小浪底水庫運用后黃河下游凌情變化分析

李文義, 張志超

(山東黃河河務(wù)局,山東 濟南 250011)

小浪底水庫運用后黃河下游凌情變化分析

李文義, 張志超

(山東黃河河務(wù)局,山東 濟南 250011)

黃河下游歷來是凌汛多發(fā)河段，歷史上曾頻頻決口，給兩岸人民造成巨大災(zāi)難。小浪底水庫的建成為黃河下游防凌提供了強有力的工程措施，有效地減輕了凌汛威脅。探討了黃河下游多年凌情特點及變化趨勢，對影響凌情的主要因素進行了分析，并初步探討了小浪底水庫對下游凌情的影響。同時，對影響凌情的其他因素進行了歸納。結(jié)果表明：小浪底水庫的運用縮減了封河長度和冰層厚度，緩解了凌情，其防凌成功的經(jīng)驗對黃河上游和其他凌情嚴重的河流具有借鑒意義。

凌汛；小浪底水庫；黃河下游；封河流量；封河長度

冰凌是寒區(qū)和中高緯度地區(qū)河流在冬季的一種水文現(xiàn)象，其發(fā)生、發(fā)展及消融的演變過程取決于河道走向與形態(tài)、水文條件和氣象條件等[1]。由于黃河下游所處地理位置和河流走向，再加上河道沖於多變，一直以來，該河段冰情嚴重，災(zāi)害損失慘重[2]。凌汛由于其突發(fā)性強的特點，預(yù)報、防守難度很大，黃河下游防凌一直是歷代的難點問題。從20世紀50年代以來，在黃河干流開始修建三門峽水庫，緩解了下游凌汛威脅。小浪底水庫的建成，使得下游凌汛威脅進一步減輕。小浪底水庫運用后，下游河道凌汛期的水情要素發(fā)生了一些變化，出現(xiàn)了一些新情況、新問題，筆者對黃河下游凌情特點和小浪底水庫運用對下游凌情的影響進行初步分析，以期為黃河下游防凌工作提供有益參考。

1 黃河下游河道特點和凌情概況

黃河下游從河南鄭州桃花峪到山東墾利縣的入?？?，河道全長785.6 km，落差89 m；位于北緯34°50′～38°00′、東經(jīng)113°30′～118°40′，緯度相差3°10′。河道的基本特點是河道寬、淺、散亂，泥沙淤積嚴重，兩岸靠大堤作屏障，河床高出兩岸地面4～6 m；河道基本流向是西南東北方向，河道寬度特點是上游段河道寬，下游段河道窄；冬季氣溫特點是上游段氣溫高，下游段氣溫低；另外，上、下游河段流量變幅也比較大。

特定的地理位置、河道形態(tài)和不同的水文、氣象條件，構(gòu)成了黃河下游不穩(wěn)定封凍河段的冰情變化的特殊性和復(fù)雜性。黃河河道比降平緩，流速較小，其流向從低緯度流向高緯度，緯度差較大；氣溫上暖下寒，結(jié)冰封河是溯源而上，解凍開河則是自上而下。上游下泄的冰水在急灣、卡口等狹窄河段，由于排泄不暢，極易結(jié)成冰壩、冰塞，堵塞河道，導(dǎo)致上游水位急劇升高，嚴重威脅堤防安全，甚至決口[3-4]。黃河下游凌情有如下特點：

1)冰凌洪水的洪峰流量沿程遞增。這是因為開河時由于河道前期槽蓄水量沿程迅速釋放，流量逐段匯集、增多，造成凌峰流量沿程遞增。

2)流量不大，水位很高。由于河道排泄不暢，或冰壩堵塞，造成上游河段水位迅速壅高。如下游利津站1955年凌峰流量僅1 960 m3/s，水位達到15.31 m，1958年伏汛期間洪峰流量10 400 m3/s，水位僅為13.76 m，比1955年凌峰流量對應(yīng)水位低1.55 m。

