3.2 冰塞和冰坝形成机理
冰塞和冰坝都是江河冰情的重要水文现象，其共同点是：都是流冰受阻堆积、缩小过水断面，导致上游壅高水位，都是一种具有灾害性的冰情现象。冰塞和冰坝又有其各自不同的特点，在形成时间、发展速度、形成条件、形态特征等多方面都有着明显的区别，详见表3-1（杨中华，2006）。
表3-1 冰塞与冰坝特征
3.2.1 冰塞的形成及演变
冰塞是一种冰情的特殊现象，它是流冰受阻、堆积，堵塞部分过水断面，造成上游水位涨高的现象。1986年国际冰凌学术会议上曾把冰塞定义为：阻碍水流的碎冰或冰花的固定集合体。从这个意义上说，固定的冰盖，大的锚冰或冰礁阻水都属于冰塞，只是规模大小或部位不同而已。黄河上所指的是发生在冰凌初封期，当封冻冰盖前缘上移时，遇到水面比降由缓变陡，大量冰花在水流作用下潜入并在冰盖下堆积形成的冰塞。
3.2.1.1 冰塞演变过程
冰塞的演变可以分为三个阶段，即形成阶段、稳定阶段和消融阶段。
（1）形成阶段。流冰在某断面或局部河段卡阻、堆积，冰花由流动变为静止封冻，标志开始形成冰盖。冰塞则是在初封期冰盖发展过程中形成的，当冰盖前缘向上游延伸时，由于水力与边界条件沿程变化，冰盖前缘的流冰受力状况也随之改变，当遇到初封冰盖上游比降较大，亦即流速比较大，并有充分流冰量时，则冰花就有可能在冰盖前缘潜入到冰盖下，否则流冰将在前缘平铺，使冰盖继续向上游延伸。由此可见，流冰在冰盖前缘是平铺延伸还是下潜，主要取决于水力条件。流冰下潜后在冰盖下又是如何运动的呢?当下潜冰花的摩擦阻力大于水流的动力时，冰花将滞留在冰盖下堆积、冻结、增厚冰盖形成冰塞体，否则冰花将在冰盖下按推移质运动形式随水流沿冰盖下表面向下游滚动。当冰盖前缘比较陡、流速大并有充足的来冰量时，则大量冰花随水流潜入冰盖下，为形成冰塞创造了有利条件，此时冰盖不再延伸。潜入冰盖下的冰花如果堆积，则形成冰塞的头部，随着来冰量的增加，冰塞体增长增厚，缩窄过流断面，使上游水位不断壅高。上游水位壅高，使比降得到调整，促使冰盖前缘前的流速又逐渐减小，使流冰不再下潜，冰塞停止发展，冰盖前缘的流冰花使冰盖向上游发展。若冰盖向上游延伸发展时，又遇到陡比降区，又将产生新一轮的冰塞形成过程。
从冰塞形成过程可知，形成冰塞的河段需要具备的条件是：①河段首先形成冰盖；②冰盖前缘要有一定的流速和水深，促使流冰下潜；③上游有充足的流冰源；④冰盖下的水流动力小于流冰摩阻力。
（2）稳定阶段。冰塞体发展使过水断面面积缩小，一方面冰塞体上游水位增高，增大水压力；另一方面冰盖下单位面积的输冰能力增加。当断面输冰能力和来冰能力相等时，冰塞体不再发展，此时冰塞河段的比降、流速、过水断面面积和冰塞体均保持相对稳定状态。如果冰塞河段上游流冰停止或河段完全封冻，冰塞体停止发展，亦表示冰塞体进入相对稳定阶段。冰塞体进入稳定阶段表示冰塞体达到最大冰量和壅水达到最高水位，此时也是最容易发生冰塞灾害的阶段。如果气温和流量没有很大的变化，冰塞体不发生明显崩塌、滑动，则稳定状态可以保持在整个稳封期。在此期间，由于水流的机械作用，冰塞体和水流的接触面会逐渐磨平，过流能力有增大趋势。
可以看出，稳定冰塞必须具备两个条件：①冰盖下的输冰能力等于冰盖下的流冰量，或上游流冰停止，冰塞体不再发展；②冰塞壅水上涨逐渐减小，水位变化接近0，水面达到“稳定比降”。
