錨冰

錨冰是指水面以下凍結於河底或建築物上的冰。堆積在河底的海綿狀的冰塊。冬季河流封凍以前，由於水流運動的作用，一部分初期冰塊沉積於河底。以後，隨著冰塊的增多以及水流的紊動，使錨冰浮出水面，錨凍的起伏會引起水下建築物的破壞，能托起船錨。

基本介紹

• 中文名：錨冰
• 外文名：Anchor ice
• 出現場合：河床和水下物體
• 造成影響：水流阻力、水位、流量的變化

水內冰和錨凍的演變

河流里水內凍的形成主要是由於過冷的冰晶體因質量交換而到達了自由水面。當在過冷紊流中混合時，冰晶體積增大，數量增多，並且聚結成為絮狀冰。在過冷條件下，河道底部的水內冰晶體，可能會黏結在河床和水下物體上而形成錨冰。錨凍的出現可引起水流阻力、水位和流量的變化。

卵石河床上錨冰

簡介

在河流中，尤其是在淺而紊動的溪流里觀察到了錨凍的出現。錨凍的形成和生長抬升了河床高度，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到，夜間由於錨凍的生長，河道流量突然減少了20%～30%。在蒙特婁附近的聖勞倫斯河，錨凍的存在被認為是附近電站電力生產損失的主要原因。錨凍的形成對生物也有影響，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和溫度。錨冰還對漁業不利，在小河底部由於錨凍的形成，魚卵被凍結。

錨凍的形成

錨冰開始於屑凍的附著，在卵石河床上錨冰將生成於三個不同的位置，在卵石顆粒上游表面的上半部分的任何地方都能出現，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，開始形成於半個直逕到大約四分之三個直徑的地方；在卵石顆粒之間，開始形成於兩個卵石顆粒之間的連線點上。

錨凍的類型

錨冰形成以後，由於屑凍的積累，觀察到錨凍的進一步生長，屑冰開始附著之後觀察到三種類型錨凍的生長，錨冰以冰尾狀、鱗片狀或冰球的形式生長（見下圖1），生長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水流條件；弗汝德數、雷諾數和卵石雷諾數分別定義為、、其中，表示水的運動黏度，表示自由條件下凍的剪下流速。

圖1：錨冰形成時不同類型的發展過程

由下圖2可以看出，當弗汝德數小於0.2，流速小於0.25 m/s時，錨冰以冰尾的形式出現。當流速在該範圍的下限時，開始主要出現在吸附屑冰顆粒的橫向連線點上。冰尾增長階段由於流速增加，在連線點處形成的頻率降低了，而在其他位置形成的機會增加了。

圖2：錨冰形成和水流條件之間的關係

屑冰累積開始以後，錨冰首先向上游和自由表面生長，由於錨冰突出到卵石頂上，在水流的影響下生長開始向下游轉移，這種向下游的生長導致了冰尾的形成。通常一個冰尾開始形成之後，另外的冰尾將在第一個冰尾的左和（或）右面開始向下游生長，這種形式將向下遊方向繼續直到整個河床被覆蓋。當冰尾的長度增長時，它的厚度和寬度也在生長，雖然生長的速度較慢。由於冰尾的長度和寬度持續生長，單個的錨冰尾最終連線在一起形成錨冰網，錨冰網將在卵石河床上最終發展成錨冰覆蓋。

當弗汝德數在0.2~0.5之間，流速在0.25~0.45 m/s範圍內時，錨冰呈薄片形狀；薄冰片的形成可以認為是部分發展的冰尾，是冰尾形式和冰球形式之間的過渡，薄冰片形成之後，觀察到了短冰尾的形成和由於流體動力拉力而產生的斷裂，這阻止了冰尾的形成，由於流速在該範圍的下限，開始階段可以出現在卵石顆粒的正面和連線點處，由於通過這個範圍時弗汝德數增加，主要從正面開始，薄冰片繼續變寬、變厚直到錨冰覆蓋層形成。

當弗汝德數接近或大於0.5，流速接近或大於0.45m/s時，由於在卵石圓面上屑凍的 積累球形錨冰形成。錨冰主要開始形成於卵石顆粒的正面，在背面和連線點開始的較少。

在錨冰生長的三種類型中，當每個錨冰彼此連線起來時錨冰覆蓋層就出現了，錨冰覆蓋層形成後，由於屑凍的堆積錨冰覆蓋層繼續長厚。由上圖2可以看出，錨冰出現的形式依賴於水流的流速和弗汝德數，它與水槽的雷諾數和卵石雷諾數無關，這可以用冰薄片或冰尾是冰球的副產物這個事實來解釋。在冰薄片或冰尾的生長過程中，會受到流體動力拉力和提升力影響，兩種力隨流速增加，並受水面波動影響。由於水面波隨弗汝德數的增加而增加，錨冰生長將不能承受水流動力的影響而斷裂。由於錨冰長度的增加受堆積的屑冰粒之間連線的影響，流速或弗汝德數的過渡值可能從水槽試驗到野外條件而發生變化。

錨凍的水力影響

錨冰生長產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生的水流阻力的增長速率越大，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的增加而減小。在生長的初始階段，卵石/冰河床表面糙率增加，當錨冰光滑之後直到生長的最終階段逐漸減小到最小值。