3)發(fā)生突然，防守困難。凌汛期從流凌到封河有時不到1 d，給防守造成很大困難，歷史上有“凌汛決口，河官無罪”之說。從1949年以來，盡管投入了大量人力物力，在1951年和1955年，河口地區(qū)還是發(fā)生了2次凌汛決口。

4)封河流量基本得到控制，封河長度縮短。小浪底水庫建成后，凌汛期下游河道流量基本得到控制，下泄水溫較高，加之氣候變暖的影響，封河長度大幅縮短。

根據(jù)1950—2015年66 a的觀測資料統(tǒng)計，黃河下游河段約80%的年份發(fā)生封凍，其中多數(shù)年份只發(fā)生1次，當遇寒流強度不大或持續(xù)時間較短但次數(shù)較多時，也可能會造成2次甚至3次封河、解凍現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，在1950—2015年的66 a中，黃河下游有54 a封凍，封河最長達703 km(1968—1969年度)，從入海口一直封至花園口以上的滎陽縣汜水河口。封凍日期一般從12月下旬到第2年的2月中旬，平均結(jié)冰期約45 d。多年平均封河長度224.06 km，小浪底水庫運用前(1950—2000年)多年平均封河長度為254.00 km，小浪底水庫運用后(2001—2015年)年平均封河長度116.17 km，如圖1所示。從圖中可以看出，60多年來，黃河下游封河長度呈遞減趨勢，暖冬現(xiàn)象和干流水利工程改變了河流動力條件和水溫，從而促進了這種趨勢。

圖1 黃河下游1950—2015年凌汛期封河長度變化趨勢

2 小浪底水庫對黃河下游凌情變化的控制性作用

2.1 小浪底水庫概況

小浪底水庫位于河南省洛陽市以北40 km處的黃河干流上，上距三門峽水庫130 km，下距鄭州花園口站128 km。壩址控制流域面積69.4×104km2，占花園口以上流域面積的95.1%。小浪底水庫是黃河干流上的一座集減淤、防洪、防凌、供水灌溉、發(fā)電等為一體的大型綜合性水利工程，水庫的開發(fā)任務(wù)是以防洪(防凌)、減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電。設(shè)計總庫容126.5×108m3，包括攔沙庫容75.5×108m3、防洪庫容40.5×108m3、調(diào)水調(diào)沙庫容10.5×108m3。興利庫容可重復(fù)利用防洪庫容和調(diào)水調(diào)沙庫容。設(shè)計安裝6臺30×104kW混流式水輪發(fā)電機組，總裝機180×104kW，年發(fā)電量51×108kW·h[5]。

水庫主汛期(7月11日—9月10日) 汛限水位225 m，相應(yīng)庫容29.2×108m3，后汛期(9月11日—10月23日) 汛限水位248 m，相應(yīng)庫容62.4×108m3。水庫最高防洪水位265 m，相應(yīng)庫容96.3×108m3，相應(yīng)泄流能力11 400 m3/s。主汛期和后汛期防洪庫容分別為67.1×108、33.9×108m3。

2.2 影響淌凌、封河、開河因素分析

影響淌凌、封河、開河的因素比較多，主要有熱力因素(主要是氣溫)、動力因素(主要是流量)、河道邊界條件及人類活動影響等[6]。如果氣溫偏低，流量較小，在河道彎窄處，排水不暢，就容易造成封河[7]。在影響凌情的3個因素中，熱力因素主要為氣溫，可通過加強氣象預(yù)報為防凌提供技術(shù)支持。但由于影響氣象的因素非常復(fù)雜，氣象預(yù)報的精度有時偏差較大。對于給定的河流段，其河床邊界也已經(jīng)確定，一般很難改變。調(diào)節(jié)水動力條件在現(xiàn)代技術(shù)條件下已經(jīng)可以實現(xiàn)，因此，利用水庫調(diào)度改變進入下游河道的水量，在防凌工作中具有非常重要的作用。

