河冰生消过程中关键物理参数的监测与研究

发布时间：2018-02-07 09:26

本文关键词： 河冰物理参数冰层厚度积雪深度温度剖面静冰压力　出处：《太原理工大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：河冰的产生与消融过程存在于我国高海拔的西南、西北和淮河以北区域以及许多高纬度的国家与地区。河冰作为全球气候系统的重要组成部分,因其对气候变化的敏感性一直被视为物候学的重要指标之一。而河冰的生消变化以及在此过程中伴随的关键物理参数的变化是我们研究气候变化、冰塞及冰坝形成机理、冰情预报及冰凌灾害最直接的科学依据之一,因此河冰生消过程中关键物理参数监测技术的研究及原始数据的积累对河冰数值算法的改进具有非常重要的意义。本文基于自行设计研制的冰情关键物理参数自动监测设备,对2011年至2014年间冬季封冻至春季消融期间我国黄河流域、黑龙江流域的部分典型水文站以及万家寨水库冰情观测点获取的大量冰情数据进行了分析研究。研究内容及研究结果概括如下:(1)阐述了冰与雪的基本物理特性、类型及冰生消过程中产生的各种冰情现象。在已有冰导电特性理论基础上,对室温~-55°C极低温环境范围内冰的导电特性进行了进一步研究。试验结果表明,在特定的测试条件下,基于空气、冰与水的电阻特性差异,可实现在极端低温环境下冰层厚度及冰界面的检测。基于此理论,通过设计、改进,研制了一种新型的R-T冰水情自动检测传感器并将其应用于黄河宁蒙河段、万家寨水库及黑龙江漠河江段的冰情监测试验中,获得了大量的原始冰情数据,选取部分典型数据进行了比较分析,试验结果反映出河冰生消变化过程中冰层厚度及冰界面的变化规律,验证了设备的可靠性。此外,根据所获得的实测数据,利用不同冰期冰内部等效电阻的差异,初步探讨了进行开河预测的可能性。(2)设计研制了高分辨率的棒式温度链监测系统,并应用于黄河河道及黑龙江江段,获得大量的现场实测原始温度数据,通过深入分析,提出冰上无积雪和有积雪两种不同情况下利用温度廓线判断冰层厚度的算法。该研究对于获取更为丰富、有效的河道垂直温度剖面信息起到非常重要的作用。此外,考虑到原有棒式温度链热传导系数大、携带安装不便等问题,还研制了一种全新结构的高分辨率柔性温度链,该温度链具有热传导系数小、重量轻、弯折性好、携带方便、易于安装等优点。该柔性温度链将安装于南极中山站冰情观测点,完成2015~2016年海冰垂直温度剖面的监测。(3)根据红外光穿过空气和雪时表现出的强度衰减特性差异理论,设计了一种以红外发射二级管和红外接收二级管组成的单元检测电路为基础的光电式积雪深度传感器,实现了冰上积雪深度的自动测量。该传感器已应用于黑龙江漠河江段的积雪深度监测中,并获得了2014年1月~2014年3月的积雪深度数据,通过与人工实测数据进行了对比分析,验证了光电式积雪深度传感器在野外环境下实现积雪深度自动监测的可靠性。(4)基于反射式强度调制原理,设计了一种新型膜盒式静冰压力光纤传感器。该传感器采用一种带杆伞状圆盘结构,当压力传递到弹性平膜片中心时可消除传统电阻应变式压力膜盒传感器进行压力测量时产生的边壁效应。通过研究改进Y-I型光纤束的强度调制特性,选定了传感器初始工作距离,并利用万能压力试验机对传感器进行了压力标定。在环境温度为25°C~-35°C范围内对传感器进行了温度补偿,得到了相应的温度补偿函数。利用该传感器在实验室高低温交变湿热试验箱内进行了静冰压力随温度变化试验。结果表明,冰生消过程中静冰压力存在两个极值点:一为水由液态转变为固态时相变产生的冰冻胀力,二为冰的热膨胀效应引起的热膨胀力。
[Abstract]:In this paper , a new type R - T ice water condition automatic monitoring system is designed and developed . ( 3 ) Based on the theory of the intensity attenuation characteristic of infrared light passing through air and snow , a photoelectric integrated snow depth sensor based on infrared emitting diode and infrared receiving secondary tube is designed .

【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P343.6

【参考文献】