[科普中國]-冰雪學(xué)

研究固體水的特性、結(jié)構(gòu)、分布及其他性質(zhì)的科學(xué)，稱為冰雪學(xué)。冰雪學(xué)又稱冰雪水文學(xué)。

現(xiàn)已演變成研究冰雪覆蓋區(qū)冰雪的積累和消融機(jī)制及其與周圍環(huán)境水的相互關(guān)系的科學(xué)，是一門新興的邊緣學(xué)科。

主要內(nèi)容包括冰雪的物理性質(zhì)、積累和消融的過程、冰雪徑流形成的機(jī)制、計算和預(yù)報以及冰雪水資源的開發(fā)利用等。對提高水文學(xué)理論和解決干旱區(qū)水源、防止冰雪災(zāi)害等方面有很大意義。

簡介雪的累積和融化在溫暖和寒冷地帶的水文循環(huán)中起到了十分重要的作用，即使在熱帶山區(qū)也是如此。高程每升高100m氣溫則會降低0.6～1.0℃，如果海平面的氣溫為20℃，那么在海拔高度2000～3000m處，氣溫則低于0℃，則會以雪的形式降水。

雪的累積和融化對徑流變化特征有很大的影響作用，通常會導(dǎo)致徑流發(fā)生季節(jié)性的顯著變化。下圖所示就是挪威Gaula河流域的一個典型實(shí)例。在那兒冬季（9月到次年3月）的降水以雪的形式儲存起來，而在春季（4～6月期間）則以融雪徑流形式釋放出來。

雪對于水電水文的重要性主要可以歸納為以下幾點(diǎn)。

①對水庫最佳蓄水庫容的影響。

②對水庫運(yùn)行的春汛洪水的預(yù)報。

③融雪對洪水設(shè)計的貢獻(xiàn)。

水庫的設(shè)計應(yīng)考慮在春季洪水期間蓄水，而在冬季枯水季節(jié)放水。通常在有融雪流入的河流的水庫比在無季節(jié)性融雪的河流的水庫需要更大庫容。因此，為了確定出最佳的水庫庫容，河流的徑流實(shí)測資料是十分重要的。應(yīng)用水電模擬模型確定最佳的水庫庫容規(guī)模也是十分重要的方法。

水庫運(yùn)行的主要問題是要保證在洪水來臨之前必須將水庫的水位降低到最合適的高程。如果水位降得太低，第二年的冬季則可能蓄不滿；如果水位降低得不夠充分，則會發(fā)生水量和發(fā)電量的損失問題。因此季節(jié)性的入流預(yù)測對于合理地確定水庫的水位降是至關(guān)重要的。這樣的預(yù)測首先要依賴于對冬季末積雪區(qū)域雪容量的測量。

雪融化對于洪水的狀況有顯著的影響，因此，在設(shè)計洪水計算中必須加以考慮。融雪形成的洪水變化不劇烈但要比雨水形成的洪水具有更多的水量，這對于防洪水庫的洪水設(shè)計而言尤其重要。

早在1950～1955年，美國陸軍工程兵團(tuán)就對融雪的水文過程進(jìn)行了廣泛的研究。其主要的研究成果發(fā)表在“冰雪學(xué)”研究報告中。這個研究報告仍然是這方面的很好的參考資料。1

發(fā)展簡史人類運(yùn)用冰雪學(xué)解決生產(chǎn)實(shí)際問題的歷史悠久。中國西部高山區(qū)的山麓地帶的農(nóng)業(yè)主要靠冰雪融水灌溉。

18世紀(jì)初，中國的《西域水道記》記述了新疆木札爾特冰川融水。

1836年J.B.杰維斯根據(jù)流域積雪面積進(jìn)行融雪產(chǎn)水量預(yù)報。20世紀(jì)40年代，融雪計算得到了發(fā)展。

1940年J.C.奧爾特估測了季節(jié)性積雪產(chǎn)水預(yù)報的發(fā)展趨勢并指出，在預(yù)報季節(jié)融水徑流中統(tǒng)計學(xué)上的數(shù)學(xué)多重相關(guān)分析法將被廣泛應(yīng)用。

1942年B.S.巴恩斯首先提出用數(shù)學(xué)計算方程預(yù)報融雪徑流。

1956年美國陸軍工程兵團(tuán)出版了《雪水文學(xué)》，詳細(xì)地論述了雪水文學(xué)中的洪水設(shè)計問題，對影響融雪徑流的熱源作了深入討論。

1960年，美國陸軍工程兵團(tuán)在《融雪徑流》一書中，以對流、輻射和傳導(dǎo)等熱輸送理論為基礎(chǔ)計算了融雪量，推導(dǎo)了降雨期間和碧空天氣下流域融雪的物理方程。此后，對冰雪融水通過冰川的流動和冰雪融水的水壓開展研究。

