1.2 国内外相关研究进展
1.2.1 国外冰凌研究进展
世界上分布在北纬40°以北及南纬40°以南地区的河流在冬季都会出现不同程度的结冰现象。国外最早对河流冰凌研究可以追溯到20世纪初。目前，许多国家的有关学者，在对冰情研究的基础上，越来越多地运用物理模型和数值模型的方法，着手解决河冰研究工作中的一些难题，研究水平亦日益提高。从早期的研究成果看，它所涉及的内容仅局限于河冰的形成及其对水工建筑物的作用方面。近年来，对地球上水资源的进一步开发利用，对低温禁区和海洋的开发，生物冷冻复苏实验以及南北极观察研究等方面的影响，促使江河冰情研究的范围逐步扩大。目前对河冰的研究内容可以归纳为以下几个方面。
1.2.1.1 江河冰情的观测
冰情观测是冰情预报和研究工作的基础，各国进行冰情观测的方法大体分为普通观测、遥感观测、核技术观测。
（1）普通观测。这是最早采用亦是最基本的观测方法，视野虽然小，但随时都可根据需要进行观测，能取得连续精度较高的资料。观测所用的测具多为经纬仪、水准仪、六分仪、照相机及一些直观简易的测具。
（2）遥感观测。这是通过在飞机或卫星上装置的传感器对冰情进行观测，如：光学摄影在可见光范围内，冰的反射强烈，与无冰的地面形成鲜明的对比，故可用高分辨率相机或多波段相机进行拍摄。光学摄影色调真实，分辨率高，能确定冰的形状、范围，但受到天气影响，夜间也不能使用。红外线扫描是采用8～14μm的红外线扫描器和0.4～12.5μm的多波段扫描器。红外辐射在很大程度上取决于目标的温度，故它可以测得水温、冰的形状，可以全天候观测。
（3）核技术观测。这是应用核射线的性质，通过穿透不同介质的不同反应和检验低浓度同位素能力，进而测得冰的密度和冰速。γ射线，是由许多放射性同位素α粒子或β粒子相结合的电磁射线，具有高度穿透能力，将检验器放入冰中，可以测定冰的密度。环境同位素，是原在自然界中存在的或在核反应堆中人工生成的，氚（H3）是氢（H）的放射性同位素，与水分子结合为氚水（HTO），自然存在于降水中，是宇宙射线与大气中氮作用而产生许多中子反应形成的，氚是水的极好示踪剂，故可以观察冰和水的移动速度。
1.2.1.2 河冰形成条件及冰情形态演变
河流中水内冰、冰盖、冰塞和冰坝的形成、发展和消融（或解体），必然涉及热力、水力两方面的重要因素。热力因素方面的研究已比较深入，虽然水流与冰盖、河床间的紊流热交换，以及冰盖与大气间的热交换尚未达到能以公式表示的定量阶段，但已有一些分析性或经验性的成果可以应用。对于形成冰盖、冰塞和冰坝的水流条件，已经进行了大量的原型观测和试验研究。早先，对冰凌的堆积，曾企图以平均流速来建立一个准则。最近，根据流冰到达聚集冰盖上游端的运动状态，用水流的弗劳德数的下限为0.06～0.09。对于个体流冰在冰盖前缘下潜、沉没的机理已经有较多地了解，问题在于人们最关心的堆积严重具有灾害性的冰塞、冰坝，迄今的分析和论述依然很少。
1.2.1.3 江河的热力状态
江河的热力状态，主要是指自然热力状态及热流输入对冰情的影响，研究江河的自然热力状态，实际上涉及 0℃以上百分之几摄氏度的融解水的微小变化问题。一般情况下，河流中的过冷却水变化在-0.01～-0.05℃，值得注意的是，这种微量的变化与水流的运动变化密切相关。另外，像0.05℃这样低的正水温，便可导致冰盖底面迅速融化。因此，要研究与冰情演变相关的天然河流热力状态，就必须有极其精确的测量方法。根据已有的测量结果，河水的温度在水深方向的变化梯度是较小的，而在水流宽度方面的分布，往往由于有地下水的输入，近岸区的水温稍有偏高的趋势。在天然河流中，热流的输入可以起到抑制下游冰情的作用，它涉及水流的混合、紊流热交换、三维空间的热扩散、不稳定流的影响以及天气变化等，这就给这方面的研究工作带来了许多困难。
