1 引 言
近40年来，随着气候持续变暖和人类活动增强，高寒地区水文气象条件与下垫面特征发生了深刻改变，导致积雪范围萎缩、各类冰体融化和冻土退化等，显著加速了陆地固体水库相态转换与失稳。因此，高寒地区地表—地下水系统的空间格局和交互过程及其补给—径流—排泄途径发生变化，对区域生态水文过程、水资源数量及其时空分布特征，以及社会可持续发展等均产生了广泛而深远的影响。过去已针对冰川、积雪和地下冰等高寒地区水文要素的变化及影响开展了大量研究［1-9］，但对冰椎形成演化及归因的研究相对较少。冰椎作为高寒冻土区一种特殊的水文地貌景观，对河川径流、植被生长、滨河湿地生态和生物地球化学循环等具有重要的调节作用，是高寒地区和陆地多时相固体水库不可或缺的组成成分［10-14］。为冰椎形成提供水源的泉水，在特定情况下还是高寒偏远地区重要的淡水资源［15］。另外，冰椎巨大的冰体在春季融化期阻塞河道，引发破坏性洪水，损毁道路、桥梁、隧道和涵洞等基础设施，造成严重的工程地质灾害［16-17］。
冰椎是河湖水、泉水或地下水反复溢出河道所覆冰层或已冻地表后在低温条件下冻结形成的层状、片状和幔状冰体［11，13，18］，又称涎流冰、溢流冰和冰丘［19-20］。在国际学术界，源于德语的“aufeis”一词是使用最广的术语，常指所有形式的冰椎，国际冻土协会（International Permafrost Association，IPA）将其标准术语定为“icing”［21］。为求精确，Ensom等［13］建议以“icing”指代其形成的物理过程，而以“aufeis”指代由此形成的冰体地貌。在俄语中，冰椎通称为“наледь（naled）”，而雅库特语术语的“taryn”特指俄罗斯东北部的巨型多年生河冰椎［22］。
图1 冰椎和冻土研究关键词共现网络该网络基于Web of Science数据库检索的91篇文献，以多年冻土（permafrost）为主题（包括诸如冰椎和地下水等关键词），利用bibliometrix软件包（R v4.3.2）分析了冰椎关键词的关联。 Fig. 1 Keyword co-occurrence network of aufeis （icing） and permafrost research This network is generated from 91 publications retrieved from the Web of Science database， using bibliometrix （R v4.3.2） to analyze keyword co-occurrences. The analysis specifically highlights themes related to permafrost， including keywords such as aufeis （icing） and groundwater. |
2 冰椎形成与分布
2.1 冰椎分类
2.2 形成过程与影响因素
表1 河冰椎与河冰异同点对比Table 1 Comparison of river icings and river ice |
| 特征 | 河冰 | 河冰椎 |
|---|---|---|
| 物源 | 自然界原位冻结的水体 | 地下水、泉水或河（湖）水 |
| 形成机制 | 水体直接冷却至冰点以下结晶 | 水体受压涌出到冻结地表或冰面后逐层冻结 |
| 形态特征 | 随水流条件变化，形态多样，如薄冰、冰花、盘冰、底冰（或锚冰）和岸冰等 | 通常为巨大、隆起、分层的冰丘或冰坝，可呈锥状、层状和幔状 |
| 规模 | 从薄层冰面延伸覆盖至整个河面 | 可覆盖数平方公里，厚度可达数米至十几米 |
| 分布位置 | 广泛分布于河流任何水体（水面、水体内部）或岸区（河岸、岸边） | 常见于地下水或泉水露口，河流浅滩、分叉口或冰塞易发区，有时延伸至河岸泛滥平原 |
| 水文影响 | 影响水流速度、水位，形成冰塞或冰坝，改变水流路径 | 形成时阻塞水流，融化时为河流提供重要的淡水补给，影响地下水—地表水交互 |
| 存在周期 | 随冻结期到来自然形成，春季融化 | 贯穿整个冬季甚至更长，可延续至夏末，融化较慢 |
