黃河寧蒙段凌汛致災(zāi)影響因素及災(zāi)害演變特點

郭立兵 周躍華 田福昌 苑希民 王麗娜

摘?要：黃河寧蒙段冬季凌汛現(xiàn)象頻繁發(fā)生，凌災(zāi)影響損失嚴重，防凌搶險極為困難。根據(jù)歷年凌汛期實測凌情數(shù)據(jù)與災(zāi)害統(tǒng)計信息，闡述凌汛水文過程及其形成機理條件，從熱力環(huán)境、動力因素、邊界條件和人類活動等方面分析凌汛洪水致災(zāi)影響因素，系統(tǒng)總結(jié)氣候條件、水文情勢、河勢演變及人類活動等多元環(huán)境因素驅(qū)動下，黃河寧蒙段凌汛封開河時序與周期、冰蓋厚度、冰期輸水泄流能力、槽蓄水增量、水位流量關(guān)聯(lián)關(guān)系及變化梯度、凌峰流量、冰塞冰壩發(fā)生頻次及凌災(zāi)影響、防凌減災(zāi)控制等方面的時空演變特點。

關(guān)鍵詞：凌汛災(zāi)害;致災(zāi)影響因素;災(zāi)害演變;黃河寧蒙河段

中圖分類號：TV131.2;TV882.1?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.005

Abstract：Winter ice flood occurs frequently and causes serious damage in Ningxia-Inner Mongolia section of the Yellow River. Ice prevention and emergency rescue is extremely difficult. Based on the measured data and disaster statistics during the flood season， the hydrologic process and forming mechanism of ice flood were expounded. The influencing factors of ice flood disasters were classified from four aspects： thermal environment， dynamic factors， boundary conditions and human activities. Driven by multiple environmental factors such as climatic conditions， hydrological regime， river regime evolution and human activities， the correlation between timing sequence of river closure and opening during ice flood and cycle length， ice sheet thickness， water discharge capacity， tank storage increment and water level flow were systematically summarized. The new characteristics of temporal and spatial evolution in terms of variation gradient， peak flow， occurrence frequency of ice jam and ice dam， impact of ice jam， and control of ice prevention and disaster reduction were also summarized. The research results can provide support for the analysis and assessment of the situation of preventing and reducing the risk and the formulation of risk prevention and control project in Ningxia-Inner Mongolia section of the Yellow River.

Key words： ice flood disaster; influence factors of ice flood disaster; disaster evolution; the Ningxia-Inner Mongolia section of the Yellow River

凌汛是冬季河道結(jié)冰導(dǎo)致冰凌阻擋水流運動而引起的一種漲水現(xiàn)象，直接影響水利工程運行維護、內(nèi)陸航運、冬季輸水、河流水環(huán)境、水生態(tài)與水安全[1]。黃河寧蒙段河勢走向大致呈Γ形，河段全長1 237 km，緯度范圍為北緯37°17′—40°51′，水流自低緯度流向高緯度，11月至翌年2月，低緯度河段多年平均氣溫比高緯度河段高3.4 ℃，導(dǎo)致黃河寧蒙段自下游向上游逐漸封河，自上游向下游解凍開河，封開河相反時序變化不利于凌汛災(zāi)害防治[2-4]。

近年來，黃河寧蒙段凌汛災(zāi)害頻繁發(fā)生，較為嚴重的年份有1993年、1998年、2003年、2005年和2007—2008年，其中有4 a封河時水位接近1981年大洪水水位。河道封河時形成冰塞冰壩，導(dǎo)致水位迅速上漲數(shù)米，對農(nóng)田、村莊、道路、堤防、水利設(shè)施等造成不同程度的損害，給兩岸人民群眾生命財產(chǎn)安全帶來了巨大的威脅。2007—2008年度凌汛期間，黃河寧蒙段封河時水位驟漲1～2 m，凌災(zāi)侵襲了寧夏中衛(wèi)市至石嘴山市惠農(nóng)區(qū)沿河10個縣（市、區(qū)）及渠口農(nóng)場，約350 km堤防遭受沖淘破壞，1 000 hm2農(nóng)田、30多hm2魚池被淹，1 300多hm2灘地漫水，3 400人受到威脅[5]。特別是20世紀90年代以來，龍羊峽與劉家峽水庫聯(lián)合運用，導(dǎo)致黃河來水來沙情況發(fā)生較大變化，河道淤積愈發(fā)嚴重，伏凌汛期同流量對應(yīng)水位抬高，經(jīng)常發(fā)生洪水倒灌及凌汛漫堤潰堤災(zāi)害險情，給沿岸人民帶來的經(jīng)濟損失逐年增加，黃河寧蒙段防凌防汛形勢依然十分嚴峻[6-7]。

