《Geosciences》：Investigating the Occurrence of Cracks in the Ice Cover of a Regulated River
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本研究探讨了拉布拉多丘吉尔河（Churchill River）冬季冰盖产生裂缝的原因，以及天气、河流流量、冻结条件和河床特征如何促发这些事件。利用2010年至2025年的数据和卫星影像，研究表明裂缝最常发生在12月至2月，此时大雪、快速流量变化或长时间寒冷期对
本研究探讨了拉布拉多丘吉尔河（Churchill River）冬季冰盖产生裂缝的原因，以及天气、河流流量、冻结条件和河床特征如何促发这些事件。利用2010年至2025年的数据和卫星影像，研究表明裂缝最常发生在12月至2月，此时大雪、快速流量变化或长时间寒冷期对冰盖施加应力。裂缝也频繁起始于冰层较弱的沙洲附近。结果强调，没有任何单一因素导致裂缝形成，而是雪荷载、温度、流量变异性与当地河流条件的共同作用决定了裂缝发生的时间和地点。研究还发现，裂缝与流量调控无直接关联，因为早在2015年大坝建设开始之前的2012年就已出现裂缝。此外，研究人员开展了一项野外调查，结合使用钻孔千斤顶（borehole jack, BHJ）测试和探地雷达（ground-penetrating radar, GPR）测量，量化了下丘吉尔河一段跨越两个沙洲的冰体强度与厚度的空间变化。研究人员在多个地点进行原位BHJ测量，以确定浮冰和接地冰条件下的受限压缩冰强度，揭示了与冰支撑条件差异及白冰与黑冰比例相关的显著局部变异性。利用500 MHz和1000 MHz系统进行的互补GPR剖面提供了冰体厚度和内部结构的高分辨率图像，能够识别接地冰与浮冰之间的过渡。综合BHJ–GPR方法使研究人员可以直接比较点尺度强度测量与空间连续的厚度和接地模式，结果表明接地冰及含较高比例白冰的冰体表现出更复杂的应力状态和更大的力学响应变异性。这些测量共同凸显了将地球物理勘测与原位力学测试相结合的重要性，以便更好地理解环境条件如何控制冰体完整性，并可能影响调控的亚北极河流沿线冰塞搁浅倾向。
**论文解读文章**
**研究背景**
在寒冷地区水文学中，冰盖形成是核心过程，特别是对于加拿大拉布拉多的丘吉尔河（Churchill River）等北部河流。冬季低温使得丘吉尔河形成大面积冰盖，但冰盖在冬季常因热力、水力和机械力的耦合作用而出现裂缝。这些冰盖同时也是偏远社区交通和资源获取的关键基础设施。裂缝事件最易发生在12月至2月，与极端寒冷和可变积雪时段重叠。气候变化可能加剧此现象：冬季升温缩短冰期并增加降水变异性，使暴雪集中于更短时间，进而增加冰期相关灾害风险。此外，沙洲等地貌控制因素被逐渐认为是冰盖裂缝的潜在起始点。当前存在的问题是：单一因素无法解释裂缝形成，需综合理解河流动量、累积冻结度日（cumulative degree-days of freezing, CDDF）、雪荷载阈值以及沙洲作为裂隙成核点对冰盖裂缝、冰塞搁浅倾向、冰塞洪水危害及预测能力的影响。先前研究已在斯莱夫河（Slave River）等河流中记录了类似现象，显示冻融期和中冬流量变化可导致水位波动、静水压力升高、冰盖抬升破裂。丘吉尔河受上游丘吉尔瀑布（Churchill Falls）和马斯克拉特瀑布（Muskrat Falls）水电站调节，可能发生快速流量波动，进一步影响冰体完整性。因此，需要开展系统研究以识别多变量耦合下的裂缝形成机制。
**研究内容与结论**
研究人员利用2010年至2025年的水文气象数据、卫星合成孔径雷达（synthetic aperture radar, SAR）影像，并结合2026年2月在下丘吉尔河两个沙洲间进行的野外调查（包括钻孔千斤顶（borehole jack, BHJ）测试和探地雷达（ground-penetrating radar, GPR）测量），分析了冰盖裂缝的时空分布。结论包括：（1）裂缝并非由单一条件引发，而是在多个应力同时出现时发生，如大雪积累、快速或高度变动的流量、持续严寒期，这些因素共同导致冰厚不均、内应力梯度及沙洲附近的局部接地；（2）雪荷载分析证实，当月累积雪深超过约127 cm阈值时，显著增加裂缝风险；（3）CDDF显示，高CDDF（如超过980°C-days）与热收缩应力相关，但单独高CDDF不足以引发裂缝，需与其他因素协同；（4）BHJ测试表明接地冰强度变动范围更大（8.76~18.9 MPa），且白冰（white ice）比例高的区域强度更低，浮动冰平均强度（15.6±2.2 MPa）略高于接地冰（15.3±2.6 MPa）；（5）GPR剖面揭示了浮冰与接地冰的过渡带，以及冰厚空间变化，裂缝易在沙洲附近的薄冰、弱冰过渡区起始。该研究发表在《Geosciences》。
