冰（ice）
自然界中的水 ,具有气态、固态和液态三种状态.液态的我们称之为水,气态的水叫水汽,固态的水称为冰.冰的熔化热是3.35×10^5J/kg
水是一种特殊的液体.它在4℃时密度最大.温度在4℃以上,液态水遵守一般热胀冷缩规律.4℃以下,原来水中呈线形分布的缩合分子中,出现一种象冰晶结构一样的似冰缔合分子,叫做"假冰晶体".因为冰的密度比水小,“假冰晶体”的存在,降低了水的密度,这就是为什么水在4℃时密度最大,低于4℃密度又要减小的秘密.
到目前为止,已经能够在实验室里制造出八种冰的晶体.但只有天然冰能在自然条件下存在,其它都是高压冰,在自然界不易存在.
天然冰中水分子的缔合是按六方晶系的规则排列起来的.所谓结晶格子,最简单的例子是紧密地堆砌的砖块,如果在这些砖块的中心处代之以一个假设的原子,便得到了一个结晶格子.冰的晶格为一个带顶锥的三棱柱体,六个角上的氧原子分别为相邻六个晶胞所共有.三个棱上氧原子各为三个相邻晶胞所共有,二个轴顶氧原子各为二个晶胞所共有,只有中央一个氧原子算是该晶胞所独有.
冰与水
由于水分子间有氢键缔合这样的特殊结构所决定的.根据近代X射线的研究,证明了冰具有四面体的晶体结构.这个四面体是通过氢键形成的,是一个敞开式的松弛结构,因为五个水分子不能把全部四面体的体积占完,在冰中氢键把这些四面体联系起来,成为一个整体.这种通过氢键形成的定向有序排列,空间利用率较小,约占34％、因此冰的密度较小.
水溶解时拆散了大量的氢键,使整体化为四面体集团和零星的较小的“水分子集团”(即由氢键缔合形成的一些缔合分子),故液态水已经不象冰那样完全是有序排列了,而是有一定程度的无序排列,即水分子间的距离不象冰中那样固定,H2O分子可以由一个四面体的微晶进入另一微晶中去.这样分子间的空隙减少,密度就增大了.
温度升高时,水分子的四面体集团不断被破坏,分子无序排列增多,使密度增大.但同时,分子间的热运动也增加了分子间的距离,使密度又减小.这两个矛盾的因素在4℃时达到平衡,因此,在4℃时水的密度最大.过了4℃后,分子的热运动使分子间的距离增大的因素,就占优势了,水的密度又开始减小.
河冰
黄河流域是中华民族的摇篮,孕育了华夏五千年的文明.但是黄河带给我们中华民族的不全是好处,黄河洪水和冰害经常掠去两岸人民的财产和生命.
远在公元前四百多年,对于黄河的冰情,已有详细的记载：“孟冬之月,水始冰,地始冻.仲冬之月,冰益坚,地始坼.季冬之月,冻方盛,水泽腹坚,命取冰,冰以入.孟春之月,东风解冻,蛰虫始振,鱼上冰.”这是世界上最早的有关结冰、封冻和解冻的冰情文字记录.
冰情观测
对冬季河流冻结作冰情观测,是水文工作者的日常工作.河水在冻结过程中会出现多种多样特殊的冰情,记载并研究这些冰情,对于防治河冰灾害有重要意义.-条河流,从开始结冰,河面封冻,一直到解冻,有哪些主要的冰情呢?
冰凇——漂浮在水中的针状或薄片状透明的冰晶,在水面或水中形成.冰晶多半聚集成松散易碎的团块.
棉冰——落在水面的雪聚集而成,好像浸湿了的棉花,-点点或一片片漂浮着.
岸冰——河流两岸冻结成的固定冰带,分为初生岸冰,固定岸冰和冲积岸冰三种.
水内冰——水中生长的冰,可以在水面、水中和水底同时生成,是一种海绵状或饭团状多孔而不透明的冰体,有些近似于浸透了水的雪.
冰花——浮在水面的水内冰.
冰礁——固结在河底的小冰岛,由水内冰堆积,或者与棉冰,冰凇和冰花等结合而形成,能迅速地从河底增长到水面.水内的冰礁不结实,长到水面后就冻结得很紧密.
流冰——河中漂流着的冰块,春季流冰对水上建筑物威胁很大.
冰坝——流冰在河道狭窄或浅滩处堆积起来,阻塞住整个河流断面,象一座用冰块堆成的堤坝.冰坝往往使河流发生严重阻水,抬高水位,对河堤造成威胁.