關(guān)于黃河寧蒙段冰凌災(zāi)害成因及特點，近年來眾多學(xué)者從多個角度進行了分析研究。潘進軍等[8]、孟聞遠等[9]從氣溫變化、地理位置與河勢變化方面分析了凌汛成因，并提出了凌災(zāi)防御能力建設(shè)的具體內(nèi)容;王文東等[10]利用氣象與水文實測資料分析了黃河寧蒙段凌汛特征及氣象動力學(xué)與熱力學(xué)成因;劉吉峰等[11]根據(jù)冰凌觀測資料分析了黃河寧蒙段冰凌變化特點，并結(jié)合氣候變暖、水庫調(diào)度、河道淤積、河道工程等方面簡析了冰凌變化影響因素;徐劍峰[12]從上游水庫調(diào)節(jié)影響方面分析了黃河寧蒙段凌洪災(zāi)害形勢及防凌減災(zāi)對策。然而，目前對于黃河寧蒙段凌汛致災(zāi)影響因素及凌災(zāi)演變特點，尚缺少細致全面的分析與總結(jié)，本文在凌汛水文過程分析基礎(chǔ)上，從熱力環(huán)境、動力因素、邊界條件和人類活動等方面綜合分析黃河寧蒙段凌汛致災(zāi)影響因素，并系統(tǒng)分析歸納氣候條件、水文情勢、河勢演變及人類活動等多元環(huán)境因素驅(qū)動下的凌汛災(zāi)害演變特點。

1?凌汛水文過程

據(jù)歷史凌情資料統(tǒng)計，黃河寧蒙段一般于每年11月中下旬開始流凌、12月上旬開始封河，于翌年3月開河，流凌歷時12～40 d，封凍時長70～130 d，凌汛期不同斷面平均冰厚為0.5～0.8 m，最大冰厚可達1.0 m。凌汛一般是指冰凌對水流產(chǎn)生阻力而引起的江河水位明顯上漲的水文現(xiàn)象。黃河寧蒙段跨越不同緯度，上游寧夏河段處于低緯度區(qū)域，下游內(nèi)蒙古河段處于高緯度區(qū)域，洪水由低緯度高溫區(qū)流向高緯度低溫區(qū)，獨特的自然地理特征與氣候條件差異性導(dǎo)致寧蒙河段冬季冰凍期極易產(chǎn)生凌汛。通常受氣溫驟降影響，三湖河口至頭道拐河段先形成流凌，在水流驅(qū)動作用下冰凌向下游流動，當(dāng)氣溫、流凌密度、水流動力、河流邊界等條件適宜時，開始大面積聚集冰塊形成封河，并自下游向上游持續(xù)發(fā)展。封河過程中如遇上游來冰持續(xù)堵塞，將導(dǎo)致水位抬升，繼而產(chǎn)生冰塞壅水凌汛險情。如遇氣溫迅速回升，上游河段槽蓄水增量突然釋放，使得自上游至下游凌峰流量不斷增加，冰凌流經(jīng)狹窄彎道或平緩河段極易受阻卡冰結(jié)壩，冰體下潛淤塞，壅高水位，從而形成凌汛。由此可見，寧蒙黃河凌汛主要是指發(fā)生于封開河過程中冰塞冰壩壅水抬升水位的現(xiàn)象。

2?凌汛形成及致災(zāi)因素

封開河期間凌汛形成及災(zāi)害發(fā)生條件主要包括熱力環(huán)境、動力因素、邊界條件和人類活動等方面，具體體現(xiàn)在：①低氣溫使得上游具有較高的流凌密度;②冰凌塊體大且堅硬;③河道水流低速小流量，流凌緩慢;④河勢彎曲邊界作用下，流凌下潛堆積堵塞，卡冰結(jié)壩，壅高水位并向上游發(fā)展。在以上條件充分具備情況下，極易產(chǎn)生嚴重凌汛過程，造成重大災(zāi)害險情。

