水库淡水冰的晶体和气泡及密度特征分析

�2009年11月水��利��学��报SHUILI��XUEBAO第40卷�第11期收稿日期:2009�07�05基金项目:国家自然科学基金资助项目(50879008;10772036;60672028)作者简介:李志军(1960-),男,河北崇礼人,教授,主要从事冰物理和力学、冰工程、冰区环境保护研究。E�mail:lizhijun@dlut.edu.cn文章编号:0559�9350(2009)11�1333�06水库淡水冰的晶体和气泡及密度特征分析李志军1,贾�青1,2,黄文峰1,李长玉3(1�大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连�116024;2�黑龙江大学水利电力学院,黑龙江哈尔滨�150086;3�黑龙江省引嫩工程管理处,黑龙江安达�151400)摘要:对黑龙江红旗泡水库的淡水冰生消过程实施现场观测。分别在冰快速生长期、稳定生长期和融冰期取样,观测其冰晶体、冰内气泡形态及尺寸,并测试冰表观密度,获得了3个冰阶段冰样由表至底的冰晶类型、晶体等效直径、冰内气泡宏观形态、气泡尺寸及百分含量和冰密度。结果表明,冰上层为粒状晶体,中下层为柱状晶体,平均粒径随冰深度增加而增大,但冰晶体不随时间变化;冰生长时冰内上层气泡呈球体,百分含量较高,中下层呈圆柱体,百分含量较低;伴随冰的生长和消融,冰内气泡的尺寸和百分含量呈�变化势态,而冰密度随冰内气泡百分含量的增加而降低。关键词:冰;观测;晶体;气泡;密度中图分类号:P332�8文献标识码:A1�研究背景不同环境中生长的冰具有不同组构。从冰物理角度讲,冰组构体现冰形成过程,影响冰内气泡分布和密度分布,从而控制冰的其它性质。例如,冰物理性质控制的冰力学行为就是冰工程的基础;冰晶体和气泡的形态和数量决定冰的电学、声学与光学性质,成为冰遥感的基础;冰组构决定的冰内裂缝和光透射,将影响冰下生物的生存环境,成为冰生态研究的基础。在渤海海冰工程的研究初期,直接开始冰力学性质的研究,对冰力学性质的差异无法从本质上解释。目前的极地和渤海海冰研究工作将晶体和组构作为冰性质的基础[1]。回顾我国内陆淡水冰的研究历程,是从河冰的冰塞[2-4]和水库冰的生消[5]开始,尚缺乏对冰的基本性质的系统研究。近年来,国家科研经费投入增加,有能力开展淡水冰基础研究。一般而言,淡水冰的基本物理性质受冰晶体、冰内气泡控制。体现冰晶体的指标有晶体类型、晶粒大小;反映冰内气泡的指标有气泡百分含量和气泡形状及尺寸。能够体现冰内气泡的直观物理指标是冰的表观密度,而各种材料表观密度同其性质间的关系,已经有广泛的研究基础。近期的成果包括材料密度与孔隙率之间的关系[6]、海冰单轴压缩强度同孔隙率之间的关系[7]、冰内孔隙同导热系数之间的关系[8]和冰表面积雪的导热系数与密度之间的关系[9]。为了认识淡水冰的热力学生消过程和冰的基本性质,作者于2008年12月18日!2009年4月8日对黑龙江红旗泡水库进行了现场连续观测,并在2008年12月19日、2009年2月9日、2009年4月3日分别对快速生长期、稳定生长期和消融期的水库冰,取得从表面至底面的完整冰样,观测冰晶体类型、晶粒尺寸;气泡分布、形状、百分含量和冰表观密度。本文给出这些观测结果并分析它们的时空变化特征。!1333!2�取冰样和冰薄片制备2008年12月19日和2009年2月9日取出的冰样厚度分别为50cm和85cm。取样前,利用GPS确定正北方向,然后用冰钻和冰锯从冰层切出一完整的冰块并取出。首先在取出的冰块上标记正北方向,然后从冰块上再分别锯下4根完整的10cm∀10cm∀冰厚的柱状冰样,第1根冰样用做冰内气泡宏观形态和分布观测、冰晶体垂直切片观测;第2根冰样用做冰样晶体水平切片观测和冰内部气泡图像分析;第3根冰样用做冰密度测量;第4根冰样用做备份。图1�淡水冰晶体照片�!1334!��冰样内气泡形状和分布的宏观观测是将第1根冰样表面刮平,在黑色背景下拍照。拍照后将冰样沿垂直方向从表到底分成高约8~10cm的垂直冰样;另外从第2根冰样上由表至底,以每8~10cm的水平位置切割一片水平厚冰片,在厚冰片上标示正北方向。将每一冰块准备观测的侧面研磨平整,贴到温度略高于0#的玻璃片上,等待冻结到玻璃片上之后,再将冰块用锯和刨刀修理到厚度小于1mm。2008年12月19日取样,切得垂直薄片6片,水平薄片6片;2009年2月9日取样切得垂直和水平薄片分别为11片和10片。将这些水平薄片按目前惯用的Langway(1958)方法[10-12]进行晶体组构观测,即将薄冰片置于费氏旋转台上,首先在正交偏光镜下拍摄照片,确定晶体类型和晶体尺寸;然后测量单个冰晶体的C-轴(光轴)方位。将每个薄冰片的C-轴方位测量结果经计算机处理,标绘在Schmidt等面积投影图上,即组构图[13