1.2.1.4 冰凌水力学
冰盖的糙率系数、冰期水位流量关系、冰盖对水流扩散的影响、冰期输沙率以及冰凌作用下进水口等都属于冰凌水力学研究的问题。关于冰盖的糙率系数已经进行了大量的研究，一般规律是：在冰盖形成初期，由于不规则冰的影响和水内冰的积聚，冰盖底部的糙率系数较大，随后在冬季内有所减少，这一般是由冰盖下冰花碎冰量的减少而造成的。当水温稍高于0℃时，随着底面波纹的出现，糙率系数复又增加。目前已有不少学者对此提供了定量的数据，这就为推求水位流量关系创造了条件，而影响水位流量关系的主要原因还在于河道槽蓄水量不稳定的变化，它往往给冰期的水位预报造成一些困难。为了估算热流的输入对下游冰情的影响，就必须研究冰盖对水流扩散的影响，遗憾地是，由于封冻期进行现场测量困难，与冰盖下水流有关的纵横向扩散系数至今仅有很少的测量结果。同样的，冰盖和水内冰对输沙率的影响问题，实际上也无法详细论述。从理论上来说，由于冰流阻力的增加，边界单位面积上平均剪切应力减小，会使输沙率有所降低，但是有些现象已经引起人们地注意，比如，在一些出现冰塞的河段上，当冰塞消失后，往往会观测到河底有显著的冲刷情况，目前还无法弄清楚床沙质的移动是由于水流的冲刷作用或是冰体的淘刷作用。关于有流冰条件下进水口的设计问题，主要的问题是在选择进水口位置方面，防止冰凌和泥沙进入取水口的要求恰恰相反，往往要同时满足这两方面的要求，单纯从结构细部本身来解决，确实会有一些困难。另外，还有一个拦污栅被水内冰堵塞的问题，水内冰至少能在深度达15m的范围内堵塞进水口，通常解决的办法是对拦污栅条加热，或者采取促使进水口上游尽早形成一个完整冰盖的办法，以防止水内冰的产生。
1.2.1.5 冰情预报
1913年，Hayt探讨了冰对河流的作用。1928年，Barnes提出并研究了解冻过程中的冰凌堵塞河道引起水位上涨的问题，写成并出版了最早的关于河冰工程的书籍。1948年，Laszioffy指出开河期河冰的解冻会导致河道内流量增大，引起水位上涨，从而导致冰盖上浮、滑动甚至水鼓冰裂（蔡琳，2008）。1952年，Rodhe在假设热交换与空气和水面之间的温度差成正比关系的基础上，提出了波罗的海日均气温和冰的形成之间的迭代关系。1964年，Bilello运用Rodhe设计的公式，提出了河流与湖泊冰体的预报方法。1971年，Poulin等人开发了一种概率预报方法，用来预报圣劳伦斯河的水温及封冻日期，这种方法没有加入气温预报，而是从历史记录中根据概率确定气温的形势，根据不同的气温形势进行封冻预报（Poulin R Y，1971）。1976年，Uzuner M S与Kennedy J F对河流冰坝模型进行了理论研究（Foltyn E P，1986）。同年，Adams和Assel根据Poulin相类似的分析公式，开发出了圣劳伦斯河上游的封冻预报模型（Uzuner M S，1976；Adams C J，1976）。Assel在该预报模型中纳入了气温预报，并假定气温在每半月期间为常数。1977年，Tatinclaux J分析冰坝厚度，并研究了冰坝的平衡关系（Assel C J，1976）。1981年，Petyk建立了适用于稳定流的冰凌模型（Tatinclaux J C，1977）。1983年Greene将气温预报引入Bilello的预报方法中，来进行圣玛丽河的封冻预报（茅泽育，2002）。从1985年开始芬兰实施了一项旨在将一维不稳定水流模型与水温、流凌、冰盖和封冻模拟结合在一起的河流冰情数学模型的研究，该模型定名为JJT-MODEL。1985年及以后的几年时间里，沈洪道教授根据热交换及冰水力学理论，模拟河道水力、热力与冰凌的一维和二维数学模型，对冰凌的发生、增长和消融进行模拟分析预报（Shen H T，1985；Shen H T，1990）。