2.1?熱力環(huán)境

熱力環(huán)境是黃河寧蒙段凌汛發(fā)生、發(fā)展及演變的重要影響因素，主要包括氣溫、水溫、太陽輻射等，其中太陽輻射干擾氣溫變化，氣溫和太陽輻射又同時影響水溫變化，氣溫是凌汛形成演變的主要熱力因素。凌汛流冰產(chǎn)生條件是氣溫與太陽輻射降低使得水體釋放熱量而水溫降至0 ℃，在氣溫持續(xù)下降或長時間保持低溫狀態(tài)時，流冰輸移至下游河段堆積封凍，氣溫與太陽輻射回升幅度將直接影響融冰開河速率及形勢，從而為封開河凌汛災(zāi)害的形成創(chuàng)造條件。凌汛期太陽輻射與氣溫升降變化幅度、低溫持續(xù)時間和低溫強度等指標差異性越明顯，凌汛過程與災(zāi)害特點越突出。黃河寧蒙段多受西風(fēng)環(huán)流控制，氣候干燥，降水量小，上下游溫差大，為典型的大陸性氣候區(qū)。冰凌產(chǎn)生多受寒潮或冷空氣入侵影響，冬季時長150～170 d，年極端低溫在-30 ℃以下，凌汛期太陽輻射與氣溫變化加劇，波動梯度較大，為冰塞冰壩形成及災(zāi)害風(fēng)險演變提供了關(guān)鍵性氣候條件。

2.2?動力因素

河流凌汛形成動力因素主要包括流量、斷面平均流速和槽蓄水增量等，冰水流動輸移促使冰花或碎冰塊在下游冰蓋前積聚、下潛，造成冰塞冰壩凌汛險情。其中：斷面平均流速對冰凌下潛堆積、冰蓋加厚、冰塞壅水等過程影響較大，是冰情形態(tài)演變和凌汛形成條件的重要判別指標;凌汛期流量過程波動性、升降梯度變化、凌峰流量大小以及高水位過程持續(xù)時間及漲落強度，對凌汛災(zāi)害形成與演變起到?jīng)Q定性作用，是凌汛致災(zāi)風(fēng)險程度識別的重要指標;槽蓄水增量是開河凌峰流量形成的重要影響因素，與凌汛期流凌密度、輸水流量、降溫強度等密切相關(guān)，上下游槽蓄水增量的沿程分布是開河期凌汛形成及災(zāi)害演變的重要動力條件。

2.3?邊界條件

河道邊界條件對于冰凌運動輸移、堵塞封凍、冰塞冰壩形成及險情災(zāi)情發(fā)生與演變具有重要影響，一般包括河勢走向、河道比降、縱橫斷面特征、河相變化、支流入?yún)R與引退水、堤防工程、河道整治工程、跨河橋梁工程等。不同河道邊界條件下，冰水耦合運動特性各有不同，黃河寧蒙段上下游總體河勢走向體現(xiàn)了高低緯度冬季氣溫空間分布差異性及低溫影響程度的差別，河道縱橫斷面特征一定程度影響了冰塞冰壩壅水高度和冰塞體大小規(guī)模，河道彎道處易引起冰凌堵塞封凍、卡冰結(jié)壩，河流分汊散亂處水流不集中、流速緩慢導(dǎo)致排冰不暢，且黃河寧蒙段泥沙長期淤積趨勢造成河床整體抬升，河相變化較大，凌汛期小流量高水位特點愈加突出，加劇了凌汛災(zāi)害風(fēng)險。

2.4?人類活動

黃河寧蒙段影響凌汛發(fā)生發(fā)展及災(zāi)害演變過程的人類活動因素主要包括水庫防凌調(diào)度運用、堤防與河道整治工程建設(shè)、分滯洪區(qū)防凌應(yīng)急調(diào)度、引排水渠修建使用等方面。黃河上游龍羊峽與劉家峽水庫聯(lián)合調(diào)度，結(jié)合海勃灣與萬家寨水利樞紐防凌調(diào)度運用，保障了黃河寧蒙段凌汛期小流量平穩(wěn)運行，一定程度調(diào)整了冬季河流流速和水溫分布情況，充分發(fā)揮了水力控制在凌汛災(zāi)害防治中的重要作用，但同時也改變了河段來水來沙特性，加劇了河道泥沙淤積導(dǎo)致的凌洪災(zāi)害風(fēng)險。黃河寧蒙段長時期多階段的河道整治工程建設(shè)，改善了河道主槽偏移擺動形勢，但也束窄了輸水排冰通道，一定程度阻礙了凌汛期冰凌輸移運動，為河冰堵塞堆積提供了便利邊界條件。黃河內(nèi)蒙古段分滯洪區(qū)防凌應(yīng)急調(diào)度，能夠削減重大凌汛災(zāi)害風(fēng)險與損失程度，為防凌減災(zāi)與應(yīng)急搶險提供保障。

