湯旺河凌汛洪水特征分析及預(yù)報(bào)方法探討

劉丙賀，雷 慶，田長(zhǎng)濤

(伊春水文局，黑龍江伊春153000)

冰情是指河流、水庫(kù)(湖泊)冬季從出現(xiàn)浮冰、形成冰蓋至冰的消融全過程的水文情勢(shì)［1］。寒帶地區(qū)河流春季冰雪融化，解凍開河，經(jīng)常出現(xiàn)凌汛。凌汛是河道里的冰凌對(duì)水流的阻力作用而引起的一種漲水現(xiàn)象，洪水歷時(shí)較短，水量較封凍期明顯增大。凌汛期冰凌不僅直接影響到冬季的航運(yùn)、交通、給排水等水利工程建設(shè)事業(yè);而且當(dāng)冰凌嚴(yán)重阻塞河道形成冰壩時(shí)，會(huì)導(dǎo)致凌洪泛濫成災(zāi)，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來重大損失。湯旺河地處高寒地帶，河流封凍期長(zhǎng)，凌汛期在部分河段經(jīng)常會(huì)不同程度地發(fā)生冰塞、冰壩等阻水現(xiàn)象，極易產(chǎn)生險(xiǎn)情。近幾年來隨著氣溫、人類活動(dòng)、河床沖淤等流域環(huán)境的變化，使得凌汛的威脅不僅依然存在，而且使易發(fā)生凌汛災(zāi)害的河段有所增加，影響范圍日漸擴(kuò)大。因此，加強(qiáng)對(duì)冰凌洪水的研究，做好凌汛期洪水預(yù)報(bào)，為當(dāng)?shù)胤懒?、防汛提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息服務(wù)，是水文工作者的一項(xiàng)重要任務(wù)。

1 冰情特征和凌汛洪水災(zāi)害成因

1.1 冰情特征簡(jiǎn)介

湯旺河為松花江下游左岸一級(jí)支流，流域面積20 557 km2，地域?qū)賮喓畮夂蛱卣?。河流發(fā)源于小興安嶺北部主脈的563高地南麓，由西北向東南貫穿小興安嶺腹地，河流全長(zhǎng)465 km，流域海拔平均高程約400 m，為典型的山溪性河流。由于流域處于中高緯度地區(qū)，受氣候影響，河流每年出現(xiàn)明顯的冰情現(xiàn)象。河流初冰日期上游在10月中旬，下游在10月下旬;封河日期上游為11月上旬，下游為11月中旬;凌汛開始日期上游一般在4月下旬，下游為4月中旬;全年封凍天數(shù)上游約為167 d，下游約為155 d，全年流冰(流凌)期約15 d，實(shí)測(cè)最大面積流冰塊長(zhǎng)70 m，寬30 m，冰速1.20 m/s。穩(wěn)定封凍期最大河心冰厚上游為1.21 m，下游為1.11 m。

1.2 凌汛洪水類型與成因分析

凌汛期產(chǎn)生的洪水一般可分為3種類型，即融冰洪水、冰塞洪水和冰壩洪水。融冰洪水一般是因上游河段河水溶解，槽蓄水量釋放，引起沿程凌峰不斷增大而形成的洪水。由于這種洪水是河水自行解體，所以洪水規(guī)模一般較小。冰塞洪水是指冰花和碎冰堵塞冰蓋下的過水?dāng)嗝?，使上游水位雍高而形成的洪水。冰壩洪水是河道形成冰壩以后，?yán)重阻塞河道過水?dāng)嗝妫股嫌嗡惶Ц叨纬傻暮樗?。冰塞和冰壩洪水的大小主要取決于冰塞程度和冰壩體積的大小以及維持時(shí)間的長(zhǎng)短。一般來講冰塞洪水歷時(shí)較長(zhǎng)，冰壩洪水漲率較大。概括地說，凌汛期災(zāi)害性洪水成因主要有以下兩個(gè)方面:

1)氣溫的作用:在由南向北流動(dòng)的河流，由于河段上下游緯度的差異，開河時(shí)上游段對(duì)比下游段氣溫偏高，由于上游冰層溶解較快，下游冰層溶解較慢，下游河段就有可能出現(xiàn)來水量過大無法及時(shí)下泄，而在部分河段出現(xiàn)冰塞或冰壩的現(xiàn)象，俗稱“武開河”。湯旺河由北部高緯度區(qū)流向南部低緯度區(qū)，解凍期下游氣溫略高于上游氣溫，河流總體解凍趨勢(shì)是下游區(qū)早于上游區(qū)。因“武開河”導(dǎo)致凌汛災(zāi)害發(fā)生幾率較小。

