基于空气、冰与水物理特性差异的冰层生消过程与力学强度连续在线检测原理研究

The continuous on-line detection of the growth-melting process and strength of the ice layer is an exigent applied technology in polar expedition, icicle disaster control and design for marine and hydraulic structure in high-cold areas and other fields. Mainstream technologies at present could not realize the complete continuous detection of physical properties within the ice layer, which include ice model simulation prediction, satellite remote sensing, radar, sonar, and other manual measurements. Ice mechanical strength studies based on the ice force model tests and numerical statistics have high cost, bad real-time analysis and other flaws due to test conditions. Therefore, on the basis of previous studies, project applicants propose a new principle: to realize the continuous on-line detection of growth-melting process and strength of the ice layer with the physical property difference of air, ice and water. The research is based on some important engineering tests including Antarctica expedition and Yellow River icicle prediction and on some relevant theories. The resistance and capacitance values of air, ice and water are used to realize continuous on-line detection of physical properties within ice. We try to explore the relationship between the resistance and capacitance variation with temperature and strength variation and to find out new on-line detection methods. The results are meaningful for polar expedition, cold area hydrological forecast, hydraulic structure design, and icicle disaster prevention.

冰层生消过程与力学强度连续在线检测是南北极科考、高寒区海工、水工设施防冰凌灾害与设计等领域急需的应用技术。利用冰模型仿真预测、卫星遥感、雷达、声纳及人工量测等方法是目前冰生消过程检测主流技术，它们存在的缺陷是无法实现冰层内部物理状态的完整连续检测；以冰力模型实验方法、数值计算为主的冰力学强度研究方法受实验条件限制，存在费用高、分析结果实时性差等缺陷。基于前期研究成果，项目申请者提出利用空气、冰与水物理特性差异的冰情检测原理来实现冰生消过程与力学强度连续在线检测的新思路，结合南极科考、黄河冰凌预报等重大工程试验，研究基于空气、冰与水的电阻、电容值连续检测实现冰层内部物理状态在线检测的相关理论，探索冰、水电阻、电容值随温度变化与冰层内部力学强度变化规律的关联性，寻求新的冰力学强度在线检测方法。研究成果可为南北极科学考察、寒区水文测报、水工设施的设计及冰凌灾害预防等领域提供新的冰情检测技术。

围绕冰生消过程与静冰压力自动在线检测，项目组重点研究了：1.实验室建立了-70℃～+150℃区间的温度实验环境，对淡水冰样本生消过程中等效电阻Re随温度变化特性进行了系统研究。结果表明：在生消过程中，冰层内部Re随温度变化呈现三个特征区域:导电区（T≥0℃，Re≈0.1～2 MΩ）、低阻区（包括开始结冰-稳定封冻，冰消融两个阶段，Re≈2～300MΩ）、高阻区（稳定封冻期，Re≥300MΩ）。低阻区与高阻区温度分布区宽度与分界点动态可变，其值与冰内导电粒子浓度、结构、冰层上下界面区温度热交换等多种因素有关。据此，课题组研制出可在温度低于-40℃野外环境下可靠工作的冰层厚度传感器。2.对在中国第29次南极科考中获取的南极中山站附近海域现场海冰观测数据分析比对，确定了海水与淡水结冰过程中Re随温度变化规律的异同点：a)海水冰点下移。淡水冰水混合液温度≈0℃，而海水冰水混合液温度＜0℃，具体值与观测点海水盐度和密度有关。b)海冰内部Re分布与淡水冰规律相似，存在有导电区，低阻区和高阻区，基于空气、冰与水物理特性差异的冰情检测方法可以应用于海冰生消过程的连续检测。提出柔性温度链冰情检测传感器方案并研制成功。3.完成了波长880～1040nm红外光在-40℃～+85℃温度环境下雪层透光衰减特性试验，提出基于空气、雪层透光特性差异雪层厚度检测方法，研制成功R-T-O冰雪情检测传感器，实现了冰、冰上雪层厚度及内部温度分布的同步连续检测。4. 进行了静冰压力在线检测新方法探索研究.试验了两种方案：1）混沌光纤光栅静冰压力传感器.设计了实验装置，通过改变光源频率并检测接收光纤光栅(FBG)相关峰变化，实现了多点静冰压力检测。2）反射式光纤压力传感器。设计了实验装置，当特制弹性膜片受静冰压力作用时产生弹性形变并引起位移，通过双路光纤将该位移信号转换为光电信号后进行检测，实现对静冰压力的测量。5.利用课题组研制的50余套冰雪情自动检测装置，完成了连续5年现场冰雪情观测与冰凌预报试验。包括：2012-2015内蒙黄河河段、万家寨水库，2013-2016黑龙江漠河、呼玛， 2013-2015额尔古纳河齐乾等河道现场河道冰雪情观测试验,及第29、32次中国南极科考海冰观测试验,初步掌握了我国内陆河道冰生消过程中冰内Re分布变化规律,发现了河流“预开河特征现象”，可为冰凌短期预报提供一种科学手段