20世纪90年代以来，以冰水力学、热力学、水文学流量演算等原理为基础，并结合水槽试验结果及各水文站实测结果进行验证，来建立参数率定的冰情预报数学模型的研究较多。1990年沈洪道将不稳定流与封河过程结合在一起进行模拟，建立的圣劳伦斯河（St.Lawrence）冰凌模型，被认为是冰情数学模拟的开拓性研究工作（Lal A M W，1990）。1991年，Beltaos研究冰塞条件下冰塞厚度与水位之间的关系，并做了冰坝的模拟（Beltaos S，1991）。同年，Lal和沈洪道提出了数值模拟河冰过程的RICE模型，模型中引入了二层输冰模式，将总的冰流量分为面冰流量和悬移冰流量两部分，可用于模拟河道非恒定的水力条件、水温变化、冰盖厚度的热力增长和消融等（Lal A M W，1991）。1993年，沈洪道还提出了基于拉格朗日离散元模型的二维冰水动力耦合模型DynaRICE，并应用于尼亚加拉河及俄亥俄河等河流上，取得了非常好的效果（Shen H T，1993）。1995年，Hammar和沈洪道应用二维紊动模型，考虑热力增长、二次结晶和絮凝，对渠道中冰晶的演变发展进行了分析研究（Hammar L，1995）。1996年，Beltaos对冬季河道中可能发生的各种冰情演变的物理现象进行了系统地描述（Beltaos S，1997）。1997年，Smith和Ettema研究了冰盖对河道中泥沙输运的影响（Smith T，1997）。
近年来，计算方法和电子技术的不断发展促进了冰情预报智能方法的研究与发展。2001年，Massie等针对Oil City河段的冰情，首次引入了多层前馈型神经网络来预报冰坝事件的发生（Massie D D，2001）。2009年，沈洪道对河冰水力学、河冰过程模拟及河冰模拟和预报模型做了系统地总结（Shen H T，2010）。
目前，高新技术用于冰凌研究已经成为主流。例如，利用3S技术可以对冰凌的时空演变过程进行动态监测，为决策者提供及时的凌情动态；人工智能方法与群智能算法相结合用于冰情要素预报模型的建立；将中长期气候预报模型与热力、水力方程相结合进行冰情预报等。
1.2.2 国内冰凌研究进展
1.2.2.1 冰情研究概况
我国国土辽阔，南北跨越33个纬度，东西跨越60个经度，属于季风气候，还受海陆分布、纬度、高程、山脉等影响，各地气候差异很大。我国北方地区及青藏高原冬半年气候严寒少雨，主要表现为气温低、低温维持时间长，这些气温特征值分布呈现显著的纬度地带性和高度地带性，同时还存在秦岭山脉对南下冷空气的阻挡作用。国内冰情比较严重的地区主要为东北地区、新疆地区和黄河流域。
国内冰凌研究起步较晚，开始于20世纪五六十年代。而在此之前，我国的冰凌灾害十分严重，冰凌防治研究工作几乎是空白，史书记载也是雪爪鸿泥。新中国成立后，在科研工作者不懈的努力下，冰凌研究工作有了较大的发展，并取得了很大的成就。首先制定了冰情观测，进一步开展了冰情预报、分析计算和进行一些特殊冰情如冰塞、冰坝等观测研究。在以往防凌工作的基础上，改进防凌方法，创造了一些新的防凌措施。到20世纪90年代，我国的江河冰情研究引进了国外先进经验，并向深度和广度发展，目前国内的研究进展基本上与国际先进水平保持同步，同时结合我国江河自身特殊的水文、气象、地理条件，国内研究人员不仅提出了许多富有创新的新理论、新方法，并将其运用到冰情的分析及预报实践工作中去，极大地拓宽了有关江河冰凌的研究思路。
1.2.2.2 冰情预报进展
