着气温的降低，敞露的水面与大气热交换数值不断增加，使得水体内部不断产生水内冰。
3.水内冰在1d内的演变
随着1天内气温的变化，水内冰的产生量也在不断变化。1981年1月12—16日连续4d，选水深、流速比较接近的清沟边，沿纵向隔3m设一个冰网，共投放8个，于每日17时开始，进行水内冰重量观测。用分段法，每3小时观测一次。观测显示，水内冰主要产生在20时至8时；最低气温一般发生在5时，水内冰最大值一般比最低气温滞后0～3h，这段时间空气与水体进行热交换，水体失热达最高值，因此水内冰峰值一般出现在5—8时；大风能显著增加水内冰产量，因为大风能增加水体的紊动强度，加速水体的过冷却。如14日水内冰峰值出现在23时，是因为20—23时有大风降温。8—17时产冰量很小或不产冰甚至为消冰阶段，因为该时段气温相对较高，为全日气温最高时段，在流冰封河初期，该时段气温可能为正，这时，该时段不仅不产生冰，而且前期结的冰也会在8—17时融化。
4.水内冰的分布与演变
水体内产生水内冰后，由于水体混合湍流的作用，一部分漂浮到水面，成为水面冰；一部分将被搬运至河底并黏附在河床质上，形成底冰；还有一部分仍在水中悬浮。所以，水体内的冰花大致可以分为三层，即底冰、悬浮冰和水面冰，但是三者没有明显的界线，处于不断转化过程中。一般底冰主要在水深比较浅的水中产生，对于水深较大的河流，底冰的产生可以不考虑，像我国北方河流黄河、松花江等。所以，本次研究不考虑底冰的形成，主要研究悬浮冰和水面冰。
水流的紊动作用使冰花在水表面和水体内处于动态调整过程中，这种过程一直延续到冰盖形成。悬浮冰流量主要与悬浮冰密度有关，水面冰流量主要与水面流凌密度有关，可由下式计算：
式中：
为悬浮冰流量和水面冰流量，m3/s；e f为水面冰孔隙率；U 为断面平均流速，m/s；U s为水面冰流速，近似为U，m/s；Ca为水面冰凌密度；Cv为悬浮层流凌密度；hi为水面流冰厚度，m；h f为悬浮冰层厚度，m。
Ca与Cv的变化一方面是由于水内冰与水面冰的转换，另一方面是由于水体与大气进行热交换产生的，可由下列方程组解之：
式中：E为由于冰花漂浮到水面使Cv减小的值；φsk为水体总的失热率；
为由于热增长造成的悬浮冰密度增长率；φss为水体总的得热率。
将式（2-4）代入式（2-3）得
水面冰密度计算公式：
式中：α为悬浮冰转化成水面冰的比例；β为水面冰转化为悬浮冰的比例；h=hi+hf（1-ef）。