（3）消融阶段。在解冻开河期或在封冻期遇到气温回升，冰塞体逐渐融化，冰塞厚度减小，冰的强度减弱，槽蓄水增量释放，在水位上下变化时可引起冰塞体塌陷、下滑、解体，最后消融。另一种方式是冰塞经过冬季稳封期，进入开春气温转暖期，上游冰盖融化、滑动、淌凌，同时释放槽蓄水增量，当冰水向下游流动遇到冰厚质坚的冰塞体时，大量流冰积蓄在冰塞体前缘形成冰坝，坝上游水位迅速上升，当水位达到一定高度时冰坝溃决，此时的冰坝壅水很容易形成灾害。因此，冬季保存下来的冰塞，在解冻开河时它们就成为冰坝形成的发源地。
3.2.1.2 冰塞形成的机制
影响冰塞形成和发展的因素很多，相互关系也很复杂，归纳起来主要有热力因素、水力因素及河道边界条件。热力因素表现在气温的高低，气温越低产冰量越多。上游有充足的来冰量，而且冰块体积大、强度高是产生初始封冻和形成冰塞的必要条件。水力因素主要表现在流速和水深上，流速的大小和水深变化反映在河道输冰能力和冰盖下流冰的运动状态，从而造成冰塞体的形成和变化状况。因此，流速和水深也是冰塞形成和演变的必要条件。河道边界条件主要指比降、弯道、浅滩等，这些因素可反映在水力和阻力中，作为机械阻力作用在初封卡冰期起很大作用。另外，风力大小和风向情况对冰塞亦起一定的作用。风力加快水体和冰面的热量散发，顺水风能推动冰的流动，促使冰块下潜，逆水风则阻碍流冰下潜，增加封河速度。一般来说，来水量和来冰量的多少决定冰塞体的大小和形状。如果来水量大、来冰量亦大，则可能形成严重冰塞；如果来水量大、来冰量小，则不会形成严重冰塞；如果来水量小、来冰量大则可能形成冰塞，亦可能全河段很快封冻；如果来水量小、来冰量亦小，则可能出现小规模冰塞体，亦可能全河段缓慢封冻。
从前面分析中可知，冰花下潜与否取决于冰盖前缘的水力条件。20 世纪 20年代最早提出了浮冰形成冰盖的临界流速v0 ，流速低于v0时，流冰在冰盖前缘平铺形成冰盖；流速大于v0时，流冰在冰盖前缘下潜，冰盖发展成冰塞。根据早先观测分析，临界流速值为0.69m/s。实际上冰盖上延或流冰下潜受很多因素影响，除了水力条件外，还有流冰疏密度、冰厚及河道边界条件等。因封冻时接近冰盖前缘处的流冰疏密度已很大，可按接近1处理，河道边界条件在固定河段一般变化很小，可作为稳定的常量来处理。后来很多学者提出了用冰盖前缘水流的弗劳德数Fr来判定冰花下潜的条件，当Fr≥Frc时（Frc为临界弗劳德数），冰花在冰盖前缘下潜，否则，冰花在冰盖前缘平铺上延。潜入冰盖下的流冰在冰盖下滚动、堆积、冻结，使冰盖增厚形成冰塞，冰塞体阻止水流，使上游水位抬高。壅高水位使比降减缓，也即v0减小，H0增大，当达到Fr≤Frc时，流冰停止下潜转向使冰盖上延。因此只有在弗劳德数大于临界值时，冰花才有可能潜入并堆积在冰盖下面，这是形成冰塞的必要条件。当冰塞引起上游水位升高，弗劳德数减小时，冰花转向在冰盖前缘附近滞留平铺，所以冰塞发展、水位壅高又是冰盖延伸的必要条件。根据不同的河段和不同的冰花特征（指大小、孔隙率等）分析，Frc在0.06～0.12 之间变化。如黄河刘家峡至盐锅峡河段，实测资料分析得冰花下潜的临界弗劳德数为
则
说明冰花下潜的临界流速v0与冰盖前缘的平均水深H0有关，而系数反映不同的河段，亦即和冰花大小、孔隙率有关。