2.2.1 天氣因素

進入21世紀以來，黃河下游凌汛期氣溫保持偏高態(tài)勢，如圖2所示。從圖中可以看出，10多年來凌汛期平均氣溫為-0.56 ℃，比多年均值-1.23 ℃偏高近0.67 ℃。另外，同20世紀50、60年代相比，低溫強度和持續(xù)時間也相對縮短。這些因素均對凌情緩解起到了一定作用。

圖2 小浪底水庫運用后凌汛期(12月至來年2月)濱州站平均氣溫

2.2.2 水庫凌汛期調(diào)度

歷史上黃河干流缺乏控制性水利工程，凌汛期防凌所能采取的措施非常有限。建國以來黃河下游先后修建了三門峽和小浪底兩座水庫，特別是小浪底水庫建成后，利用水庫進行水量調(diào)節(jié)，對減輕黃河下游凌汛威脅起到了很大作用。兩座水庫聯(lián)合調(diào)度，在下游河道封凍前增大封河時的河道流量，抬高冰蓋，增大冰蓋下的過流能力；在封凍后水庫下泄流量適當減小，降低河道槽蓄水量；解凍前進一步減少下泄流量，控制河道槽蓄的后續(xù)水源，促進河道“文開河”。依靠三門峽、小浪底水庫調(diào)節(jié)，并配合其他防凌措施，黃河下游凌汛威脅得到了有效控制。

2.2.3 河道形態(tài)改善

河道形態(tài)的改變對緩解凌情具有明顯作用。多年來，黃河下游河床持續(xù)抬升，客觀上加劇了凌情。2002年以來，利用小浪底水庫，黃河下游連續(xù)實施了10余次調(diào)水調(diào)沙，有效改善了下游河道形態(tài)，下游河床平均下切約0.86 m，使得凌汛期水流集中，流速加大，對凌情的減輕起到了明顯作用。

2.3 黃河下游河道水情、凌情分析

小浪底水庫運用前(1950—2000年)，以三門峽水庫運用為標志可分為自然狀態(tài)(1960年前)和人為干預(yù)狀態(tài)(1960—2000年)2個時期。1960年之前黃河下游封河流量年際變化幅度較大，如圖3所示，年平均封河長度369 km；三門峽水庫防凌運用后，黃河下游年平均封河流量(利津水文站)大致穩(wěn)定在400 m3/s左右，年平均封河長度225.3 km。盡管三門峽水庫對防凌作用明顯，但是由于下游河道較長，三門峽水庫以400 m3/s流量下泄水量，該水量到達利津站需10 d左右，遇到突然大幅降溫，防凌調(diào)度難度較大。同三門峽水庫相比，小浪底水庫更接近下游，防凌調(diào)度效果相對明顯。

圖3 凌汛期封河流量趨勢(利津水文站)

氣溫變化是黃河下游凌情主要影響因素之一，一般北鎮(zhèn)站日平均氣溫穩(wěn)定轉(zhuǎn)零下2～5 d后開始出現(xiàn)流凌[2]。據(jù)統(tǒng)計，黃河下游封河當日氣溫多年均值為-7.1 ℃，一般情況下累計負積溫在-20 ℃左右時開始封河，封河當日和前3日平均氣溫均在0 ℃以下。

小浪底水庫運用以來，下游防凌形勢有所緩解，封河長度和封河年份數(shù)量同之前相比出現(xiàn)一些新的變化，如圖4所示。

圖4 2001—2016年凌汛期封河長度變化

從圖4可以看出，小浪底水庫運用后黃河下游年平均封河長度僅有116 km，比多年平均值(224 km)減少近一半，封河長度遞減趨勢明顯。在1950—2000年凌汛期，僅有7個年度未封河，其中在1993—1994年和1994—1995年2個年度出現(xiàn)1次連續(xù)2個年度未封河；但在2001—2002年至2015—2016年，短短15個年度出現(xiàn)5個年度未封河，歷史上還首次出現(xiàn)了2011—2012年至2014—2015年4個年度凌汛期未封河的現(xiàn)象。同時，冰蓋厚度也從20世紀60、70年代的30～50 cm變?yōu)楝F(xiàn)在的20 cm左右。其主要原因：①出庫水溫較高(≥6 ℃)，水溫低于0 ℃斷面大幅下移；②20世紀90年代以來出現(xiàn)持續(xù)暖冬現(xiàn)象，凌汛期氣溫較高。