1972年，J.威爾特曼研究冰川底部水流，發(fā)現(xiàn)冰下水壓是離冰下水道中心線的距離而變化的現(xiàn)象。J.F.奈、F.C.弗蘭克等深入研究了溫性冰晶粒間融水的滲透性。

1976年奈推導(dǎo)了充滿水的水道中非穩(wěn)定水流的四個微分方程式即融化速率與冰流動之間差異方程、水流動的連續(xù)方程、水的流動方程和能量方程。

70～80年代隨著新技術(shù)在冰雪學(xué)中的廣泛應(yīng)用，冰雪學(xué)研究進(jìn)展迅速，取得了新的成就，出現(xiàn)了冰雪學(xué)的專門論著，使冰雪學(xué)知識體系日益完整。

學(xué)科內(nèi)容冰雪學(xué)的內(nèi)容可歸納為：

①融雪徑流計算和預(yù)報，包括季節(jié)性積雪的產(chǎn)水量計算，融雪徑流對河流徑流的調(diào)節(jié)作用，融雪徑流影響因素和融雪徑流預(yù)報分析技術(shù)的研究。

②冰川表面、冰內(nèi)和冰床處的水流的研究，包括冰面消融與徑流的關(guān)系，冰面的產(chǎn)流、匯流過程研究；根據(jù)冰川補(bǔ)給河流的流量記錄，通過鹽、染料或其他示蹤物試驗及理論分析，對冰川內(nèi)部、冰床處排水系統(tǒng)和冰床處水的流動方式（R水道、N水道和層流）的研究；冰內(nèi)、冰下水壓的直接測定或理論計算；冰內(nèi)冰下空穴現(xiàn)象和溫性冰川晶粒間水的滲透性的研究。

③冰雪融水徑流的水文分析和計算，包括冰雪融水的形成、冰雪融水水文特征值的分布規(guī)律和流域水量平衡研究；冰雪融水補(bǔ)給河流的侵蝕作用、沉積物搬運(yùn)和堆積作用的研究。

④與冰雪學(xué)有關(guān)的專門的水文學(xué)問題，包括根據(jù)冰川變化研究過去氣候，冰川徑流的自然調(diào)節(jié)和人工調(diào)節(jié)，冰川阻塞湖潰決及其洪水形成機(jī)制，融雪洪水的形成理論與計算方法。

⑤與冰雪學(xué)研究直接有關(guān)的冰川、冰、雪的基礎(chǔ)理論研究，包括冰川、積雪的全球性空間分布規(guī)律及其在不同時間上的變化，冰雪的物理特性（溫度、運(yùn)動、變化）和力學(xué)特性， 冰川物質(zhì)平衡（積累與消融）機(jī)制，冰雪體內(nèi)相態(tài)變換，積累、消融的觀測與計算方法，冰雪消融的人工調(diào)節(jié)等。

分類冰雪學(xué)分為冰川水文學(xué)和雪水文學(xué)。

冰川水文學(xué)冰川水文學(xué)主要研究冰川的分布、形成和運(yùn)動、冰川融水徑流的形成過程及其時空分布、冰川突發(fā)性洪水的形成機(jī)制和預(yù)測、冰川水資源的利用。

雪水文學(xué)雪水文學(xué)主要研究積雪的數(shù)量和分布、融雪過程、融雪水對河流和湖泊的補(bǔ)給、融雪洪水的形成和預(yù)報。

研究途徑和手段冰雪學(xué)的研究途徑主要有如下幾方面：

數(shù)學(xué)物理途徑根據(jù)冰雪融水徑流及其影響因素之間的物理聯(lián)系，建立它們之間的定量關(guān)系，如用水量平衡法求各平衡要素之間的定量關(guān)系。

統(tǒng)計途徑基于冰、雪水文現(xiàn)象具有隨機(jī)性質(zhì)，根據(jù)大量的實(shí)測資料，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計和概率論，研究冰雪融水各個水文要素的統(tǒng)計規(guī)律。

地理綜合途徑根據(jù)冰雪水文現(xiàn)象具有地區(qū)性和地帶性的特性，分析各測站水文要素的地理分布規(guī)律，建立各種地區(qū)性經(jīng)驗公式，繪制各種特征值等值線圖。
此外，冰雪學(xué)還應(yīng)用模擬技術(shù)預(yù)報融雪徑流；應(yīng)用遙感技術(shù)，量測積雪面積，確定積雪深度，監(jiān)測冰川、冰川阻塞湖形成和預(yù)測變化動態(tài)等；應(yīng)用同位素技術(shù)研究古氣候變化，測定冰雪水樣的絕對年齡和冰川積累量；應(yīng)用雷達(dá)測量技術(shù)研究冰川內(nèi)、冰床處液態(tài)水的分布和流動，探測 大陸冰蓋下巨大的液態(tài)水體---冰下湖泊等。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

劉勇 - 副教授 - 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院