嫩江（齐齐哈尔段）岸冰生消演变特性及热交换过程研究

论文摘要

我国中高纬度地区冬季常出现河冰、湖冰和库冰等冰情现象,冰层的生消过程会干扰周边的农业工程和生态环境。嫩江（齐齐哈尔段）冬季会出现沿岸生长的固定岸冰,分析岸冰的生消演变特性及热交换过程可为未来护岸工程与水生态系统提供参考与帮助。本研究对嫩江（齐齐哈尔段）多年岸冰冰情响应气候变化的机制进行了探究,分析了岸冰时空变化下的演变趋势;于2016-2017年冬季在嫩江（齐齐哈尔段）开展岸冰生消原型试验,得到了冰层演变过程、冰水温度场变化过程、冰温响应气温变化的滞后机制及冰水热通量传导特点;通过简单度日法与传统度日法对嫩江岸冰的生消过程进行拟合,选择了合理的冰厚预测模型;借助低温实验室探究了静冰模型试验重现野外冰层生消过程的方法及关键参数,并对气-冰-水三者之间的热交换过程进行了分析。希望本论文能为岸冰（静冰）的热力学研究提供参考与帮助,结论如下:（1）嫩江（齐齐哈尔段）多年气温呈现出逐渐变暖（每十年升高0.35℃）的趋势;风速呈现出逐渐减小（每十年减少0.19 m/s）的趋势;从1983-2013年的冰情资料发现嫩江岸冰并未发生冻结期逐年缩短的现象,历年冻结期区间为125天至165天,平均冻结期为149天;冬季岸冰与河心冰均具有先匀速生长,到达极限冰厚后短时间维持不变,后加速融化的演变特性;岸冰冰下水体流动较慢,主要受热力学作用,冰厚生长较快,近似于静冰;岸冰冰厚（92 cm-127 cm,平均值:106.8 cm）要大于河心冰冰厚（79 cm-117 cm,平均值:101.3 cm）;利用简单度日法（史蒂芬方程）联系了累积气温与冰厚生长过程,得到了嫩江（齐齐哈尔段）岸冰冰厚平均增长系数?为2.29 cm·°C-0.5·d-0.5,可用此增长系数和气温数据快速计算河冰厚度。（2）通过2016-2017年原型试验发现:冬季嫩江（齐齐哈尔段）岸冰冰层先以1 cm/d的速率增长,当增长到约85 cm时维持在此厚度上下波动,后以1.2 cm/d的速率快速融化;受太阳辐射强度增大的影响,在气温未回至正温以前,冰层已经发生了消融现象;冻结期岸冰垂直（0-100 cm）冰温场呈逆温分布,垂直（0-160 cm）水温场介于0°C-0.6°C之间;相同时刻不同深度的冰层温度响应气温变化具有滞后现象（深度:0-50 cm,滞后时间:1.74 h-16.79h）;冻结期冰温变化与气温变化具有良好的相关性,随着冰厚（0-50 cm）的增加,相关系数逐渐降低;冰层热通量为0-115 W·m-2,而水层的热通量仅为0-3.4 W·m-2;应用简单度日法和传统度日法均可以对研究区的冰厚生长过程进行很好的描述,根据二者对冰层生长初期的拟合效果,推荐采用简单度日法对嫩江（齐齐哈尔段）岸冰生长过程进行计算,冰生长系数?为3.3 cm·°C-0.5·d-0.5。（3）基于嫩江岸冰原位观测数据,初步探究室内模型试验重现原型岸冰生消过程的可行性与方法。本研究开展了静冰生消过程室内模拟试验并对关键参数进行了确定,依据模型试验相似关系,确定室内模型试验需要考虑的关键参数为几何比尺Cl、温度比尺CT、时间比尺Ct与试验室修正系数Cα;通过建立冰冻度日相似准则,应用相似原理推导得:（Cl/Cα）2=CTCt;基于原型试验中太阳辐射变化过程对室内模拟试验进行合理光照补偿,在确定Cl=1:9,CT=1.5:1的条件下,得到试验室修正系数Cα值为0.55,冰厚增长系数α为1.76,算得时间比尺Ct=1:37.5;基于模型试验中的相同参数,在冰厚生长后期对冰面进行光照补偿,对比无光照组冰生消过程,光照补偿能更好的模拟野外静冰生消过程,无光照冰厚增长系数α为1.96-1.98,有光照冰厚增长系数α为1.74-1.75近似于模型比尺后的原型α值（1.76）;根据原型气温与太阳辐射的变化过程,依据相同累积负温原则设计控温曲线,补偿合理光照,得到缩尺后的冰厚增长系数与冰厚生消过程均与原型试验结果近似;在未来的研究中还需进一步完善光照热量传递理论以达到模拟野外太阳辐射的目的。