另外，同期在小浪底水庫的調(diào)控下封河流量控制在200～400 m3/s，這些因素均對下游凌汛產(chǎn)生了明顯影響。當然，由于資料系列較短，其確定性關(guān)系當前還不能完全確定，有待日后增補序列繼續(xù)分析研究。

3 結(jié)語

小浪底水庫強大的調(diào)蓄能力，為下游防凌創(chuàng)造了良好條件。水庫的調(diào)節(jié)運用有效地減少了下游河道封河長度和冰層厚度，凌情得到較大緩解。多年防凌調(diào)度實踐表明，小浪底水庫在防凌運用方面取得了較為成功的實踐經(jīng)驗，水庫在防凌方面的效果顯著，黃河下游防凌成功的經(jīng)驗對黃河上游和其他凌情嚴重的河流具有借鑒意義。

由于暖冬的影響，近十幾年來下游平均氣溫有所升高，對凌情的緩解有一定影響。黃河已經(jīng)持續(xù)了20多年的枯水期，凌汛期下游河道流量偏小，小流量封河比較嚴重。小流量狀態(tài)下易封易開，給防凌帶來不利影響，需要加強三門峽、小浪底水庫的調(diào)度，給下游封、開河創(chuàng)造有利條件。

[1]姚惠明,秦福興,沈國昌,等.黃河寧蒙河段凌情特性研究[J].水科學(xué)進展,2007,18(6)：893-899.

[2]可素娟,王敏,饒素秋.黃河冰凌研究[M].鄭州：黃河水利出版社,2002：4-5.

[3]黃河水利委員會黃河志總編輯室.黃河流域綜述[M]. 鄭州：河南人民出版社,1998：8-9.

[4]羅黨，吳佳林，陳曉蒙.基于灰關(guān)聯(lián)的黃河冰凌災(zāi)害風險評估研究[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，37(1)：45-49.

[5]魏向陽,李旭東,蔡彬.小浪底水庫運用后黃河下游防凌問題分析[J].冰川凍土,2003,25(增刊2)：241-244.

[6]康志明,張芳華,李金田，等.黃河寧蒙河段封河和開河預(yù)報方法初探[J].氣象，2006,32(10)：41-45.

[7]翟家瑞.黃河防凌與調(diào)度[J].中國水利，2007(3)：34-37.

(責任編輯：喬翠平)

Analysis on the Change of Ice Situation in the Lower Yellow River after the Operation of Xiaolangdi Reservoir

LI Wenyi, ZHANG Zhichao

(Yellow River Shandong Bureauy, Jinan 250011, China)

The lower reaches of the Yellow River has always been ice flood-prone river, and the dyke breaking was frequently occurred in history, which had brought great catastrophe to the downstream people. The construction of the Xiaolangdi Reservior has provided strong engineering measures for ice prevention, which can effectively mitigate the ice flood threat. This article analyzes characteristics and trends of ice conditions over the past years in the lower reaches of the Yellow River, and the main factors influencing the situation were also analyzed. Furthermore, the influence of Xiaolangdi Reservoir on the downstream ice condition is discussed. At the same time, the other factors influencing the situation are summarized. The results show that the application of Xiaolangdi Reservoir reduces the length of the river closure and the thickness of the ice layer, and alleviates the ice condition. The successful experience of the ice prevention on the upper reaches of the Yellow River and other ice-heavy river has a reference.

ice flood; Xiaolangdi Reservior; the Lower Reaches of Yellow River; flow of river closure; length of river closure

2016-10-28

李文義(1973—),男,山東樂陵人,高級工程師,博士,從事水文水資源管理、水利工程建設(shè)等方面的研究。E-mail：lwysdl@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.004

TV212.5+2

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1002-5634(2017)01-0018-04