冰椎形成是一个独特的水—热—力多场耦合过程，其核心机制是承压—溢流—层状冻结［34，39］。以河冰椎的形成为例，冬季河道封冻或地表冻结后形成一个相对不透水的屏障［40］，而在其下方仍有基流或地下水持续运移，由此冰面下或冻土层内静水压力不断累积。当静水压力超过上覆冰面或冻土的强度时，承压水便通过裂隙或薄弱点涌出地表形成溢流，并在寒冷空气中迅速冻结形成新的冰层［13，37，40］。随着水源持续补给，上述过程在整个冬季反复上演，新的冰层叠加在旧的冰层之上，最终形成多层层理构造明显的巨大冰体（图2）。而在其表面，由于局部承压水强烈上涌或冰内压力空腔，还常发育冰丘（icing mounds）和冰疱（icing blisters）等微地貌［12-13，26］。冰椎规模大小不一，大型冰椎高度可达数米乃至数十米，覆盖面积达数平方公里，因而会对高寒冻土区的河流水文情势、地貌演变及工程设施等产生显著影响［16-17，19，27］。
图2 黄河源区河冰椎及其影响（照片由罗栋梁摄于2024年5月14日和16日）（a）沿214国道滨河湿地冻融侵蚀加剧；（b）冰椎导致扎陵湖南汤岔玛附近小桥受损。 Fig. 2 Impacts of river icings in the headwater area of the Yellow River （photos were taken by Luo Dongliang on May 14 and 16， 2024， respectively） （a） Exacerbated freeze-thaw erosion of riparian wetlands along National Highway G214； （b） Damage to a small bridge near Tangchama， south of the Gyaring Lake. |
2.3 冰椎分布
冰椎作为高寒冻土区一种典型的水文地貌现象，广泛分布于北半球，其中河冰椎遍布于阿拉斯加、西伯利亚和加拿大等北极亚北极地区的大河流域［15，32，41-42］。在我国东北兴安岭和青藏高原较宽的河谷地带，由于具有与北极亚北极相似的低温条件［38，43］，在泉水、地下水和基流补给下，也普遍发育河冰椎［10，12，33，40］。通常而言，高纬度地区因河道宽广，河冰椎规模更大。由图3可知，青藏高原东北部高海拔地区的河冰椎规模远小于俄罗斯高纬度地区。近期有研究显示，俄罗斯西伯利亚东北部因迪吉尔卡河流域，河冰椎总面积达1 287 km2，其中著名的Bolshaya Momskaya冰椎面积超过82 km2［11］。相比之下，高亚洲地区的冰椎规模相对较小。有研究表明，上印度河盆地72%的冰椎面积小于0.05 km2，最大也仅为9 km2，且多集中发育在海拔4 000~5 500 m的特定高程带内［10］。尽管单个河冰椎面积不大，但受复杂地形影响，它们常在河谷地带横向扩展，从而覆盖大部分洪泛区。
图3 利用Landsat-8 OLI遥感影像提取的2013—2017年河冰椎空间分布（a）基于RDRI指数（红波和近红外波段反射率之差除以近红外和短波红外波段反射率之和）［44］提取的青藏高原东北部2~4月河冰椎分布；（b）基于NDSI指数（绿波和短波红外波段反射率之差除以绿波和短波红外波段反射率之和）提取的西伯利亚因迪吉尔卡河流域5~6月河冰椎分布。 Fig. 3 Spatial distribution of river icings in 2013-2017， extracted from Landsat-8 OLI images （a） River icings distributed in the northeastern Qinghai-Xizang Plateau from February to April， extracted using the RDRI index （difference between red and near-infrared band reflectance divided by the sum of near-infrared and shortwave-infrared band reflectance）［44］； （b） River icings distributed in Indigirka River northeast Siberia， from May to June， extracted using the NDSI index （difference between green and near-infrared band reflectance divided by the sum of green and shortwave-infrared band reflectance）. |
