黃河冰凌近期研究簡述與展望

郜國明，鄧 宇，田治宗，李書霞，張寶森

（1.黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州450003；2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，河南鄭州450003；3.水利部黃河泥沙重點實驗室，河南鄭州450003）

1 前 言

黃河流域東西跨越23個經(jīng)度，南北覆蓋10個緯度，地形和地貌相差懸殊，徑流量變幅也較大。特殊的地理位置和氣候條件，導(dǎo)致黃河上游寧蒙河段、中游北干流河段及下游河段冰凌在演變過程中常常會形成冰塞、冰壩，壅高水位，引發(fā)凌汛災(zāi)害。黃河凌汛已成為我國冬春季節(jié)大江大河中最突出、最主要的汛情之一。中華人民共和國成立前，黃河凌災(zāi)頻繁，給兩岸人民帶來了深重的災(zāi)難。黃河下游自1855年改道走現(xiàn)行流路至1949年前，平均每5 a就有2 a發(fā)生凌汛決堤災(zāi)害，黃河寧蒙河段平均2 a就發(fā)生一次較大的凌汛災(zāi)害。中華人民共和國成立以后，不斷完善防凌工程措施和非工程措施，大大降低了凌災(zāi)發(fā)生的頻率。但黃河凌汛孕災(zāi)環(huán)境復(fù)雜、突發(fā)鏈發(fā)性強，防御困難，加之部分河段淤積嚴(yán)重，排洪泄凌能力銳減，黃河下游于1951年、1955年分別在山東省利津縣王莊、武莊發(fā)生堤防決口，受災(zāi)人口共計27.5萬人，受災(zāi)面積8.6萬hm2。黃河內(nèi)蒙古河段自1986年以來，已發(fā)生多次凌汛決口。2008年3月，黃河內(nèi)蒙古段杭錦旗獨貴塔拉奎素段發(fā)生的凌汛決口，受災(zāi)面積106 km2，受災(zāi)群眾10 241人，直接經(jīng)濟損失達(dá)6.9億元。黃河冰凌日益成為黃河治理開發(fā)的突出問題和薄弱環(huán)節(jié)。

近些年來，對黃河冰凌的研究得到了越來越多學(xué)者的關(guān)注，相關(guān)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究取得了進(jìn)展，歸納總結(jié)黃河冰凌研究的脈絡(luò)及進(jìn)展，進(jìn)而探討其未來發(fā)展趨勢，對提升黃河防凌能力，保障沿黃地區(qū)防凌安全，具有科學(xué)價值和經(jīng)濟、社會意義。

2 黃河冰凌研究進(jìn)展

2.1 河冰基礎(chǔ)理論

河冰的形成、發(fā)展和消融過程涉及水力學(xué)、熱力學(xué)、河道邊界條件和氣象等多種因素的影響和制約，使得對河冰基礎(chǔ)理論的研究變得非常困難。Pariset和Hausser在 1961年提出了水面冰堆積理論［1］，Tatinclaux［2］、Beltaos［3］在前人的基礎(chǔ)上對這一理論進(jìn)行了擴展和完善。 此外，Ashton［4］、Beltaos［5］對河冰的生消演變過程也進(jìn)行過詳細(xì)的闡述。

