随着全球经济与科技的迅猛发展,寒区水利、水上交通、冰雪娱乐等对人民生产生活产生了极大的影响。我国北方地区江河湖泊和部分海域普遍存在冰冻现象,冰层的存在削弱了大气与水之间的物质和能量交换,对局部微气候和冰下水生态环境具有一定的影响,同时影响寒区水利与交通工程及冰雪娱乐活动的安全,情况严重时,会造成不同程度的冰灾害,对人类的生命财产安全产生威胁。因此,开展冰特征研究对冰环境和冰工程都具有重要意义。冰的内部结构和表面裂缝是冰自身基本的结构特征,冰的内部结构能够反映冰内部的“骨架”构造,决定着冰的热力学和光学性质,冰表面裂缝的基本特征是解释冰膨胀力和处理护坡冰推破坏的基础和关键。所以,本文针对黄河、乌梁素海和辽河沈阳石佛寺水库冰的内部结构特征和辽河沈阳石佛寺水库冰的表面裂缝特征开展了实验研究。本次研究在观测冰内部结构的基础上,利用多普勒流速仪和天然河道流速仪测量冰下流速,首次获得了冰下流速与冰晶体结构类型之间的关系,初步分析了冻结环境对冰内部结构的影响,并探讨了在不同晶体结构下,冰密度与冰内含泥量之间的关系。同时,本文还对辽河沈阳石佛寺水库的冰表面裂缝进行实验研究,初步探讨了地形地貌对冰表面裂缝的影响以及分形维数与冰表面裂缝密集度之间的关系。本次冰内部结构观测实验研究表明:(1)黄河不同采样点冰晶体结构沿深度方向的分布情况不同,单一的柱状冰和粒状冰较少,主要表现为粒状冰与柱状冰相互交替出现,而乌梁素海和辽河沈阳石佛寺水库冰晶体结构为稳定的柱状冰结构。(2)冰下流速对冰晶体结构类型具有一定的影响,冰层中柱状冰占整个冰层的比例随冰下流速的增大而减小,最后趋于稳定。(3)黄河各个采样点冰的等效粒径尺寸变化不同,这主要与冰晶体结构类型有关,粒状冰晶体等效粒径沿深度方向变化不明显,柱状冰晶体等效粒径沿深度方向逐渐增加,粒状冰与柱状冰交替出现的冰晶体粒径尺寸沿冰厚生长方向不断波动,但在同一根试样中,柱状冰的等效粒径始终大于粒状冰。而辽河沈阳石佛寺水库冰晶体等效粒径沿深度方向随冰厚的增加而逐渐增加,且比黄河冰晶体等效粒径平均尺寸大。(4)黄河冰晶体C轴分布情况不稳定,粒状冰晶体C轴取向为在空间上随机分布,但基本呈大圆环状,柱状冰的C轴取向几乎成水平排列,且方位角有两个优势排列区,黄河部分采样点C轴分布出现了扇形分布,表现出冰花冰的特点,说明黄河冰中不仅有粒状冰和柱状冰,还有冰花冰存在。而辽河沈阳石佛寺水库冰晶体C轴分布情况十分稳定,在水平方向上方位角始终有两个优势排列区,且沿深度方向,C轴的分布越来越集中,且冰的生长方向沿冰厚方向逐渐趋于水平。(5)辽河沈阳石佛寺水库冰层内部普遍存在3种典型的气泡形态,分别为:圆球状、脊椎状和线粒状。黄河冰内气泡含量和气泡等效的直径变化范围比辽河沈阳石佛寺水库大,但二者表层0-10cm的气泡等效直径均有逐渐变大的趋势,10cm之后,冰内气泡含量和等效直径总体趋势为均逐渐减小。但因冻结环境的影响,黄河局部采样点冰底层内气泡含量和气泡等效直径会突然变大。(6)黄河冰密度和冰内含泥量沿深度方向波动幅度大,不同采样点冰密度和含泥量变化范围不同,没有一定的分布规律。辽河沈阳石佛寺水库冰密度和冰内含泥量的变化范围相对黄河的冰密度和冰内含泥量变化范围小,且冰密度沿深度方向逐渐减小,但冰内含泥量沿深度方向波动幅度相对较大,同时,表层0-5cm的泥沙含量明显大于深度5-33cm的泥沙含量。(7)冰内含泥量是导致冰密度变化的原因,无论粒状冰还是柱状冰,其冰密度均随冰内含泥量的增大而变大,但粒状冰冰内含泥量相对柱状冰冰内含泥量大。本次冰表面裂缝观测实验研究表明:(1)地形地貌会对冰表面裂缝密集度产生一定的影响。(2)分形维数随着冰表面裂缝密集度的增大而增大。