[科普中國(guó)]-錨冰

河流里水內(nèi)冰的形成主要是由于過(guò)冷的冰晶體因質(zhì)量交換而到達(dá)了自由水面。當(dāng)在過(guò)冷紊流中混合時(shí)，冰晶體積增大，數(shù)量增多，并且聚結(jié)成為絮狀冰。在過(guò)冷條件下，河道底部的水內(nèi)冰晶體，可能會(huì)黏結(jié)在河床和水下物體上而形成錨冰。錨冰的出現(xiàn)可引起水流阻力、水位和流量的變化。

在河流中，尤其是在淺而紊動(dòng)的溪流里觀察到了錨冰的出現(xiàn)。錨冰的形成和生長(zhǎng)抬升了河床高度，改變河床底部的粗糙度而影響河道的水流條件。在尼亞加拉河上游觀測(cè)到，夜間由于錨冰的生長(zhǎng)，河道流量突然減少了20%～30%。在蒙特利爾附近的圣勞倫斯河，錨冰的存在被認(rèn)為是附近電站電力生產(chǎn)損失的主要原因。錨冰的形成對(duì)生物也有影響，水面和底部水域之間的水流交換被阻斷，影響底部水域的氧氣供應(yīng)和溫度。錨冰還對(duì)漁業(yè)不利，在小河底部由于錨冰的形成，魚卵被凍結(jié)。

錨冰開(kāi)始于屑冰的附著，在卵石河床上錨冰將生成于三個(gè)不同的位置，在卵石顆粒上游表面的上半部分的任何地方都能出現(xiàn)，我們稱之為正面形成；在被稱為背面的卵石顆粒的下游面上，開(kāi)始形成于半個(gè)直徑到大約四分之三個(gè)直徑的地方；在卵石顆粒之間，開(kāi)始形成于兩個(gè)卵石顆粒之間的連接點(diǎn)上3。

錨冰形成以后，由于屑冰的積累，觀察到錨冰的進(jìn)一步生長(zhǎng)，屑冰開(kāi)始附著之后觀察到三種類型錨冰的生長(zhǎng)，錨冰以冰尾狀、鱗片狀或冰球的形式生長(zhǎng)（見(jiàn)下圖1），生長(zhǎng)形式的變化受水流條件影響。下圖2列出了錨冰形成的不同類型的相應(yīng)水流條件；弗汝德數(shù)、雷諾數(shù)和卵石雷諾數(shù)分別定義為、、其中，表示水的運(yùn)動(dòng)黏度，表示自由條件下冰的剪切流速。

由下圖2可以看出，當(dāng)弗汝德數(shù)小于0.2，流速小于0.25 m/s時(shí)，錨冰以冰尾的形式出現(xiàn)。當(dāng)流速在該范圍的下限時(shí)，開(kāi)始主要出現(xiàn)在吸附屑冰顆粒的橫向連接點(diǎn)上。冰尾增長(zhǎng)階段由于流速增加，在連接點(diǎn)處形成的頻率降低了，而在其他位置形成的機(jī)會(huì)增加了。

屑冰累積開(kāi)始以后，錨冰首先向上游和自由表面生長(zhǎng)，由于錨冰突出到卵石頂上，在水流的影響下生長(zhǎng)開(kāi)始向下游轉(zhuǎn)移，這種向下游的生長(zhǎng)導(dǎo)致了冰尾的形成。通常一個(gè)冰尾開(kāi)始形成之后，另外的冰尾將在第一個(gè)冰尾的左和（或）右面開(kāi)始向下游生長(zhǎng)，這種形式將向下游方向繼續(xù)直到整個(gè)河床被覆蓋。當(dāng)冰尾的長(zhǎng)度增長(zhǎng)時(shí)，它的厚度和寬度也在生長(zhǎng)，雖然生長(zhǎng)的速度較慢。由于冰尾的長(zhǎng)度和寬度持續(xù)生長(zhǎng)，單個(gè)的錨冰尾最終連接在一起形成錨冰網(wǎng)，錨冰網(wǎng)將在卵石河床上最終發(fā)展成錨冰覆蓋。

當(dāng)弗汝德數(shù)在0.2~0.5之間，流速在0.25~0.45 m/s范圍內(nèi)時(shí)，錨冰呈薄片形狀；薄冰片的形成可以認(rèn)為是部分發(fā)展的冰尾，是冰尾形式和冰球形式之間的過(guò)渡，薄冰片形成之后，觀察到了短冰尾的形成和由于流體動(dòng)力拉力而產(chǎn)生的斷裂，這阻止了冰尾的形成，由于流速在該范圍的下限，開(kāi)始階段可以出現(xiàn)在卵石顆粒的正面和連接點(diǎn)處，由于通過(guò)這個(gè)范圍時(shí)弗汝德數(shù)增加，主要從正面開(kāi)始，薄冰片繼續(xù)變寬、變厚直到錨冰覆蓋層形成。

當(dāng)弗汝德數(shù)接近或大于0.5，流速接近或大于0.45m/s時(shí)，由于在卵石圓面上屑冰的 積累球形錨冰形成。錨冰主要開(kāi)始形成于卵石顆粒的正面，在背面和連接點(diǎn)開(kāi)始的較少。

在錨冰生長(zhǎng)的三種類型中，當(dāng)每個(gè)錨冰彼此連接起來(lái)時(shí)錨冰覆蓋層就出現(xiàn)了，錨冰覆蓋層形成后，由于屑冰的堆積錨冰覆蓋層繼續(xù)長(zhǎng)厚。由上圖2可以看出，錨冰出現(xiàn)的形式依賴于水流的流速和弗汝德數(shù)，它與水槽的雷諾數(shù)和卵石雷諾數(shù)無(wú)關(guān)，這可以用冰薄片或冰尾是冰球的副產(chǎn)物這個(gè)事實(shí)來(lái)解釋。在冰薄片或冰尾的生長(zhǎng)過(guò)程中，會(huì)受到流體動(dòng)力拉力和提升力影響，兩種力隨流速增加，并受水面波動(dòng)影響。由于水面波隨弗汝德數(shù)的增加而增加，錨冰生長(zhǎng)將不能承受水流動(dòng)力的影響而斷裂。由于錨冰長(zhǎng)度的增加受堆積的屑冰粒之間連接的影響，流速或弗汝德數(shù)的過(guò)渡值可能從水槽試驗(yàn)到野外條件而發(fā)生變化。

錨冰生長(zhǎng)產(chǎn)生的水力阻力隨流速、水深以及河床卵石的大小變化，水流阻力增加的速度隨流速和水流深度的增加而減小，河床卵石的體積越大錨冰產(chǎn)生的水流阻力的增長(zhǎng)速率越大，總的水流阻力的增加速率隨卵石河床頂面以上的水流深度定義的雷諾數(shù)的增加而減小。在生長(zhǎng)的初始階段，卵石/冰河床表面糙率增加，當(dāng)錨冰光滑之后直到生長(zhǎng)的最終階段逐漸減小到最小值3。