20世纪60年代初期，我国的科研人员在位于黄河上游的刘家峡进行了大型的冰坝、冰塞原型观测实验研究。20世纪60年代中、后期，相关研究人员摒弃了早期最多只有3个指标的变化的指标冰情预报方法，建立了大量的经验关系公式及相关系数图，为该时期的冰情测报工作的全面展开起到了巨大的作用。
20世纪七八十年代是我国江河冰情系统观测研究的蓬勃发展阶段。除了继续进行冰情要素专门的观测研究之外，我国研究人员在总结以往研究成果的基础上，整合多方面翔实资料对河流冰情进行了较为系统的分析整理，编写了诸如《冰情预报》、《黄河冰情》、《黄河下游凌汛》、《冰情分析与计算》等相关专著，为进一步的研究奠定了坚实的理论基础与组织体系。1978年4月在黑龙江省哈尔滨市召开了全国第一次冰情预报经验交流会。1982年，全国冰情研究工作协调组在郑州召开了冰情研究经验交流会，并出版了《中国江河冰图》（水利部水文司，1990）。1982年，孙肇初、隋觉义等携手美国克拉克森大学的沈洪道教授进行了黄河河曲段的大型河冰原型观测研究（孙肇初，1990）。
20世纪90年代以来，通过引进国外的冰情模拟技术，预报方法也由经验相关法逐步上升为有理论基础且考虑因素较全的数学模型（可素娟，2002）。1994年，陈赞廷、可素娟建立了黄河下游冰情数学模型，并应用该模型对三门峡水库防凌进行优化调度（陈赞廷，1994）。同年，张学成经过主成分分析方法建立了时间序列模拟与预测的数学模型（简称MMFA）（张学成，1994）。1995年，齐铁珊采用多因子组合概率统计分析的方法，对开河客观规律进行了探讨（齐铁珊，1995）。1996年8月受国际水利学研究协会（TAHR）委托，我国成功地承办了第13届国际冰问题学术研讨会，至此我国的冰凌研究步入了一个崭新的阶段。1997年，张遂业采用多元线性回归的方法建立了黄河上游河段的冰情预报统计模型（张遂业，1997）。2002年，可素娟以热力学理论及冰水力学理论为基础，建立了内蒙古河段封河预报数学模型（可素娟，2002）。2004年，陈守煜、冀鸿兰使用模糊优选神经网络BP模型，选取合适预报因子对黄河内蒙段封河、开河日期进行预报（陈守煜，2004）。同年，杨晓华、杨志峰利用自相关分析技术分析了海洋冰情等级时序的延迟特性，建立了海洋冰情等级预测的RBF网络模型（杨晓华，2004）。2005年，王涛、杨开林以神经网络理论为核心，建立了用Levenberg-Marquart算法改进的BP神经网络冰情预报模型（王涛，2005）。2006年，胡进宝采用遗传算法优化的神经网络和最小二乘支持向量机分别建立了宁蒙河段冰情预报模型（胡进宝，2006）。同年，康志明利用车贝雪夫多项式展开得到预报因子，采用数理统计逐步回归分析方法进行分析计算，分别建立了宁蒙河段封、开河日趋势统计预报模型（康志明，2006）。同年，李亚伟、陈守煜采用支持向量回归（SVR）方法对黄河宁蒙段的封河历时进行了模拟预测（李亚伟，2006）。2008年，冯国华、朝伦巴根比较系统地分析了黄河内蒙古段的冰情演变过程并分析研究了影响凌汛成因的三大因素（冯国华，2008）。2009年，冯国华通过对内蒙古段凌情特征进行分析，建立了冰情信息预报的神经网络模型、遗传算法模型和数学模型，并对其预报模型的精度进行讨论（冯国华，2009）。2012年，韩宇平等引入粒子群算法优化神经网络的相关参数，建立了黄河宁蒙段封、开河日期的综合预报模型（韩宇平，2012）。
总之，通过国内外学者的不懈努力，冰凌预报的研究已取得一定的成果。新技术、新方法、新理论的运用，为江河冰凌研究开拓了一个崭新的领域。但由于冰凌产生及其生消演变的复杂性，目前对它的研究仍处于起步阶段，江河冰凌如何生消演变，哪种预报模型能更好地指导防凌工作等问题，有待于我们进一步地研究。