第1章 绪论

1.1 冰层厚度测量的意义

2009—2010年冬，渤海和黄海北部在冷空气持续不断的袭击下发生了最严重的冰情，此次严重冰情对我国环黄海和渤海沿岸省市经济造成了严重影响。据统计，冰情灾害所造成的经济损失近55亿元。汹涌澎湃的黄渤海沿岸顿时凝固，变成了“冰塑”的世界。2010年1月23日中国渤黄海海冰范围扩大至4.6万平方公里，过半渤海面积被海冰覆盖。根据国家海洋局卫星、雷达、航空遥感和海洋站现场观测资料分析，2010年1月12日，渤海海冰分布面积已达3万平方公里，占整个海区面积的近40%，辽东湾海冰外缘线离岸最大距离达71海里，黄海中部的青岛胶州湾也出现了罕见的结冰现象。其中，渤海海冰分布面积占渤海总面积的51%。这次海冰灾害持续时间长、范围广、冰层厚，给渔业生产造成严重影响。据报道，截至2010年1月21日，山东省渔业受灾人口达9.5万人，山东渔业直接损失超过10亿元[1]。而造成这些损失的罪魁祸首是冰，所以对冰情实时监测引起了人们的高度重视。

近年来，随着各个国家都大力发展本国经济，工业排放的二氧化碳激增，温室效应愈发明显，从而引起的南北极冰川大量消融，海平面上升。据统计，在过去的30多年内，南北极冰川的消融量超过了过去的150多年消融量的总和。极地冰川主要包括北极海冰、格陵兰岛上的冰盖、南极海冰和南极冰盖。就以格陵兰岛来说，过去格陵兰岛东部在夏季最多也不会消融覆盖率的50%。而在2012年，水星卫星拍摄到的照片显示，格陵兰岛东部冰川严重消融，在拍摄短短的几天内，冰盖消融率就从40%激增到97%。据测算，格陵兰岛冰盖融化的水占南北极全部冰川中融化量的17%。如果照这样下去，在不久的将来格陵兰岛的冰盖可能会全部融化，全球海平面将会上升7m，那也就意味着神秘的蓝钻“海洋之星”将会消失，大多数沿海地区和城市将会被淹没，马尔代夫将不复存在，存活了将近有14万年的病毒毒株，有可能会在冰川中蛰伏，传播给人类等[2][3][4]，严重威胁着人类的生存和发展。

在我国内陆，每年冬季北方的河流都会结冰，河冰是在特定的气象条件、地形河势和水力作用下产生的自然现象。研究河冰生消演变及其运动规律，从而根据气象、水文、冰情历史资料、实时信息和河道特征，应用热力学和水力学原理，对各种冰情要素进行预报，防治冰凌危害，是寒冷地区国家发展中必须考虑的一个重要问题[5]。开河后经常会发生冰凌现象，产生自然灾害，河流冰凌灾害有以下几种主要形式。

（1）冰坝洪水。冰坝洪水是天然河流中最严重的冰凌灾害。冰坝是由大量的冰块在河道中堆积而成的。冰坝形成以后，堵塞河道，大大减少过水断面面积、增加水流阻力。流冰开始堆积的原因是由于河道障碍物、弯道、卡口、河道束窄、断面变化等。冰坝使水位上涨，在某些河段流水漫堤，造成凌洪灾害。

（2）冰花堵塞[6]。悬浮的冰花遇到过冷的固体时则贴附在其外表，层层冻结，逐渐加厚，减少甚至完全堵塞过水断面，如电站进水口拦污栅等，使电站不能正常运行，同时电站上游会因水位壅高漫出河堤形成凌洪灾害。