冰椎的形成与分布受一系列气候与环境因素的综合控制［11］，尽管在宏观上均由低温条件驱动，但因区域不同，其形成机制、分布特征及规模差异明显［45-46］。在地质与地形方面，断层和节理发育的基岩以及高渗透性地层为地下水运移提供了优先通道，而平缓开阔的河谷地形有利于溢流水体的铺展，为大面积河冰椎的形成提供了有利条件［47］。在上覆物的结构方面，已冻河床和地表作为不透水层，是形成承压水的关键，而融区特别是贯穿式融区为深层地下水上升至地表创造了条件，是许多冰椎尤其是泉冰椎的主要水源通道［13］。在水文气象方面，秋季降雨和冬季气温波动是冰椎规模年际变化的重要驱动因子，充足的秋季降水能有效补给地表和地下水系统，从而为冬季基流的持续提供水源，这直接决定了次年春季河冰椎的发育规模［13，46］，而冬季的短暂增温或急剧降温则是触发溢流的重要诱因［47］。
3 冰椎研究方法
冰椎的研究经历了从传统方法到现代多技术集成的演进，主要涵盖野外实地勘查、遥感监测和地球物理探测3个层面。
3.1 野外勘查与测绘
早期冰椎研究主要依赖野外实地勘查和航空影像解译［37，46］。野外实地调查是获取冰椎形态、物质组成及形成过程等一手资料的基础。由Simakov等［48］完成的《苏联东北部冰椎分布图》及其配套名录，基于航片解译和实地调查报告，记录了超过7 400个冰椎的信息，是苏联也是全球首个大范围冰椎的调查成果，为后续研究提供了范例。同样，Markov等［49］通过长期野外工作，系统调查了1976—1983年东西伯利亚南部针叶林山区的冰椎分布。自1962年研究人员就通过布设标尺等传统方法对位于俄罗斯Anmangynda河谷河冰椎的面积、体积和冰厚等形态参数，及其形成和消融过程进行了持续监测，该站点也因此成为全球极少数对河冰椎进行长期和系统定位观测的站点之一［37］。当前，野外调查手段已大为丰富，高精度全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）和无人机遥感等的应用，可高效精确地获取冰椎的三维形态体积变化。
3.2 大范围动态变化遥感监测
随着卫星遥感技术的发展，特别是长时序中高分辨率Landsat和Sentinel等系列卫星遥感影像的大量积累，冰椎研究从零散的定点勘查转为大范围的动态监测［40，50］。早期的冰椎遥感监测主要基于对航片或卫星遥感影像的目视解译和数字化提取其分布边界［15，51-52］，这种方法目前在小范围应用中仍具价值。通过对遥感影像的长时序分析，研究人员不仅能绘制冰椎区域分布，还可揭示其在气候变化背景下的动态变化。合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar， InSAR）技术因能穿透云层且不受光照限制，被用于冰椎生长的微小形变监测，尤其适用于冬季或多云地区，但目前其在复杂地形区的应用仍受几何畸变等因素限制［27，40］。此外，当前基于卫星遥感影像对形态、面积、体积和厚度等冰椎主要几何性状的解译精度仍较低［12］。
为了实现更高效更客观的自动化提取，研究人员利用冰/雪在可见光（如绿光波段）的高反射率和短波红外波段（Shortwave Infrared，SWIR）的强吸收特性，构建了基于光谱指数的冰椎提取方法［11］。其中，归一化差分积雪指数（Normalized Difference Snow Index， NDSI）可有效区分冰雪与裸地，是应用最广的冰椎提取指标。例如，Makarieva等［11］基于NDSI，利用Landsat影像并结合历史调查资料和地形图，编绘了俄罗斯因迪吉尔卡河流域的河冰椎空间分布图。同样，Brombierstäudl等［10］基于NDSI，利用2010—2020年的Landsat光学遥感影像和野外调查资料，编绘了青藏高原印度河上游的河冰椎空间分布图，并解析了其与地理要素的关系。