對黃河冰凌問題的研究可追溯到20世紀(jì)50年代初，當(dāng)時主要是河冰的原型觀測研究。陳贊廷［6］較早對黃河冰凌觀測理論進(jìn)行了概述；孫肇初等［7］總結(jié)了黃河上游河流冰蓋糙率系數(shù)隨時間變化的規(guī)律，并根據(jù)黃河河曲的觀測數(shù)據(jù)，提出了冰塞糙率系數(shù)、河床糙率系數(shù)和弗勞德數(shù)的經(jīng)驗公式；隋覺義等［8-9］通過對黃河河曲段的大型河冰原型觀測，首次建立了冰塞厚度與流冰量、水力條件相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。通過原型觀測，掌握了黃河冰凌的一些定性規(guī)律，得到了一些經(jīng)驗關(guān)系式，可用于解決特定條件下的冰凌問題。但原型觀測的局限性導(dǎo)致一些重要的實測數(shù)據(jù)難以獲得，而借助室內(nèi)試驗研究河冰的若干問題，不僅可總結(jié)一般性的規(guī)律，還可揭示相關(guān)機理，建立相應(yīng)的理論體系。王軍等［10-13］通過水槽試驗研究，得到了初始冰塞厚度與水流條件和冰流量等因素的相互關(guān)系；郜國明等［14］建立了冰下層流計算公式，分析了冰下流速的變化規(guī)律；顧李華［15］通過多元指數(shù)回歸模型，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的累積負(fù)氣溫法能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測冰蓋厚度；隋覺義等［16］在孫肇初研究成果的基礎(chǔ)上，用石蠟作為模型冰，通過模型試驗得到了冰塞糙率系數(shù)、河床糙率系數(shù)、弗勞德數(shù)和水流含冰率的函數(shù)關(guān)系。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展及對河冰形成、發(fā)展、消失全過程認(rèn)知的加深，運用數(shù)學(xué)計算方法對河冰凍結(jié)過程進(jìn)行模擬越來越普及。大家較為熟知的模型是Shen等［17-19］提出的二維河冰輸移模型DynaRICE。與國外相比，我國在河冰數(shù)值模擬方面的研究成果也很豐碩，其中：蔡琳等［20］建立了黃河水庫防凌調(diào)度模型；張學(xué)成等［21］建立了黃河初始冰蓋形成后冰蓋厚度演變的數(shù)學(xué)模型；楊開林等［22］根據(jù)冰塞形成發(fā)展的機理，提出了冰塞形成發(fā)展方程；茅澤育等［23-25］建立了河道水內(nèi)冰形成及演變的垂向二維紊流數(shù)學(xué)模型，包括流速場、水溫、水內(nèi)冰濃度、面冰輸移、冰蓋下冰的輸移、堆積和沖蝕等；王軍等［26-29］基于兩相流理論建立了歐拉-拉格朗日模型，對水內(nèi)冰花顆粒的運動軌跡和初始冰塞頭部的推進(jìn)過程進(jìn)行了仿真模擬；張防修等［30］建立了河冰動力學(xué)模型；于國卿等［31］提出了基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和LSSVM預(yù)測河道開河的方法；陳守煜等［32］采用模糊優(yōu)選神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP方法成功預(yù)報了黃河內(nèi)蒙古段封河、開河日期。

2.2 冰凌原型觀測

20世紀(jì)80年代前后，國外學(xué)者相續(xù)開展了河流冰情的原型觀測， Parkinson［33］、Marsh 等［34］對封河期冰蓋下和開河期河道的水溫進(jìn)行了有效觀測，Gerard等［35］對河冰的開裂過程進(jìn)行了觀測。近些年來，為確保觀測人員的人身安全，一些新的觀測技術(shù)隨之出現(xiàn)，如Ford等［36］采用冰塞厚度測量儀對冰厚進(jìn)行了觀測，Brian等［37］使用ADCP測量了浮冰流速、特定點的冰蓋厚度，Jasek等［38］使用SWIPS系統(tǒng)測量了冰蓋的生長和消融速度。

針對黃河冰凌觀測，傳統(tǒng)的冰凌觀測技術(shù)以人工為主，如冰厚的測量采用人工穿孔、量冰尺量測的方式。這種方式不僅效率低，而且測量區(qū)域受限，無法實現(xiàn)實時觀測。隨著新技術(shù)的發(fā)展，采用聲波、電磁波、電阻率等物理方法測量冰凌的方法不斷涌現(xiàn)。秦建敏等［39-41］基于氣、冰、水物理特性差異原理實現(xiàn)了對冰、水情的采集，但這種接觸式設(shè)備極易受靜冰擠壓和流凌撞擊而損壞。李志軍等［42］總結(jié)了現(xiàn)行冰厚度變化過程監(jiān)測方法的適用范圍和優(yōu)缺點，發(fā)展了新的冰厚度變化過程監(jiān)測方法，包括直接探測冰層界面位置的接觸設(shè)備法和利用氣、冰、水電導(dǎo)率差異的標(biāo)尺法。張寶森等［43］通過現(xiàn)場試驗研制出了黃河河道冰、水情數(shù)據(jù)與圖像遠(yuǎn)程連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)。另外，采用無人機航拍應(yīng)急監(jiān)測也越來越普遍［44-46］。

2.3 冰凌預(yù)報

在冰凌預(yù)報方面，蘇聯(lián)從20世紀(jì)30年代就開始了相關(guān)研究，到20世紀(jì)50年代，河道冰情預(yù)報技術(shù)開始廣泛應(yīng)用［47］。 Bilello［48］在 1964 年提出了河流和湖泊冰體形成的預(yù)報方法，Poulin等［49］在1971年開發(fā)了一種水文和封凍日期的概率預(yù)報方法。1976年，Adams［50］在Poulin研究成果的基礎(chǔ)上，開發(fā)了封凍預(yù)報模型。隨著計算機技術(shù)和數(shù)學(xué)模型研究的不斷發(fā)展，Shen 等［19，51］先后提出了一維和二維河冰數(shù)學(xué)模型，為依據(jù)水力學(xué)、熱力學(xué)和水文學(xué)等理論研究冰凌預(yù)報打下了基礎(chǔ)。