冰堆——由冰挤压而冻结在一起的冰块,有时分布在冰层表面,有时出现在岸边.
冰裂——气温和水位的剧烈变化,使冰盖上出现的裂隙.
冰塞——封冻冰层下面的河道,被冰花和碎冰临时阻塞.冰塞缩小了河流过水断面,使上游水位被迫提高,甚至高于洪水位,也会造成严重事故.
清沟——冻结的河道中的一段没有冻结的河段.清沟是由于暖的地下水或污水排人、或急流处不易封冻而形成的.小的清沟好像裸露的洞穴,所以也称为冰穴.清沟下能生成大量的水内冰.
冰丘（冰锥）——封冻冰层中发生裂缝,河水从缝中冒出来冻结而成.冰丘的冰也叫冒水冰.
连底冻——河流断面全部冻缩.
冰层浮起——岸边融冰或水位暴涨时,封冻冰层不碎裂而浮于水面.
冰滑动——封冻河流开河前冰层向下游滑动-段距离后又停滞下来,往往给河床堤岸以很大的破坏.
冰凌堆积——春季淌凌时河道断面被冰凌局部阻塞.冰凌堆积严重,往往形成冰坝,对河堤有相当危害.
根据一条河流的冰情观测资料,就能够绘制出该河的冰情图来,这是河流水文的基本资料之一.
河水是怎样结冰的?
我们在课本上学到,当温度降到0℃时水就会变成冰.但实际情况并非如此简单.一方面自然界中的水不是纯净的水,里面溶解了很多物质,水的凝固点降低,水需在0℃以下才能冻结；另一方面,当温度刚好由零度以上降到0℃时,水是不会结冻的,因为结冰时放出的潜热很大,如果正好是冰点,刚生成的冰晶又会很快融化掉.所以,一般温度在零度以下河水才出现冻结现象.
静水结冰需要较甚的过冷,实验室里曾经记录到蒸馏水过冷到-20℃还不见冰晶出现的数据.一般静水冷却到4℃后,水面继续降温,仅能使表层发生冷却,底层在较长时间里还是维持在4℃的温度,所以静水冻结是从水面开始的.
初冬时节河流淌凌是河流开始结冰的最初阶段.河水是汹涌流动的,流水结冰过程与静水很不相同.流水由于处在流动状态,紊流扰动强,不仅表层冷却迅速,就是底层也同时降温,水面和水内几乎可以同时结冰.大多数研究者认为,河流结冰是同时在水面和水中发生的.理由是河流混合作用强,在结冰前河水上下都能达到大体相同的温度,只要有结晶核,就可以在任何地方开始结冰.底冰的存在证明了这种理论的可能性.
河流封冻有二种情况.一种是从岸边开始,先结成岸冰,向河心发展,逐渐汇合成冰桥,冰桥宽度扩展,使整个河面全被封冻.还有一种是流冰在河流狭窄或浅滩处形成冰坝后,冰块相互之间和冰块与河岸之间迅速冻结起来,并逆流向上扩展,使整个河面封冻.
冰凌——河流解冻
当大地回春,气温升高的时候,河流里的冰开始化解,分解的冰块随着河水向下流动,河流开封.但是并不是所有的河冰都这样斯斯文文地解冻,让河流顺利开河,有时候解冻来得很快,特别是气温猛升或水位暴涨,大块冰凌汹涌而下,这样就容易造成冰凌.科学家们给这两种河流开河方式起了很有趣的名字,对于慢慢的解冻的开河方式叫“文开”河,对于迅速解冻容易引起冰凌的开河方式叫“武开”河.
由南向北的河流特别容易发生武开河.当上游已是春光明媚,下游还是冰封千里的时候,融水带着冰凌顺流而下,时而阻塞,水位抬高,时而溃决,横冲直撞,使下游冰层遽然胀破,于是形成巨大的冰排,向下猛冲,对桥梁堤坝危害严重.冰凌对桥墩威胁最大.春季淌凌时出现大冰排威胁桥墩时,需要用飞机或其它措施把冰排炸碎.
由冰凌壅塞引起的暂时涨水,叫做凌汛.黄河上游从宁夏到内蒙的河套段和下游在山东入海的地方,由于河段北流,经常出现凌汛.凌汛期间易出险情,一是凌汛来势猛烈,二是地冻未消,取土抢险困难.据统计,解放前,黄河改道后的百余年间,仅山东境内因凌汛决口就有35次之多,给沿岸人民造成很大的损失和痛苦.