（3）影响航运和建筑物安全。流动的冰块会产生很大的动冰压力和撞击力，碰撞船舶和其他建筑物，使河流冬季无法通航，水工建筑物也会遭到破坏。

（4）损坏岸坡和水工建筑物 在温度升高时，冰盖膨胀产生巨大的静冰压力使河岸护坡和水工建筑物（如进水塔、桥墩和胸墙等）遭到破坏。

在内陆的河道中，黄河是我国北方最大的河流，每年春季最容易发生冰凌灾害。它全长4900多公里，流域面积达75万平方公里。由于黄河中上游所处纬度较高，每年冬季河水结冰，翌年春季解冻融化。黄河河道在宁夏和内蒙古、山东段流向是自南向北，由于南北气温的差异，封冻是溯源而上的，解冻是由上而下的，这就很容易产生冰塞，堵塞河道，引起河水上涨，形成明显的冰凌洪水[7]。因此，黄河几乎每年都发生的凌汛，成为威胁黄河流域数千公里封冻河道沿岸人民生命的自然灾害隐患之一。2009年1月18日凌晨2时，山西省临汾市吉县壶口瀑布景区一带出现了百年不遇的大凌汛。短短的一个小时内河床提高了4米，跨度达到800余米，景区内堆满冰凌，造成景区旅游公路、公用设施、数十间房屋被淹没，周边居民住宅也有不同程度的受损，预计灾害损失在1000万元以上。

除了河道结冰发生冰凌灾害之外，冬季结冰也会影响一些大型工程，如我国正在实施的南水北调工程[8]。南水北调中线工程总干渠自陶岔渠首至北京玉渊潭全长1240公里，总水头仅98米，全线基本自流。与我国黄河凌汛成因相似，南水北调在冬季输水过程中，当气候转冷，北方渠段发生冰情时，水流中含冰量将逐渐增多、积聚。由于沿线交叉建筑物很多，渠道不可避免转弯或过水断面发生变化。由此可见，南水北调在冬季完全有可能发生冰凌，对输水能力和建筑物冬季安全运行造成严重影响，如何对冬季明渠段河冰生消过程进行自动监测以保证其安全运行是一项尚未解决的重大工程难题[9]。

总之，冰凌灾害给河道治理、凌汛期防汛、交通运输带来很大困难。河冰的形成还影响着水利工程设施的设计、运行和维护，成为水资源开发利用时的一个需重点考虑的因素[10]。所以，在我国北方地区如何预防河流冰凌灾害已经成为一个亟待解决的问题。做好预防工作的前提是对河道冰情进行实时监测，通过不断得到的数据进行分析、判断，并做出及时准确的预报，才能避免灾害的发生[11]。

冰层厚度及其变化过程是研究冰层生消、开河冰塞、凌汛发生的基础性指标之一；海冰层厚度是描述海冰状态最基本、最重要的参数[12]，也是研究南北极海冰变化及冰川物质平衡的基础[13]；在南北极，海冰多年的冰层厚度的变化是世界气候变化的“窗口”，是全球气候变化的指示灯[14]。检测南北极海冰及南极冰盖厚度的变化，并利用高精度的实时检测数据进行海冰及冰盖生长变化的计算机模拟，有利于提高我们对气—冰—海相互作用机理的认识，对世界气候的研究有重要的意义[15]。在我国内陆，对黄河及其他河道冬季冰层厚度的自动化连续检测也有重要的现实意义，只有及时掌握河道内冰层厚度的生消变化及冰下水位及流量，才能预测开河后哪些河段可能发生冰凌灾害，为防凌预报，减少沿岸人民的生命财产损失提供可靠的数据[16][17]。由于检测环境大多处于气温寒冷、风雪交加的野外恶劣环境，使得对冰层厚度与冰冻条件下水位等冰情参数的检测要比一般水情参数（如水位、雨量等）的检测困难得多。据了解，由于没有可供实际使用的冰生消过程自动检测设备，目前我国北方冰冻地区冬季对冰层厚度、冰下水位的常规水文检测完全采用人工凿洞或钻冰进行，数据的传输大多数仍采用传统的数据记录报送方式，不仅准确率低、效率差、数据传输不及时，而且工作环境相当恶劣，工作具有一定的危险性[18]。这种状况与我国当前水利工作信息化的要求也是不符的。因此，采用高精度、高可靠性的自动化的冰情测报系统是流域冰情检测技术发展的必然趋势。对冰层厚度的研究是今后水利量测发展的一个重点，研究冰层厚度自动化检测方法也是非常重要的课题。