3?凌汛災(zāi)害演變新特點

隨著氣候條件、水文情勢、河勢演變及人類活動等多元環(huán)境因素不斷變化，凌汛災(zāi)害不斷呈現(xiàn)新的特點及變化趨勢。根據(jù)凌災(zāi)影響因素及其驅(qū)動作用，綜合考慮歷年凌汛態(tài)勢發(fā)展過程及多元變異條件，分析凌災(zāi)影響因素及災(zāi)害特點變化，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）氣溫升高波動性大，封開河非穩(wěn)定變化，冰蓋變薄但沿程增厚。凌汛災(zāi)害產(chǎn)生的重要熱力環(huán)境因素主要包括氣溫、太陽輻射、水溫等，其中氣溫是影響凌汛形成的關(guān)鍵驅(qū)動條件。全球氣候變暖趨勢仍在持續(xù)和加強、波動性較大（見圖1），且黃河寧蒙段是全球氣候變化的敏感區(qū)，受年內(nèi)和年際間氣溫波動影響，歷年首封位置和封開河形勢差異性較大，呈現(xiàn)非穩(wěn)定變化趨勢。自上游至下游，冰蓋厚度沿程增大，但受氣候變暖條件影響，最大冰厚呈現(xiàn)整體逐年變薄趨勢，見圖2。

（2）封開河時序相反，封河推遲，開河提前，凌汛期多封多開，周期縮短。黃河寧蒙段洪水由上游低緯度地區(qū)流向下游高緯度地區(qū)，氣溫空間分布呈現(xiàn)沿程降低趨勢，致使冬季冰凍封河由下游向上游逆序發(fā)展，解凍開河則由上游向下游順序發(fā)展，封河日期推遲，開河日期提前，總體封凍時間變短但沿石嘴山至三湖河口河段不斷增大，凌汛期呈現(xiàn)縮短趨勢，見圖3。受凌汛期氣溫升降交替、冷暖劇變影響，凌汛期內(nèi)多處封河、多處開河、封開河交替變化現(xiàn)象日趨頻繁。

（3）冰期輸水流量增加，泄流能力降低，槽蓄水增量增大。自1968年黃河上游劉家峽水庫建成使用后，冬季按防凌調(diào)度規(guī)則運行，寧蒙河段凌汛期平均流量增大100～140 m3/s，如圖4（a）所示。隨著龍羊峽與劉家峽水庫聯(lián)合調(diào)度運行，黃河寧蒙河段來水來沙過程和特性變化較大，水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致河床淤積加劇，主槽淤積萎縮擺動頻繁，河相系數(shù)增大，河道趨寬淺化，輸水輸冰能力降低，平灘流量逐年減小。凌汛期槽蓄水增量1952—2010年逐年增大（如圖4（b）所示），不利于文開河形勢的平穩(wěn)發(fā)展。2011—2018年受黃河內(nèi)蒙古段分滯洪區(qū)與海勃灣水庫調(diào)度影響，槽蓄水增量呈現(xiàn)降低趨勢，有利于減輕凌汛災(zāi)害風(fēng)險。

（4）小流量高水位特點突出且非同步變化，凌峰流量增大且沿程遞增。黃河寧蒙段凌汛期小流量高水位是其最顯著特點，以石嘴山站2008—2009年度凌汛期水位流量過程為例，統(tǒng)計結(jié)果見圖5。分析可知，凌洪水位突發(fā)性升高常發(fā)生于封河之后，并于開河期開始逐漸降低，凌峰則常發(fā)生于開河時期且高峰歷時偏短，凌峰出現(xiàn)時間滯后于最高壅水水位出現(xiàn)時間，水位、流量表現(xiàn)出非同步變化趨勢。黃河寧蒙段不同測站不同時段年均凌峰流量統(tǒng)計結(jié)果見圖6。從時間角度分析，歷年凌峰流量整體呈現(xiàn)先增后減趨勢，凌峰流量增大主要原因是龍羊峽與劉家峽水庫聯(lián)合防凌調(diào)度下泄流量增大導(dǎo)致槽蓄水增量增大，近年來凌峰流量降低主要是受到分滯洪區(qū)應(yīng)急分凌與海勃灣水庫調(diào)度影響。從空間角度分析，受槽蓄水增量自上游至下游逐漸釋放影響，凌峰流量呈現(xiàn)沿程遞增趨勢，其中巴彥高勒站、三湖河口站和頭道拐站凌峰流量相差顯著。受三盛公水利樞紐運行影響以及槽蓄水增量空間分布不均勻性影響，巴彥高勒站凌峰流量略大于石嘴山站凌峰流量。