**关键技术方法**（不超过250字）
本研究采用的关键技术方法包括：（1）水文气象分析：利用加拿大环境与气候变化部（Environment and Climate Change Canada, ECCC）的日径流数据、降雪和雪深数据以及日平均气温计算每月CDDF，分析2010至2025年冬季条件；（2）空间遥感：使用Sentinel-1、RADARSAT-1、ENVISAT和RADARSAT星座任务（RCM）的SAR影像，通过干涉相干损失和纹理异常手动识别裂缝；（3）原位力学测试：使用钻孔千斤顶（BHJ）系统在冰面下27~30 cm深度进行35次测试（14次接地冰、21次浮冰），记录压力-时间曲线并分类为4种破坏类型（本研究观测到全部为Type 2屈服破坏）；（4）地球物理勘测：采用500 MHz和1000 MHz探地雷达（GPR）沿沙洲间断面采集连续冰厚和结构剖面，与BHJ点尺度强度对比。样本数据来源为ECCC气象站（Happy Valley–Goose Bay）和C-CORE提供的卫星影像，未涉及人体或动物样本队列。
**研究结果**（保留各小标题，简要说明结论）
**4.1 冰盖裂缝年份**
通过SAR影像分析，发现裂缝出现在2011、2012、2018、2020年冬季（12月到2月），且多起始于浅水区及沙洲附近。例如，2020年12月18日Sentinel-1影像显示明显暗色线性裂缝。2017年2月一系列影像记录了裂缝从10日较少、15日增多到22日和27日广泛传播的过程，与沙洲接地导致垂直荷载不平衡和冰厚空间变化的机制一致。
**4.2 河流流量**
将每月流量分布与裂缝月份对比：2012年1月中位数约1900 m3/s且变异性低，但裂缝发生（归因于热收缩和雪荷载）；2017年2月同样低变异性但高CDDF引起裂缝。2020-2021年冬季（如2020年12月）流量大幅波动（中位数近4000 m3/s，IQR宽），水电调峰导致周期性抬升和剪切，引发裂缝。非裂缝月份流量稳定、变异性小。结果表明，流量本身不能单独预测裂缝，需结合冻融进程、雪荷载和冰盖结构性状态。
**4.3 降雪量**
每月总降雪量数据显示：2012年1月103 cm（接近127 cm阈值），导致裂缝；2019年1月175 cm（最高），与高流量和高CDDF协同引起裂缝；2020年12月145 cm，结合强烈流量波动引发裂缝。非裂缝月份降雪量大多低于127 cm。
**4.4 雪深**
月底雪深显示：2012年1月（145 cm）、2019年1月（200 cm）、2020年12月（137 cm）均超过127 cm阈值，对应裂缝。但2012年12月雪深较低却出现裂缝，归因于早期薄冰荷载。2017年2月雪深116 cm（低于阈值），但高CDDF增加脆性导致裂缝。某些月份雪深超过127 cm但未观测到裂缝，可能是前期裂缝已被湿雪掩盖或稳定流动条件未产生新裂缝。
**4.5 累积冻结度日（CDDF）**
裂缝月份中仅2012年1月、2017年2月、2019年1月、2021年2月CDDF超过980°C-days，表明热收缩应力贡献显著。而2020年12月CDDF仅约370°C-days，但裂缝由高流量变异性与雪荷载机械应力引起。2021年1月CDDF约671°C-days，进一步弱化冰盖。高CDDF月份若缺少其他不稳定因素则不出现裂缝。
**4.6 原位强度测量**
所有35次BHJ测试均为Type 2屈服破坏，平均破坏应力15.5±2.2 MPa。浮冰平均15.6±2.2 MPa，接地冰15.3±2.6 MPa（范围更宽，出现最低值8.76 MPa）。接地冰中白冰比例高导致局部弱化。应力速率与破坏应力正相关，但压入速率无系统关系。测试中观察到45°剪切平面和面外剪切破坏，尤其在接地冰区域（三维应力状态）。
**4.7 原位冰厚与雪深测量**
1000 MHz GPR雷达图显示浮冰与接地冰过渡带，接地冰区反射信号衰减、连续反射差。500 MHz雷达图提供更深穿透。结合BHJ数据，表明沙洲附近冰层较薄、强度较低且组成不均匀，过渡带应力梯度最大，促进裂缝起始与传播。
**研究结论**
（翻译原文结论部分）综合流量、降雪量、雪深、累积冻结度日（CDDF）以及2026年2月利用钻孔千斤顶（BHJ）测试和探地雷达（GPR）进行的野外调查，为评估下丘吉尔河冰盖裂缝是否指示更高或更低的冰塞搁浅倾向提供了框架。长期水文气象比较显示，裂缝并非在单一条件下发生，而是在多个应力叠加时出现，例如大雪积累、快速或高度变动的流量、持续严寒期，这些因素共同导致冰厚不均、内应力梯度以及沙洲附近的局部接地。降雪量和雪深分析进一步表明，高雪荷载（尤其超过约127 cm阈值）施加显著垂直应力，同时隔热并抑制冰厚增长，导致冰层更薄更弱，易受裂缝和溢水影响。野外调查揭示，沙洲沿岸的接地冰具有较高比例的白冰与黑冰之比。在冻结期，冰内冰（frazil ice，即白冰）被推向并接地于河岸带，而柱状冰（黑冰）在河道中心形成并漂浮。接地冰较弱，与浮冰形成应力梯度，裂缝可能在此处起始并扩展。这些接地区域经历更复杂的三维应力状态（频繁剪切破坏模式）。GPR剖面补充了浮冰与接地冰的过渡以及冰厚空间变化。综合BHJ和GPR数据表明，与接地冰和异质层理相关的裂缝更可能对应冰盖机械薄弱段，可能成为优先的冰盖破裂区域和冰塞搁浅点。综上，水文气象记录与原位力学及地球物理测量的比较表明，当裂缝从接地冰区、高雪荷载、大量白冰形成及重现应力循环的流量变异性共同作用下传播时，冰盖裂缝可能指示升高的冰塞搁浅倾向。本研究的综合方法表明，裂缝并非均匀危险，但当嵌入由BHJ测试和GPR测绘识别的机械薄弱背景中时，它们可作为丘吉尔河冰塞最可能起始和搁浅位置的有效指示因子。