2)河道形態(tài)的作用:河道的寬窄變化程度，縱比降的陡緩，彎曲半徑的大小以及河道內(nèi)阻水建筑物等在凌汛期都對(duì)水流有一定的影響。河道內(nèi)如存在多處上寬下窄的形態(tài)，就容易引起槽蓄水量的上多下少和排洪能力的上大下小，河水極易遇阻成災(zāi)。在河道的淺灘地段，較大冰塊可能叉至河底，攔截了冰水去路，逐漸堆積形成冰塞甚至冰壩，導(dǎo)致洪水漫溢成災(zāi)。湯旺河河床坡降和河道彎曲系數(shù)都較大，河床平均坡降為1.07‰，河道彎曲系數(shù)為1.90。河道內(nèi)多分布河心島、淺灘、急彎狹窄河段和阻水建筑物。河道平均河寬約200 m，狹窄處不足100 m。當(dāng)較大體積密集流冰在通過形似“L”、“s”型彎道、淺灘或河心島時(shí)極易發(fā)生卡冰現(xiàn)象從而堵塞整個(gè)河道?？傮w上看，河道形態(tài)是導(dǎo)致湯旺河凌汛洪水災(zāi)害的主因。

2 凌汛洪水預(yù)報(bào)模型建立方法

湯旺河在每年11月～翌年3月這一時(shí)期進(jìn)入枯水期。冬季由于河流封凍，徑流靠地下水補(bǔ)給，4月以后氣溫明顯升高，流域積雪融化和河網(wǎng)儲(chǔ)冰解凍形成凌汛，流量顯著增大，形成每年一次的凌汛洪水，有時(shí)凌汛期最高水位即為全年最高水位。由于河流冰情現(xiàn)象的復(fù)雜性和冰情觀測(cè)資料的限制加上預(yù)報(bào)要素與預(yù)報(bào)因子之間并無確定的函數(shù)關(guān)系，所以冰情和凌汛預(yù)報(bào)主要采用經(jīng)驗(yàn)相關(guān)分析方法和統(tǒng)計(jì)回歸分析方法。本文采用建立線性回歸方程模型法來預(yù)報(bào)凌汛洪水，模型法預(yù)報(bào)結(jié)果唯一，實(shí)用性強(qiáng)，易于更新，避免了經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法因人而異、主觀性強(qiáng)、相關(guān)因子較少和數(shù)據(jù)點(diǎn)據(jù)不能及時(shí)更新等弊端。模型參數(shù)選擇，實(shí)例擬合、試報(bào)結(jié)果及方法檢驗(yàn)評(píng)定為:

凌汛洪水一般與河段前期蓄水量、開河時(shí)上游來水、融雪徑流以及開河形勢(shì)有關(guān)［1］。根據(jù)湯旺河干流晨明站1977～2000年冰期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過試算篩選，最終選用歷年3月份平均流量(x1i)、封凍期降水量累計(jì)值(x2i)、封凍期最大河心冰厚(x3i)、氣溫轉(zhuǎn)正后至開始流凌時(shí)段內(nèi)平均氣溫(x4i)等4項(xiàng)相關(guān)參數(shù)(各參數(shù)項(xiàng)之間的相關(guān)系數(shù)見表1)與實(shí)測(cè)凌汛最高水位(Hi)建立線性相關(guān)關(guān)系，組成預(yù)報(bào)方程模型:

表1 模型參數(shù)間相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

式中:a、b、c、d 為方程系數(shù)，e為常數(shù)項(xiàng)，i表示年份。按照擬合系列數(shù)據(jù)誤差平方和最小為控制標(biāo)準(zhǔn)，率定出方程系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)，得到預(yù)報(bào)方程為:

利用該方程對(duì)2001～2006各年份進(jìn)行了檢驗(yàn)，歷史擬合與檢驗(yàn)結(jié)果見表2。凌汛洪水預(yù)報(bào)采用參加擬合與檢驗(yàn)正確的點(diǎn)據(jù)占總點(diǎn)據(jù)數(shù)比例的百分?jǐn)?shù)作為合格率，對(duì)于預(yù)報(bào)要素因子屬數(shù)值類型的預(yù)報(bào)方案取預(yù)報(bào)要素在預(yù)見期內(nèi)實(shí)測(cè)變幅的25%作為允許誤差標(biāo)準(zhǔn)。由表2可見，在31個(gè)點(diǎn)據(jù)中，合格點(diǎn)據(jù)有19個(gè)，合格率為61.2%，符合丙級(jí)預(yù)報(bào)方案標(biāo)準(zhǔn)。

表2 湯旺河晨明站凌汛最高水位預(yù)報(bào)模型歷史擬合與檢驗(yàn)精度統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)語(yǔ)

利用歷年實(shí)測(cè)資料選用相關(guān)因子建立凌汛洪水預(yù)報(bào)方程模型，即考慮了洪水過程的物理成因基礎(chǔ)又?jǐn)[脫了經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖的束縛，體現(xiàn)了現(xiàn)代洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)防凌、防汛降低凌汛災(zāi)害有一定的參考價(jià)值。由于凌汛洪水成因復(fù)雜，影響因素較多，因資料獲取范圍和理論認(rèn)識(shí)深度限制，模型參數(shù)間相關(guān)性不明顯，相關(guān)系數(shù)較低，預(yù)報(bào)檢驗(yàn)精度較低，還有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。由于河道形態(tài)是導(dǎo)致湯旺河凌汛洪水災(zāi)害的主因，因此建議在做好凌汛洪水預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，采取必要的疏通河道，減少天然和人為阻水障礙物，增建必要的防凌堤防等工程措施，從根本上防范凌汛洪水的侵害。

［1］李慧瓏.水文預(yù)報(bào)［M］.北京:水利電力出版社，1993.