大多数情况下,尤其是较大的河流,即使在严冬也很难完全冻结(从表面到底部、从源头到河口全部冻透)。
以下是水流速度、地形以及其他因素如何影响河流结冰的详细解释:
水流速度的影响:
- 快速流动的水难以结冰: 流动的水体具有动能,湍流会将较温暖的下层水与表层冷水混合,阻止表层水温持续稳定地降至冰点以下。即使表层开始形成薄冰,水流的力量也很容易将其冲走或打碎。
- 缓慢流动的水更容易结冰: 在流速较慢的河段(如深潭、河湾内侧、接近河口或湖泊入口处),水体混合作用减弱,热量散失更快,表层水更容易冷却并稳定在冰点以下,从而形成并维持冰盖。
- 临界流速: 存在一个临界流速,超过这个流速,即使气温很低,河流也很难形成稳定的冰盖。这个临界流速取决于河流深度、宽度、气温等多种因素。
地形的影响:
- 河道形态:
- 弯曲河道: 在河湾处,外侧水流速度快、侵蚀强,不易结冰;内侧水流速度慢、沉积作用明显,更容易结冰。
- 狭窄与宽阔处: 狭窄处流速快,不易结冰;宽阔处(如深潭、浅滩)流速减缓,浅滩因水深小散热快更易结冰,深潭则因水体热容量大,结冰相对较慢但冰层可能更厚。
- 瀑布、急滩、水坝下游: 这些地方水流湍急,剧烈混合空气,通常很难结冰,或者只在边缘形成薄冰。
- 坡度: 坡度大的河段流速快,不易结冰;坡度平缓的河段流速慢,更易结冰。
- 水源与地下水: 河流源头如果是冰川融水或泉水(特别是温泉),水温可能接近0°C甚至略高于0°C,使得源头附近不易结冰。地下水补给点(泉眼)也会在局部形成不冻区。
- 遮蔽与朝向: 处于山谷阴面或高大植被遮蔽下的河段,接收的太阳辐射少,散热更快,更容易结冰。向阳面则相对不易结冰。
其他重要因素:
- 气温: 这是最根本的驱动力。结冰需要持续低于冰点(0°C)的气温,并且低温的强度和持续时间至关重要。短暂的寒潮可能只形成岸冰或薄冰,持续的严寒才能形成稳定冰盖。
- 水体的热容量: 河流本身储存了大量的热量。将整条河的水体冷却到冰点需要巨大的能量散失和相当长的时间。即使表面结冰,深水区仍能保持较高温度。
- 冰盖的隔热作用: 一旦形成稳定的冰盖,它就像一层保温层,阻隔了冷空气与下方水体的直接热交换,大大减缓了冰层向下增厚的速度。因此,冰层厚度通常有限。
- 支流汇入与人类活动: 支流的汇入(尤其是来自不同温度环境的支流)、污水处理厂或发电厂的温水排放,都会局部提高水温,形成不冻区。
- 河水盐度/杂质: 淡水在0°C结冰。如果河水含有一定盐分(如受潮汐影响的河口段)或杂质,其冰点会略有降低(但通常影响不大,除非是咸水河)。
结论:
- 完全冻结罕见: 对于流量较大、流速较快的河流(如长江、黄河、密西西比河等),即使在最寒冷的地区,也很难做到完全冻结(整个横断面和纵断面全部冻透)。通常只是表面形成冰盖,冰盖下仍有水流,冰盖厚度也有限。完全冻结通常只发生在非常小的、流速极慢的溪流或沟渠。
- 部分冻结常见: 在寒冬,河流部分冻结是非常普遍的现象:
- 形成岸冰(河流边缘流速慢处先结冰)。
- 形成冰盖(在流速缓慢的河段,岸冰逐渐向河心发展,最终覆盖整个河面)。
- 存在清沟(在流速快、有湍流、有温泉或地下水补给、有温水排放的地方,冰盖无法形成或破裂,露出流动的水面)。
- 形成冰塞/冰坝(破碎的冰凌在狭窄或弯曲河段堆积堵塞河道,可能导致上游水位壅高)。
- 极端特例: 在极端严寒且持续的气候条件下(如历史上的小冰期),以及针对特定的小型河流,完全冻结是有可能的。例如,西伯利亚一些流速缓慢的小河在严冬可能完全冻透。但在现代气候背景下,对于主要河流来说极为罕见。
总结来说:水流速度是阻止河流(尤其是大中型河流)完全冻结的关键因素,湍流混合作用阻止了表层水的持续冷却。地形则通过影响流速分布、水深、热量散失和热源(地下水)分布,决定了河流不同区段结冰的难易程度和冰情特点。因此,寒冬里的河流更常见的是部分冻结状态,而非完全冻结。