（5）高水位持續(xù)時間長，漲落梯度大，封開河水位變化復(fù)雜，凌汛險情易發(fā)。凌汛期水位驟漲突降且高水位持續(xù)時間長的特點尤為突出（見圖5），封河期水位短時上漲3～4 m，開河期短時降落2～3 m，水位突升突降現(xiàn)象明顯。黃河寧蒙段不同測站不同時段封河期和開河期凌汛最高水位均值統(tǒng)計見圖7。除頭道拐站外，其余水文測站封河期最高水位整體呈現(xiàn)升高趨勢，1968年后各測站開河期水位多呈現(xiàn)升高趨勢，一般情況下封河期最高水位偏高，封開河最高水位年際變化異常復(fù)雜。封開河期間水位漲落梯度大易導(dǎo)致堤防臨背河兩側(cè)滲壓差瞬時增大、滲流比降突然加大，且受凌洪高水位長時間浸泡，極易誘發(fā)堤防滲透破壞，具有險情易發(fā)、致災(zāi)風(fēng)險高、危害性大等特點。

（6）卡冰結(jié)壩頻次減少，冰塞發(fā)生次數(shù)增多，災(zāi)害影響與損失加大。據(jù)歷史資料和相關(guān)文獻統(tǒng)計，黃河寧蒙段1950—1967年卡冰結(jié)壩236次，年均發(fā)生13次，1969—1990年卡冰結(jié)壩84次，年均發(fā)生近4次，而1950—1967年發(fā)生冰塞災(zāi)害2次，發(fā)生概率為11.11%，1968—1995年共11 a發(fā)生冰塞災(zāi)害，發(fā)生概率為39.29%。由此可見，隨著劉家峽水庫建成以及其與龍羊峽水庫聯(lián)合調(diào)度運用，在氣候變暖、河床淤積、河勢多變等多因素綜合影響下，黃河寧蒙段卡冰結(jié)壩次數(shù)逐漸減小，冰塞逐漸增多，開河形式轉(zhuǎn)變?yōu)橐晕拈_河為主，武開河形式逐漸消失，凌情特征變化越發(fā)復(fù)雜，凌災(zāi)影響與損失總體逐年提升。

（7）凌汛致災(zāi)機理復(fù)雜，突發(fā)鏈發(fā)性強，防控難度大。黃河寧蒙段凌汛災(zāi)害為我國冬春季節(jié)大江大河中最突出、最重大的自然災(zāi)害，1986年以來已發(fā)生9次凌汛決口事件，受多重因素的復(fù)雜交互影響，凌汛形成、演變及致災(zāi)過程與機理尚難以清楚辨識，具有孕災(zāi)環(huán)境復(fù)雜、突發(fā)鏈發(fā)性強和防控難度大等特點，主要體現(xiàn)在歷年冰塞冰壩位置多變、冰塞冰壩及其災(zāi)害險情精準預(yù)測預(yù)報難度大、冰凌沖撞破壞力強、凌汛堤防多處突發(fā)性連續(xù)出險幾率大、冬春季凌災(zāi)搶險困難、災(zāi)害風(fēng)險與損失嚴重、凌災(zāi)風(fēng)險調(diào)度防控難度大等方面。

4?結(jié)?論

本文從熱力環(huán)境、動力因素、邊界條件和人類活動等方面分析總結(jié)了黃河寧蒙段凌汛水文過程及其致災(zāi)主要影響因素，多角度全方位地分析歸納了凌汛災(zāi)害演變新趨勢與特點，主要表現(xiàn)在7個方面：氣溫升高波動性大，封開河非穩(wěn)定變化，冰蓋變薄但沿程增厚;封開河時序相反，封河推遲，開河提前，凌汛期多封多開，周期縮短;冰期輸水流量增大，泄流能力降低，槽蓄水增量增大;小流量高水位特點突出且非同步變化，凌峰流量增大且沿程遞增;高水位持續(xù)時間長，漲落梯度大，封開河水位變化復(fù)雜，凌汛險情易發(fā);卡冰結(jié)壩頻次減少，冰塞發(fā)生次數(shù)增多，災(zāi)害影響與損失加大;凌汛致災(zāi)機理更為復(fù)雜，突發(fā)鏈發(fā)性強，防控難度大。黃河寧蒙段凌汛災(zāi)害整體呈現(xiàn)凌情稍有減輕、凌汛致災(zāi)因子與孕災(zāi)環(huán)境更為復(fù)雜、災(zāi)害影響損失加劇、防凌減災(zāi)形勢依然十分嚴峻的態(tài)勢，該成果可為黃河寧蒙段防凌形勢評估判別及新形勢下減災(zāi)策略規(guī)劃提供參考與支持。

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【責(zé)任編輯?許立新】