黃河冰凌預(yù)報研究開始于20世紀(jì)50年代，采用的方法從最初簡單的指標(biāo)法、經(jīng)驗相關(guān)法，到后來的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。指標(biāo)法主要是選取冰凌要素的幾個指標(biāo)，預(yù)報凌情發(fā)生的具體時間。經(jīng)驗相關(guān)法是在指標(biāo)法的基礎(chǔ)上，建立相關(guān)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠眍A(yù)報流凌、封開河日期等冰凌要素［52］。經(jīng)驗相關(guān)預(yù)報方法能夠反映冰凌變化的基本規(guī)律，有一定的物理成因基礎(chǔ)。1994年，黃委水文局建立了黃河下游實用冰情預(yù)報模型，主要包括水溫、流凌、封河、冰蓋厚度、開河五部分［53］。1997年，張遂業(yè)［54］研發(fā)了黃河上游河段冰凌預(yù)報模型。1998年，黃委水文局建立了黃河上游實用冰情預(yù)報模型，增加了冰塞和冰壩數(shù)量的預(yù)報功能［55］。2002年，可素娟［56］、冀鴻蘭［57］提出了黃河內(nèi)蒙古河段預(yù)報模型。2004年5月至2006年7月，黃委水文局聯(lián)合中國水科院，研究建立了以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)的黃河寧蒙河段冰情預(yù)報系統(tǒng)，可預(yù)報流凌、封開河日期及開河洪峰流量、最大10 d水量等冰情要素［58］。此外，王慧明［59］基于灰色理論方法、李亞偉等［60］基于支持向量機方法對黃河的冰情預(yù)報做了相關(guān)研究。2012年，黃委水文局采用經(jīng)驗與理論相結(jié)合的方法開發(fā)了冰凌預(yù)報系統(tǒng)，提高了冰凌預(yù)報精度和時效性，在冰凌預(yù)報實踐中發(fā)揮了重要作用［61-62］。

2.4 防凌減災(zāi)技術(shù)

世界上普遍采用的防凌減災(zāi)技術(shù)多以破冰為主，其中包括破冰船破冰、定點爆破及飛機、大炮轟炸等。早在1946年，美國就對用炸藥除掉密蘇里河的冰壩進(jìn)行了試驗研究。俄羅斯、加拿大等國家主要利用破冰船進(jìn)行破冰防凌，1977年俄羅斯的核動力破冰船曾經(jīng)到達(dá)北極。此外，芬蘭和加拿大制造的動力破冰機已廣泛應(yīng)用于北歐、加拿大和美國［63］。

我國的防凌工作主要采用水庫調(diào)度、工程控制、機械破冰、爆破破冰等多種手段。針對黃河防凌，郜國明等［64］較早提出了黃河防凌減災(zāi)綜合措施。目前，黃河上游水庫防凌調(diào)度側(cè)重于龍羊峽、劉家峽的聯(lián)合調(diào)度，以及海勃灣水庫和分凌區(qū)的應(yīng)急調(diào)度運用［65-66］，但尚未開展龍羊峽、劉家峽、海勃灣、萬家寨等水庫與分凌區(qū)聯(lián)合防凌研究。炸冰是快速解除冰塞冰壩險情的應(yīng)急防控手段，從20世紀(jì)50年代起，空軍炸冰在歷年的黃河防凌中一直發(fā)揮著作用［67］。除了常用的飛機投彈、炮擊，黃河炸冰也不斷涌現(xiàn)新的技術(shù)手段［68］，如氣墊船運載炸藥和新型聚能彈［69］、破冰爆破帶［70-71］等破冰裝備。這些新式裝備的出現(xiàn)為黃河防凌提供了新的破冰手段，但均不同程度地存在安全性低、精度差、時效性差和費用高等問題。

3 黃河冰凌研究趨勢

為保障黃河防凌安全，提升黃河凌汛災(zāi)害監(jiān)測與防范能力，當(dāng)前亟需在黃河凌汛洪水致災(zāi)成災(zāi)過程及演化機理，重要凌情的精準(zhǔn)實時監(jiān)測，凌汛險情災(zāi)情的準(zhǔn)確及高效預(yù)警預(yù)報，重點防凌河段水庫群的精細(xì)化及智能化調(diào)度，實施便捷、響應(yīng)靈敏、安全高效的破冰排凌減災(zāi)技術(shù)裝備和具有時效性及安全性的凌汛險情災(zāi)情搶護(hù)技術(shù)等方面開展研究，并構(gòu)建覆蓋凌汛災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、風(fēng)險管理、調(diào)控決策和效果評估全過程的防凌決策支持平臺以及高效科學(xué)的凌汛災(zāi)害綜合防治技術(shù)體系，創(chuàng)新和突破凌汛監(jiān)測與災(zāi)害防控的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 黃河冰凌致災(zāi)成災(zāi)過程及演化機理