为进一步从背景地物中精确分离冰体，Morse等［46］先通过归一化差分水体指数（Normalized Difference Water Index， NDWI）制作水体掩膜，再提出最大差分指数（Maximum Difference Ice Index， MDII），最后形成了一套更为稳健的半自动化提取流程。然而，基于固定阈值的指数法难以处理有残雪、云影或复杂地表覆盖的影像。为此，基于遥感影像的冰椎提取开始引入机器学习算法。例如，Brombierstäudl等［40］采用随机森林分类对Landsat和Sentinel-2影像进行训练和分类，从而显著提升了复杂条件下河冰椎自动识别的准确度。
3.3 冰下结构的地球物理探测
4 冰椎的水文生态及灾害效应
冰椎的形成、发育和消融过程对高寒冻土区水文水资源的调节、高寒生态系统的支持以及冻土工程安全运维3个方面具有重要影响。
4.1 冰椎是季节性固定水库
冰椎作为高寒冻土区广泛发育的冰体，是重要的季节性“固体水库”，对区域水文过程和水资源年内分配起着关键调节作用。其核心水文功能在于捕获并储存冬季河道基流和地下水径流，从而减缓这些水资源在冬季的流失速度［13］。以固态形式储存的冰椎在春夏季融化后为河流提供了稳定补给，从而调节流域年度水量平衡及其季节分布。河冰椎融水对年径流量的贡献率通常为3%~7%，但在河冰椎极为发育的流域其贡献率会大幅提升，如育空地区的弗斯河上游约为12%，俄罗斯的因迪吉尔卡河超过11%，还有的甚至高达25%~30%［11，13，25，55］。在部分不连续多年冻土区，河冰椎冰量可占整个冬季（12月至次年3月）径流量的40%［38，55］。
4.2 冰椎是高寒冻土区独特的生命绿洲
4.3 冰椎引起的工程灾害
冰椎是高寒冻土区一种常见的地质灾害现象，其形成和消融会对冻土工程构成多重威胁。春季融水期间，巨大的冰椎如同冰坝一样堵塞河道，导致上游水位急剧壅高，引发溢岸洪水，甚至迫使河流改道。冰体堵塞涵洞所形成的冰害是寒区道路维护中非常普遍的问题。春季融水沿着路面或裂缝渗入路基，导致道路翻浆，严重影响交通［19］。此外，冰体生长和融化还引起地面反复冻胀和融沉，降低地基稳定性［16］。在冰椎形成过程或消融时溢出的水流侵蚀河岸或路堤，破坏土地和基础设施，造成道路、桥梁、隧道和涵洞等构筑物结构性损坏（图2）。Daly等［26］详细记录了阿拉斯加Jarvis Creek河冰椎融化导致的面积军事训练区被洪水淹没事件。
5 冰椎研究的问题与挑战
5.1 冰椎形成与演化的物理机制
以往研究多聚焦于大型冰椎［36-37］，对其形成条件，如水文气象、地形地貌和水文地质等已有较系统的认识；而野外调查发现小型冰椎普遍发育，但对其形成演化物理机制的认识仍不够深入。Turcotte等［31］强调，尽管已知水的供应、热量损耗和冰自身的物理性质是冰椎形成的决定条件，但各因素间具体的物理力学作用尚未完全明确。此外，针对冬季短暂增温事件触发冰下增压并溢流的水—热—力耦合过程，仍缺乏定量的物理描述［13，46］。例如，冰椎形成过程中，地下水头波动与气温变化之间的关系仍未得到合理解释［38］。因此，未来应结合野外原位观测、室内低温模拟和数值模型等多种手段，系统研究水、冰、雪、气在冻结河床或饱水多孔介质中的相互作用，特别是承压水的形成、运移和相变过程，以构建耦合热传导、流体动力学和冰体相变过程的综合数值模型。Ensom等［13］也强调，整合河冰椎模型与流域水文模型是冰椎未来研究的关键方向。
5.2 融合AI与多源数据的冰椎反演
通过融合多源数据和AI技术，突破传统遥感技术在冰体厚度探测和复杂地表解译上的局限性，最终实现从二维形态识别向三维动态定量监测的跨越，这是冰椎研究的前沿方向之一。在冰椎精准分布提取方面，可在传统光谱指数法的基础上，进一步发展卷积神经网络（Convolutional Neural Networks， CNNs）等深度学习模型，通过自主学习深层次的纹理和光谱特征，实现从海量遥感影像中自动、精准地提取冰椎边界。在三维体积定量反演上，未来可融合不同尺度的数据，以无人机或探地雷达在典型地区获取的精确冰厚数据作为“真值”标签来训练深度学习模型，使其能自主学习并建立遥感影像特征与冰体厚度之间的复杂非线性关系，进而实现大范围冰椎冰储量的遥感估算。在冰下水文地质结构认知上，将遥感反演结果与GPR、ERT和NMR等地球物理方法探测结果相结合，并融入耦合物理过程的数值模型，以揭示其系统的形成与演化。最终，集成这些由AI驱动的多源数据融合与模型同化技术，建立一个标准化的、可动态更新的全球冰椎四维时空数据库。
