水库淡水冰的晶体和气泡及密度特征分析

水 利 学 报

2009年11月

文章编号:0559 9350(2009)11 1333 06SHUILI XUEBAO第40卷 第11期

水库淡水冰的晶体和气泡及密度特征分析

李志军,贾 青11,2,黄文峰,李长玉13

(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:A

1 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。回顾我国内陆淡水冰的研究历程,是从河冰的冰塞和水库冰的生消开始,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

[6][7]密度与孔隙率之间的关系、海冰单轴压缩强度同孔隙率之间的关系、冰内孔隙同导热系数之间的关

系和冰表面积雪的导热系数与密度之间的关系。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。[8][9][1][2-4][5]

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:[email protected]

!

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

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

[13-14]上,即组构图。在无正交偏光镜下拍摄照片,确定冰内部气泡的微观分布和尺寸。试验发现,如果

要观测到清晰的气泡,冰片的厚度必须小于最小观测气泡的0 5倍直径。

3 冰晶体类型和晶粒尺寸分布

一般而言,随着气温下降,水库表面温度首先降低。当达到0#时,在水面形成一层冰絮,进一步冻结成冰层。这时对应快速生长的粒状冰晶体;如果在降温之前降雪,同样对应粒状冰晶体。粒状冰之后,冰晶体生长速率减慢,晶体有足够的时间发展,但受周边冰

晶体的限制,它只能垂直向下生长,形成柱状冰晶体;柱状冰晶

体的平均粒径随生长速率的减慢和冰厚度的增加而增加。图1

为2009年2月9日冰样的垂直和水平切片晶体照片。从水平

切片上确定晶体的数目和它们面积的总和,计算晶粒的平均面

积并换算它的等效直径,作为冰晶体的平均粒径。图2给出冰

晶体的平均粒径随深度的的变化曲线。从图2可以发现,取样

均属于冰的生长期,2次取样统计的数据基本一致,说明在冰生

长期间,冰的晶体尺寸没有发生变化。2009年4月3日的冰样,

发现冰晶体之间的缝隙加宽,因现场无法对这类冰切薄片,没

能获取数据,故无法分析这些缝隙对晶粒尺寸的影响程度。

根据晶粒C-轴在空间内随机分布或在平面内随机分布,判断冰属于各向同性材料、平面内各向同图2 冰晶体粒径随深度变化性材料或者各向异性材料[14-15]。对2009年2月9日冰样的水平冰切片进行冰晶体C-轴倾角和倾向观测统计,发现冰上层部分的冰晶体C-轴属于平面内随机分布;中底层的冰晶体C-轴属于平面内定向分布,方向NNW-SSE(图3)。因此,冰上层属于平面内各向同性材料,

中下层属于各向异性材料。

图3 冰晶体C-轴方位分布

4 冰内气泡分布、尺寸和密度之间的关系

由于气泡在冰内的随机分布,当冰样厚度大于气泡尺寸时,前后气泡互相遮蔽,看到的气泡比较杂乱和繁多。图4是2009年2月9日冰样照片和对应宏观气泡描述。由图4可见,0~18cm的冰内气泡属于圆球体,35~37cm处出现呈箭头形的气泡,其后的冰内气泡属于圆柱体。图像分析数据表明,圆球!

体的直径范围为0 3~5 0mm;圆柱体的高度与直径比为10~70

。

图4 2009年2月9日冰样内气泡宏观形态

将冰样切到厚度小于气泡直径,薄片内的气泡就只有一层。在费氏台上无正交偏光镜投射薄片并拍摄照片,照片内体现出的气泡见图5(a)。利用计算机图像处理技术,将照片处理成黑白图像,白色部分表示气泡,黑色部分表示冰(见图5(b))。然后用计算机算出每一个气泡的像素面积和周长,再根据照片单位像素的绝对长度换算出气泡绝对等效圆直径和薄片内全部气泡所占的面积百分比含量,图6

