锚冰
水面以下冻结于河底或建筑物上的冰
锚冰是指水面以下冻结于河底或建筑物上的冰。堆积在河底的海绵状的冰块。冬季河流封冻以前,由于水流运动的作用,一部分初期冰块沉积于河底。以后,随着冰块的增多以及水流的紊动,使锚冰浮出水面,锚冰的起伏会引起水下建筑物的破坏,能托起船锚。
水内冰和锚冰的演变
河流里水内冰的形成主要是由于过冷的冰晶体因质量交换而到达了自由水面。当在过冷紊流中混合时,冰晶体积增大,数量增多,并且聚结成为絮状冰。在过冷条件下,河道底部的水内冰晶体,可能会黏结在河床和水下物体上而形成锚冰。锚冰的出现可引起水流阻力、水位和流量的变化。
卵石河床上锚冰
简介
在河流中,尤其是在浅而紊动的溪流里观察到了锚冰的出现。锚冰的形成和生长抬升了河床高度,改变河床底部的粗糙度而影响河道的水流条件。在尼亚加拉河上游观测到,夜间由于锚冰的生长,河道流量突然减少了20%~30%。在蒙特利尔附近的圣劳伦斯河,锚冰的存在被认为是附近电站电力生产损失的主要原因。锚冰的形成对生物也有影响,水面和底部水域之间的水流交换被阻断,影响底部水域的氧气供应和温度。锚冰还对渔业不利,在小河底部由于锚冰的形成,鱼卵被冻结。
锚冰的形成
锚冰开始于屑冰的附着,在卵石河床上锚冰将生成于三个不同的位置,在卵石颗粒上游表面的上半部分的任何地方都能出现,我们称之为正面形成;在被称为背面的卵石颗粒的下游面上,开始形成于半个直径到大约四分之三个直径的地方;在卵石颗粒之间,开始形成于两个卵石颗粒之间的连接点上。
锚冰的类型
锚冰形成以后,由于屑冰的积累,观察到锚冰的进一步生长,屑冰开始附着之后观察到三种类型锚冰的生长,锚冰以冰尾状、鳞片状或冰球的形式生长(见图1),生长形式的变化受水流条件影响。图2列出了锚冰形成的不同类型的相应水流条件;弗汝德数、雷诺数和卵石雷诺数分别定义为、、其中,表示水的运动黏度,表示自由条件下冰的剪切流速。
由图2可以看出,当弗汝德数小于0.2,流速小于0.25 m/s时,锚冰以冰尾的形式出现。当流速在该范围的下限时,开始主要出现在吸附屑冰颗粒的横向连接点上。冰尾增长阶段由于流速增加,在连接点处形成的频率降低了,而在其他位置形成的机会增加了。
屑冰累积开始以后,锚冰首先向上游和自由表面生长,由于锚冰突出到卵石顶上,在水流的影响下生长开始向下游转移,这种向下游的生长导致了冰尾的形成。通常一个冰尾开始形成之后,另外的冰尾将在第一个冰尾的左和(或)右面开始向下游生长,这种形式将向下游方向继续直到整个河床被覆盖。当冰尾的长度增长时,它的厚度和宽度也在生长,虽然生长的速度较慢。由于冰尾的长度和宽度持续生长,单个的锚冰尾最终连接在一起形成锚冰网,锚冰网将在卵石河床上最终发展成锚冰覆盖。
当弗汝德数在0.2~0.5之间,流速在0.25~0.45 m/s范围内时,锚冰呈薄片形状;薄冰片的形成可以认为是部分发展的冰尾,是冰尾形式和冰球形式之间的过渡,薄冰片形成之后,观察到了短冰尾的形成和由于流体动力拉力而产生的断裂,这阻止了冰尾的形成,由于流速在该范围的下限,开始阶段可以出现在卵石颗粒的正面和连接点处,由于通过这个范围时弗汝德数增加,主要从正面开始,薄冰片继续变宽、变厚直到锚冰覆盖层形成。
当弗汝德数接近或大于0.5,流速接近或大于0.45m/s时,由于在卵石圆面上屑冰的 积累球形锚冰形成。锚冰主要开始形成于卵石颗粒的正面,在背面和连接点开始的较少。
在锚冰生长的三种类型中,当每个锚冰彼此连接起来时锚冰覆盖层就出现了,锚冰覆盖层形成后,由于屑冰的堆积锚冰覆盖层继续长厚。由图2可以看出,锚冰出现的形式依赖于水流的流速和弗汝德数,它与水槽的雷诺数和卵石雷诺数无关,这可以用冰薄片或冰尾是冰球的副产物这个事实来解释。在冰薄片或冰尾的生长过程中,会受到流体动力拉力和提升力影响,两种力随流速增加,并受水面波动影响。由于水面波随弗汝德数的增加而增加,锚冰生长将不能承受水流动力的影响而断裂。由于锚冰长度的增加受堆积的屑冰粒之间连接的影响,流速或弗汝德数的过渡值可能从水槽试验到野外条件而发生变化。
锚冰的水力影响
锚冰生长产生的水力阻力随流速、水深以及河床卵石的大小变化,水流阻力增加的速度随流速和水流深度的增加而减小,河床卵石的体积越大锚冰产生的水流阻力的增长速率越大,总的水流阻力的增加速率随卵石河床顶面以上的水流深度定义的雷诺数的增加而减小。在生长的初始阶段,卵石/冰河床表面糙率增加,当锚冰光滑之后直到生长的最终阶段逐渐减小到最小值。
参考资料
最新修订时间:2022-08-25 15:14
目录
概述
水内冰和锚冰的演变
卵石河床上锚冰
参考资料