5.3 冰椎变化的生态与环境效应
探究冰椎变化的生态与环境效应也是冰椎研究的前沿方向之一。冰椎动态对水文过程的影响，及其对地貌、生物地球化学和生态系统的级联效应，其作用机制和程度在景观尺度下仍亟待阐明［13］。具体而言，未来研究需关注以下几个层面： 河道地貌动力学方面，河冰椎的反复冻融及由此可能引发的水流改道，如何影响河道形态、岸坡稳定性和沉积物输运过程？厘清这些关键的物理过程是理解其后续环境效应的基础。 生物地球化学方面，冰椎融水在输移过程中会携带大量的溶解性有机碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）与土壤养分，其释放通量、时机与路径如何调控区域的生物地球化学循环？这也是一个核心科学问题。上述物理和化学过程的综合作用将直接影响高寒生态系统。例如，尽管已知河冰椎是冷水鱼类的关键越冬栖息地，并为驯鹿等大型哺乳动物提供夏季“冷岛”以躲避蚊虫，但其融水对河流水化学、热状况以及下游水生生物群落结构的定量影响，仍需深入评估。
5.4 河冰椎的演变趋势与风险预测
河冰椎对全球变暖的响应呈现出明显的复杂性与不确定性。一方面，多年冻土退化、冬季基流增加和极端天气事件频发，预计将造成部分地区大型河冰椎的规模缩减、发生率降低［22，59］。据估计，不连续和岛状多年冻土的退化将导致冰椎数量和面积锐减，甚至可能消失殆尽［13］。这会直接影响其作为固体水库的水文功能和作为庇护所的生态功能。另一方面，冬季“雨夹雪”事件的增多和更频繁的冻融循环，也可能在特定区域诱发形成新的或更不稳定的冰椎，对高寒地区的道路、桥梁、隧道和涵洞等构筑物构成长期威胁［57-58］。因此，采取切实有效的措施减少冰椎带来的危害迫在眉睫。我国的相关研究长期聚焦于高寒冻土区构筑物周边的冰椎灾害防治［16-17，19］。当前研究存在2点不足：首先，尽管已知气温和降水是主控因素，但气候变化如何影响冰体的物理结构与力学性能尚不明确［13-14］；其次，现有研究多聚焦于冰椎灾害对基础设施和交通的影响与防治［14，17，33，45，57-58］，而其对区域水文水资源系统性影响的研究则相对薄弱。
未来研究应通过长期观测和多物理场耦合的数值模型相结合，定量解析不同气候驱动因子对冰椎物质与能量平衡的相对贡献。同时，在深化机理认知的基础上，建立更科学合理的冰椎灾害预警模型，提高对冰椎灾害的预测和防范能力： 评估不同气候情景下冰椎融水对河流水文径流变化的贡献，为高寒冻土区水资源管理提供科学依据； 结合水文气象数据，精准预测冰椎灾害的时空分布与风险等级，为基础设施安全与防灾减灾提供决策支持。
6 结 论
冰椎作为一种独特的水文地貌现象，既是维系高寒生态系统的关键组成，也是影响高寒冻土区区域水资源与工程安全的重要因子。本文综述了冰椎的研究现状与挑战，展望了未来前沿研究趋势。主要结论如下：
（1）现有观测数据揭示，全球变暖正导致冰椎普遍退缩，其面积与存续时间均呈显著缩减趋势。这一变化威胁到其作为高寒冻土区固体水库的水文调节功能和关键的生态维系功能。
（2）未来的研究需从二维的形态监测向三维的体量与结构反演转变。这要求深度融合大范围卫星遥感、高精度无人机勘测与地球物理探测技术，并借助AI技术实现对冰椎冰体三维体积及其下方水文地质系统的精准解析。
（3）实现精准预测的根本在于深化对冰椎形成演化机制的认知，阐明冰—水—土—热的多场耦合过程。基于此构建并验证综合数值模型，量化冰椎变化对流域水文、生态、地貌及工程安全的影响。
（4）借鉴国际冰川编目的成功经验，未来应建立一个标准化的全球冰椎动态数据库，实现长周期、大范围的有效评估与预测，为寒区生态保护、水资源可持续管理和区域发展决策提供关键的数据支持。
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