给出了气泡等效直径分布直方图。

图5 冰内气泡微观分布和尺寸分析

图6 水平薄片内气泡等效直径分布

图7 冰内气泡等效直径随冰深度变化曲线

图7为冰内气泡等效直径随冰深度的变化曲线。从图7可见,冰内气泡等效直径随着冰深度的增加先迅速增大,然后保持某一个值基本不变;随着冰生长时间增长,冰内气泡的直径变小。图8为冰内气泡面积,百分含量随深度变化曲线。由图8可见虽然气泡的百分含量随深度增加而减少,但气泡的总百分含量随着生长时间的增加而增加。这说明冰内气泡在冰生长期是活跃的,这一点可以成为解释冰热学、力学和其它性质随时间变化的基础。

第3根冰样按水平分层切割,处理成规则的立方块。利用重量体积法,实测冰块的表观密度。尽管融化期冰样无法在现场切薄片进行晶体和气泡观测,但可以测量冰密度。图9给出3次冰样的密度随!

深度变化曲线。由图9可见,在冰生长期(2008年12月19日;2009年2月9日)冰密度变化不大,两者基本重合;但在冰融化期(2009年4月3日),冰密度随深度变化明显,基本是表层密度小,底层密度大。这反映冰在融化期间晶粒间的缝隙增加(如图10),水分沿缝隙向下迁移。表层水分减小,导致密度低于900kg m;而底层水分增加,导致密度高于900kg m。因此,冰的密度同冰内气泡百分含量有关。

除去融冰期的特殊情况,冰密度同冰内气泡百分含量呈反比,图11给出2009年2月9日取样的分析结果,所得密度同气泡的关系(实线)与两相理论的理想密度随气泡变化的关系(虚线)

接近。33

图8 冰内气泡面积百分含量随深度变化曲线

图9 冰密度随深度的变化曲线

图10 融化期冰晶体间增宽的缝隙5 结论

通过对大庆红旗泡水库冰情的现场观测得出以下结论:(1)冰上层为粒状晶体,中下层为柱状晶体,平均粒径与冰深度成正比。冰生长期间,冰晶体不发生变化。表层冰晶体C-轴在平面内随机分布,属于平面内各向同性材料;中底层冰晶体C-轴在平面内定向分

布,属于各向异性材料;(2)气泡等效直径随着冰深度的增加而

快速减小,然后保持某一个值基本不变。但冰内气泡的百分含

量随深度增加而减少,总百分含量随着生长时间的增加而增加,

反映出冰内气泡在冰生长期是变化的。这是未来解释冰性质随

时间变化的基础;(3)冰生长期的密度变化不大,但融化期的密

度随深度变化明显。融化期间,水分沿晶粒间缝隙向下迁移。

3表层水分减小,密度低于900kg m;底层水分增加,密度高于

900kg m。冰密度同冰内气泡百分含量呈反比例关系。3图11 冰密度与冰内气泡百分含量的关系

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参 考 文 献:

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Characteristicsoficecrystalsairbubblesanddensitiesof

freshiceinareservoir

LIZhi jun,JIAQing,HUANGWen feng,LIChang yu11,213

(1 DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China;2 HeilongjiangUniversity,Harbin 150086,China;

3 HeilongjiangNorthNenjiangConveyanceProjectManagementAgency,Anda 151400,China)

Abstract:Somein situobservationsoficegrowthanddecayprocesseswereperformedintheHongqipaoReservoir,HeilongjiangProvince.Duringtheobservation,threesamplingsweredoneinthestagesoffasticegrowth,steadyicegrowthandicethaw.Thesethreeicesampleswereusedtoobserveicecrystals,airbubblesiniceandtomeasureicedensity.Theobservationandmeasurementobtainedtheverticalprofilesoftheicecrystaltypes,icecrystalsizes,airbubbleshapes,airbubblesizesandairbubblecontentsinpercentage,aswellasicedensityfromicesurfacetobottom.Thefindingsofthisstudyare:thecrystaliniceuppersectionofisgranular,theotherpartsiniceiscolumnar,theaveragegrainsizeincreaseswithicedepthandkeepthesameintwoicegrowthstages.Theshapeofairbubblesintheuppersectionoficeisspherewithhigherpercentage,andtheshapeinthemiddleandlowersectionsiscylinderwithlowerpercentagewhenicegrows.Theairbubblesizeandpercentageareactivealongwiththeicefreezingandmeltingstages;icedensitydecreaseswiththepercentageoftheairbubblesiniceincreasing.Keywords:ice;measurements;crystals;bubbles;density

(责任编辑:王成丽)!