3.2.2 冰坝的形成及演变
流冰在河道内受阻，冰块上爬下插或挤压堆积形成阻水冰堆体，犹如在河道中筑起一座拦水浮坝，严重阻塞过水断面，使上游水位显著壅高，这种现象称为冰坝。在时间上冰坝多发生在河流解冻开河期，尤其多发生在“武开河”或“半文半武开河”时。在地点上，冰坝多发生在河流由低纬度向高纬度的河段上，尤其多发生在河流急弯、狭窄段、水库回水末端、河流汇合口以及冬季冰塞河段处等。
3.2.2.1 冰坝的成因及分类
根据冰坝的形成条件可以分为两种类型：
（1）流冰在冰盖前缘上爬下插形成的冰坝，称为“潜游冰坝”。常发生在上游先解冻开河，下游晚开河河段。上游河段下泄大量的冰块和水冲击下游未解冻的冰盖区引起沿途水鼓冰裂，当遇到坚固的冰盖时就发生挤压并上爬下插，形成“潜游冰坝”，这种冰坝的形成主要决定于上游的来冰量和来水量的能量，这种能量足以使流冰在冰盖前缘潜入冰盖下或挤上冰盖面。
（2）原冰破碎后在弯道、狭窄、浅滩处堆积或冰盖本身受破坏挤压聚积而成的冰坝，称作“堆积冰坝”。这种冰坝的形成主要决定于有较大的水力作用促使冰盖破碎和有力的河道边界条件，使冰块容易挤压堆积。
黄河上的冰坝大多由以上两种类型结合而产生的。
3.2.2.2 冰坝的演变
冰坝的生消和冰塞一样分为三个阶段，即形成阶段、稳定阶段、溃决阶段。从流冰受阻堆积至出现最高壅水位前为形成阶段；冰坝壅水位达最高时，坝体的各种受力（水流推动力、冰坝重力、冰坝上下水压力差、冰块间和坝岸间的摩阻力、惯性力等合力等于零时）达到相对平衡，为稳定阶段；因热力作用，冰的强度减小，当上游冰水压力超过冰坝自重和坝体支撑摩擦力时，即坝体受力平衡遭到破坏而溃决。
冰坝从形成到消失历时很短，一般是1～2d，短的只有几个小时，长的有十几天。冰坝的生消时间比冰塞要短得多，这是因为冰塞是在封河阶段形成的，也即气温呈下降趋势，冰塞冻结成整体，冰的强度和厚度不断增加；而冰坝是在解冻开河阶段形成的，气温呈上升趋势，冰质逐渐变酥，冰块间有流水起润滑作用，上游释放槽蓄水增量，来水涨势很快，形成很高的水头压力。
冰坝形成后，下游水位下降，上游水位急骤上涨，造成上、下游水位很大的落差。当冰盖或岸边支撑力承受不了上游的冰水压力时，加上解冻时气温上升，冰质变酥，引起冰坝断裂、滑动、溃决。冰坝溃决后以更多冰水、迅猛的速度向下游推进，若在下游又遇到坚固的冰盖或遇到弯道、狭窄、浅滩河段，则会再次形成新的冰坝，再次壅水。有时在一个时段内，同时形成数个冰坝，称梯级次坝，上游冰坝溃决造成下段梯级冰坝的连锁溃决。冰坝的形成和溃决常常会造成严重的冰凌灾害。
3.2.3 冰塞和冰坝的危害
冰塞发生时，封冻冰层下面的河道，被冰花和碎冰临时阻塞。冰塞缩小了河流过水断面，使上游水位被迫提高，甚至高于洪水位，也会造成严重事故。一般冰塞时，河道封冻初期，冰盖下堆积的大量冰块和絮冰，堵塞部分过水断面，程度不同地影响水流畅通。当发生严重冰塞时，河道封冻后的冰盖下过水断面，为流冰和冰絮堵塞的面积达70%以上，上游来水来冰不能下泄，壅高上游水位，甚至造成漫滩。
冰坝发生时，流冰在河道狭窄或浅滩处堆积起来，阻塞住整个河流断面，像一座用冰块堆成的堤坝。冰坝往往使河流发生严重阻水，抬高水位，对河堤造成威胁。冰坝发生时甚至可以淹没整个河床附近地区。