（4）通过岸冰（静冰）室内热交换模型试验对气-冰-水三者之间热交换过程的影响因素进行分析,发现在相同降温条件下,初始水温较低的水体更容易形成稳定冰面;垂直冰温同样成逆温分布,垂直水温与相邻水层温度梯度要略大于原型试验;室内试验中不同冰层响应气温变化具有滞后性,由于冰层较薄,冰层表面光滑,最大温度滞后时间仅为0.25 h;冰层热通量(0-200 W·m-2)要大于原型试验冰层中的热通量;在开启间接性光照后,冰温响应光照的程度要强于响应气温的程度;在冰面覆霜条件下,冰层厚度的增长速率要小于冰面光滑条件下的冰厚增长速率;未来仍需进一步探究风速、水深、水中微生物、河道环境及水底土体等因素对岸冰（静冰）热交换过程的影响。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 1 引言
•   1.1 立题依据
•   1.2 研究背景及意义
•   1.3 国内外研究进展
•     1.3.1 国内研究进展
•     1.3.2 国外研究进展
•   1.4 研究内容和技术路线
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 技术路线
• 2 嫩江（齐齐哈尔段）气候与河冰的时空变化
•   2.1 嫩江（齐齐哈尔段）自然地理特征
•   2.2 嫩江（齐齐哈尔段）气候的时空变化
•     2.2.1 气温的时空变化
•     2.2.2 风速的时空变化
•     2.2.3 气压、相对湿度和日照的时空变化
•   2.3 嫩江（齐齐哈尔段）河冰与岸冰的时空变化
•     2.3.1 冰厚的时空变化
•     2.3.2 冰物候的时空变化
•   2.4 嫩江（齐齐哈尔段）岸冰生消关键影响因素
•   2.5 本章小结
• 3 岸冰生消过程原位观测与分析
•   3.1 试验区概况
•   3.2 试验布置及数据采集
•     3.2.1 气温及冰水温度场监测
•     3.2.2 冰厚监测
•     3.2.3 太阳辐射监测
•   3.3 岸冰生消过程及气象因素
•     3.3.1 封河日期与气温变化过程
•     3.3.2 原型冰厚生消演变特性
•     3.3.3 太阳辐射变化趋势
•   3.4 垂直冰（水）温度场
•     3.4.1 垂直冰层温度场
•     3.4.2 垂直水层温度场
•     3.4.3 岸冰冰温响应气温变化的滞后性
•   3.5 冰水热通量
•     3.5.1 垂直冰层热通量
•     3.5.2 垂直水层热通量
•   3.6 冰厚预测模型
•     3.6.1 简化度-日模型
•     3.6.2 传统度-日模型
•   3.7 本章小结
• 4 静冰生消模型试验及关键参数确定
•   4.1 试验目的
•   4.2 试验方案
•     4.2.1 试验光源布置
•     4.2.2 温度环境控制曲线
•     4.2.3 试验仪器布置
•   4.3 模型试验关键参数
•   4.4 试验室修正系数
•   4.5 静冰室内模拟关键影响因素
•   4.6 本章小结
• 5 静冰热交换模型试验及相关影响因素分析
•   5.1 试验目的
•   5.2 试验方案
•   5.3 模型试验垂直冰（水）温度场
•   5.4 模型试验冰水热通量
•     5.4.1 模型冰层热通量
•     5.4.2 模型水层热通量
•   5.5 冰面覆霜对气-冰热传递的影响
•     5.5.1 垂直冰温变化过程
•     5.5.2 冰层热通量变化过程
•     5.5.3 冰层厚度变化过程
•   5.6 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 解飞

导师: 汪恩良

关键词: 岸冰,生消演变,冰水温度场,热通量,模型试验

来源: 东北农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 东北农业大学

基金: 黑龙江省应用技术研究与开发计划项目“嫩江岸冰生消规律及冰上沉排关键技术研究”(GZ16B009)

分类号: P343.63

总页数: 88

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