黑龙江流域位于我国东北地区,是全国年平均气温最低的地区,全年负温月份接近六个月。黑龙江流域冬季常年出现冰塞、岸冰和锚冰等各种冰情复杂的现象,河冰的生消过程往往会直接干扰水电站和周边的农业工程和生态环境。锚冰的生长和释放过程会影响到水电站的运行、冰上交通、水中的生态系统和泥沙输移。本研究借助于低温环境模拟实验室进行物理模型试验,初步探究了河流锚冰演变过程及其主要影响参数。希望能为锚冰演变过程的研究提供参考与帮助,结论如下:(1)在所有的锚冰演变模型试验中,锚冰的形成都开始于屑冰的粘附,在水槽底部的卵石上锚冰生长于两个不同的位置,分别为正面形成和背面形成,本研究中所观察到的主要是正面形成。锚冰形成后,开始在卵石的正面缝隙中开始生长,锚冰首先向上游和水面生长,由于锚冰生长超过卵石颗粒顶部,在水流的影响下开始变平并向下游生长,这种向下游的生长导致了冰尾的产生。通常一个冰尾的产生之后,另外的冰尾将在之前的冰尾的左右开始向下游生长,这种生长形式将向着下游继续生长到水槽底面被完全覆盖。(2)观察到的锚冰释放是由于水流冲刷和浮力作用造成的。通过三组不同水槽底面粗糙度的对比,发现水槽底部粗糙度小的比粗糙度大的锚冰更容易释放,这是由于小粒径的碎石与锚冰的粘结力不够,容易被水流冲走。(3)通过试验过程中的水温曲线发现了锚冰的热力生长。根据试验记录的水温温度曲线,发现试验过程存在热力学过程:当水流过冷后,水中出现屑冰,紊流混合着屑冰粒将其带到水槽底部,一些屑冰粒粘附在水槽底部形成锚冰。当锚冰和屑冰的形成而释放的潜热不足以平衡水面的热量损失时,水流的过冷继续增加;当释放的潜热与水面的热量损失平衡时,水温将不再降低达到最低温度。大量的锚冰在这一时期迅速形成并增长,由于锚冰大量增长释放的潜热增加,水温开始缓慢上升。由于水面冰被定期捞走撇去,使得水气热交换过程继续进行。每次捞走水面冰时,水槽中的锚冰和屑冰释放的潜热不足以平衡水体散失的热量,使得水体温度再次下降。试验进行到后期,水中基本上不会产生新的屑冰,水温基本保持恒定不变。(4)测定了各个试验组的锚冰密度与孔隙率,分析发现锚冰密度随着弗劳德数F_r与雷诺数Re的增加而增加;锚冰孔隙率随着粗糙雷诺数Re~*的增加而减小。(5)通过对水槽底面糙率的变化来探究锚冰演变过程中对水力阻力的影响。在锚冰演变的初期,锚冰生长增加了水槽底面糙率,随着试验的进行糙率达到峰值,试验继续进行,河床被锚冰完全覆盖,河床表面粗糙度逐渐减小。不同气温条件下的相对糙率曲线的增长速率明显不同,气温较低的相对糙率曲线明显增长更快,但其增长速率随时间推移不断减小,当气温为-20℃时,水槽底面的糙率n和相对糙率n~*的值最大;不同流速条件下的糙率n增长速率明显不同,流速为0.25 m/s的试验组糙率增长速率最快,糙率达到峰值所用的时间最短;在不同水槽床面粗糙度下(0.5 cm,1 cm,2 cm),随着弗劳德数Fr和雷诺数Re的增加,平均相对糙率?n*的值开始下降。(6)根据锚冰厚度曲线得到锚冰生长速率曲线。不同气温条件下的锚冰厚度曲线和生长速率曲线明显不同,当气温为-20℃时,锚冰生长最快,生长速率达到峰值所需时间最短;在不同水槽床面粗糙度下(0.5 cm,1 cm,2 cm),试验结束时水槽底面粗糙度为1 cm的试验组锚冰厚度最大,水槽底部粗糙度为0.5 cm时,锚冰生长速率峰值最大并且达到峰值所需的时间最短;采用三组不同的弗劳德数来研究,得出锚冰生长初期弗劳德数为0.56的试验组锚冰厚度和生长速率最大,随着试验的继续进行,弗劳德数为0.25的试验组锚冰厚度和生长速率最大。