近幾十年來，黃河冰凌基礎(chǔ)理論研究取得了很大進(jìn)展，但由于黃河凌汛孕災(zāi)環(huán)境的復(fù)雜性及對凌災(zāi)演變機理和伴生效應(yīng)認(rèn)知的局限性，尚有許多問題有待進(jìn)一步研究，如極端天氣和強人類活動影響下黃河各河段凌災(zāi)變化特點、易發(fā)凌災(zāi)河段冰水輸移規(guī)律、封凍期及暢流期洪水的水沙輸移特點對比分析、冰凌生消演變機理、冰塞冰壩與冰凌洪水致災(zāi)成災(zāi)機理等。

3.2 水-陸-空全天候冰凌實時監(jiān)測

全面構(gòu)建多維度、多要素冰凌信息動態(tài)感知體系是實現(xiàn)冰凌災(zāi)害高效科學(xué)防控的前提。目前，黃河冰凌監(jiān)測存在冰下凌情信息獲取難、冰凌要素信息時態(tài)不連續(xù)及凌汛險情診斷智能化程度低等問題。針對黃河河床易變、水流挾沙挾冰的特殊監(jiān)測環(huán)境，突破不同介質(zhì)的準(zhǔn)確捕捉技術(shù)和冰凌圖像智能解譯技術(shù)，實現(xiàn)冰厚、流凌密度、流凌速度等關(guān)鍵凌情要素的全天候?qū)崟r監(jiān)測和冰塞冰壩險情的快速識別與診斷，將是黃河冰凌原型觀測的發(fā)展趨勢。

3.3 凌汛災(zāi)害預(yù)警預(yù)報

黃河凌汛災(zāi)害突發(fā)鏈發(fā)性強、防控難度大，預(yù)警預(yù)報及風(fēng)險動態(tài)評估是凌災(zāi)高效科學(xué)防控的重要環(huán)節(jié)。目前，開展較多的是冰凌封開河日期的預(yù)報，而冰塞冰壩形成及其誘發(fā)災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報研究相對較少，凌災(zāi)風(fēng)險評估技術(shù)指標(biāo)體系有待進(jìn)一步充實和完善。因此，建立凌汛災(zāi)害預(yù)警預(yù)報指標(biāo)體系，開發(fā)冰塞冰壩預(yù)報模型、冰壩壅水過程與凌洪潰決模型，研究凌汛災(zāi)害預(yù)警預(yù)報及風(fēng)險動態(tài)評估技術(shù)，將是該領(lǐng)域具有發(fā)展前景的研究方向。

3.4 黃河防凌減災(zāi)技術(shù)及對策

在黃河防凌減災(zāi)技術(shù)研究方面，現(xiàn)有的研究成果尚不能完全滿足國家建立科學(xué)高效凌汛災(zāi)害防治體系的要求。突破安全高效凌災(zāi)防控技術(shù)，進(jìn)一步開展水庫防凌運用方式優(yōu)化調(diào)度、冰凌條件下堤防險情的搶護(hù)技術(shù)、冰塞和冰壩的破除技術(shù)及基于云計算和人工智能技術(shù)的黃河防凌應(yīng)急管理平臺等方面的研究，將成為黃河凌汛災(zāi)害防控研究的發(fā)展趨勢。

4 結(jié) 語

黃河冰凌研究是一項現(xiàn)代科學(xué)和工程技術(shù)高度融合的系統(tǒng)工程，已呈現(xiàn)出多學(xué)科理論、方法、技術(shù)、手段相互滲透與有機結(jié)合的發(fā)展趨勢。研究內(nèi)容涉及凌災(zāi)基礎(chǔ)理論、凌情原型觀測、預(yù)警預(yù)報及風(fēng)險評估和凌災(zāi)防控等多個方面。目前，黃河冰凌研究仍處于探索和發(fā)展階段，相關(guān)科學(xué)水平和技術(shù)手段仍有提高空間。為促進(jìn)黃河冰凌研究領(lǐng)域的學(xué)科建設(shè)，全面提升黃河冰凌防控能力，需要轉(zhuǎn)變防凌觀念、創(chuàng)新防凌手段，變被動應(yīng)急搶險救災(zāi)為主動有序防險消災(zāi)，揭示凌災(zāi)演化機理，研發(fā)凌汛要素快速采集、凌災(zāi)預(yù)警預(yù)報及快速防控技術(shù)，構(gòu)建凌汛災(zāi)害綜合防治技術(shù)與決策支持平臺，為建立與經(jīng)濟社會發(fā)展需求相適應(yīng)的防凌減災(zāi)體系提供理論與技術(shù)支撐。