2.2 与冰塞形成及演变有关的冰情
2.2.1 水内冰形成及演变
水内冰是由冰晶发展演变而成的。当水体过冷却且水体中存在冰晶核时，便会形成冰晶。在静水中，由于水体的对流作用，水表温度低于水底温度，当水表温度低于0℃时，聚积在水表的水分子便释放出潜热而凝结成冰晶。冰晶停留于水表面，在空气的影响下，冰晶黏结，形成薄冰层。随着气温的进一步降低，冰层继续增厚，成为盖面冰层。
在天然河道内，水流一般处于紊动状态，冰的形成与静水中冰的形成有很大的区别。由于水流的紊动，整个水流断面的温度可同时均匀降低至0℃，在全断面的任何地方都可能出现冰晶，称为水内冰晶。随着温度继续下降，水内冰晶尺寸增大，数量增多，同时经水流的混合混掺作用，初成冰晶互相黏结聚集，逐渐发展为各种尺寸及形状的水内冰。水内冰是封冻期各种河冰现象的起源，在河流的冻结过程和冰塞的形成及演变过程中起着重要的作用。悬浮于水中的水内冰、薄冰和破碎的岸冰统称为表面冰花，附着在河底或其他水下物上的水内冰称为锚冰或底冰。随着锚冰体积的增大，其上浮力大于与河底的黏着力时，锚冰也会向上漂浮而成为表面冰。
2.2.2 冰输移和冰盖形成
冰颗粒的尺寸增大后，浮力的增加可克服水流的混掺作用，河道中将出现高浓度的表面冰层。在与周围水体发生热交换和输运的过程中，表面冰层中的一部分将发展成冰盘。由于悬移在水中的水内冰的进一步聚集、孔隙水的冻结和热力加厚，冰盘的尺寸和强度加大。在向下游的运动过程中，冰盘可能继续发展而成为具有较大尺寸的浮冰块，也有可能在急流的情况下破裂，而成为破碎的冰块。
随着气温的下降，冰花、冰块越来越多，其密度越来越大，形成流冰。当流冰达到一定的密度，大量的流冰便会在急弯、险滩或在由于岸冰向河中延伸而使敞漏水面束窄的地方卡堵形成冰桥，后续的流冰由于受到冰桥的阻滞作用而驻留在冰桥的上游，并随着气温的下降冻结形成冰盖。
一般认为，若河道中没有障碍物的存在，冰块卡堵和冰盖出现的地方应该是冰流量大于河段输冰量的河段。其中冰流量表示为
在实际应用中，一般采用临界流冰密度Cic判断河段是否形成冰盖，当流冰的密度大于临界流冰密度时，便形成冰盖。Nuttall［68］曾用这种方法来确定发生冰盖的地点。假设冰块流速vi不受冰块之间相互碰撞的影响，满足
将式（2－2）代入式（2－1）得到流冰密度为
从式（2－3）可以看出，随着冰流量的加大和敞露水面宽度的减小，流冰发生阻塞的可能性加大。Ackerman和Shen［69］对冰水混合物之间因碰撞产生动量交换而引起的剪切力进行了分析，得出临界流冰密度Cic约为0.7。
Calkins和Ashton［70－71］采用平行六面体模拟冰块的形状，在水面上设有障碍物的试验水槽中进行试验，得到模拟冰块的卡塞条件为
2.2.3 冰盖厚度热力增长与消融
河道中形成稳定冰盖后，冰盖层中发生的热交换使冰盖中的充水孔隙由冰盖上表面开始朝下冻结，冰盖厚度发生热力增长。春天来临，或在冬季暖流期，冰盖发生消融。冰盖的增长和消融对河道的水力特性及冰盖下冰塞体的演变均产生影响。
计算冰盖厚度的热力增长和消融一般有两种方法。一种是根据系统热交换过程推导的纯理论法；另一种是半经验法，称为度·日法。
2.2.3.1 理论法
理论法将河道作为由大气、冰和水体组成的一个完整封闭系统，根据热交换理论，考虑详细能量交换过程来研制冰厚变化模型。该方法需要输入水温记录资料和详细的气象资料。冰盖内一维热传导方程为
对于冰盖上表面，有
对于冰盖下表面，有
联立式（2－5）～式（2－7）可以求得冰盖中的温度分布以及冰盖的热力增长和消融，但计算比较复杂。如果假定冰盖中温度呈线性分布，则式（2－5）变为
由式（2－6）～式（2－8）得到
因此，在给定时段Δt，冰盖厚度的变化为
2.2.3.2 度日法
河流封冻后，冰盖厚度的增长主要取决于气温，如果对冰盖厚度的增长速度与累积负气温建立单因素关系，则冰厚计算公式为
为简便起见，一般用气温代替冰面温度，同时考虑冰面积雪、风、流速、日照等因素的影响，常写为
2.2.4 春季开河
当气温转正，特别是白天气温较高时，积雪和冰盖表面开始融化，融化的水渗入冰层，逐渐改变冰盖下层结构。另外水温也开始回升，于是冰厚逐渐变薄，冰层开始解体，河流进入开河期。开河有文、武之分；如果流量保持相对稳定，冰盖就地融化，俗称文开河，其特点是水势平稳，没有集中流冰，不会造成危害；当冰盖尚未充分解体，由于水力因素突变，冰层被迫鼓开，俗称武开河，其特点是流量骤增、水位变化迅猛，流冰量大而集中，冰质坚硬，容易形成开河冰塞或冰坝，造成灾害。冰盖破裂后，如果水位进一步升高，则将出现流冰现象。流冰块与静状冰盖碰撞时又将产生新的碎冰。流冰在向下游发展的过程中，随着冰塞体的形成和释放，将出现反复流冰现象。
由于太阳短波辐射，有可能使冰盖在气温回升至0℃前消融。太阳辐射进入冰盖内部后，引起冰盖内部融化，使得冰盖失去结构上的完整性，从而引起冰盖强度减小。冰盖强度的减小是形成武开河的一个重要因素。Parkinson［72］曾对冰盖出现横向裂缝及冰盖破裂成碎冰块现象进行了观察研究。Daly［73］将水动力学方程和冰盖方程耦合进行线性化扰动分析，对由水波引起的间距较密的横向裂缝进行研究。
Beltaos［74－75］认为开河一般从冰盖由岸边脱落开始，然后冰盖层中出现间隔较大的横向裂缝。当某一河段出现持续的流冰运动时，这一时刻为开河的起始时间。他根据河道中是否存在允许出现大面积流冰运动的几何边界约束给出了预测开河时间的经验方法。