黃河寧蒙河段凌汛災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)體系研究

王仲梅 任艷粉 楊丹

摘 要：目前黃河寧蒙河段的凌汛災(zāi)害比較嚴(yán)重，急需對(duì)黃河冰凌災(zāi)害影響因子進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析，并凝練凌汛災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)，建立完善的凌汛預(yù)警指標(biāo)體系。采用資料分析歸納方法分析凌汛災(zāi)害影響四大因子，選取黃河寧蒙河段4個(gè)典型水文站1957—2020年的凌情資料，分析其氣溫、水位、流冰密度及冰厚的特點(diǎn)，確定氣溫、水位、流冰密度、冰厚為預(yù)警指標(biāo)，根據(jù)資料分析結(jié)果量化預(yù)警指標(biāo)，確定相應(yīng)的預(yù)警閾值，劃分藍(lán)、黃、橙、紅4個(gè)預(yù)警等級(jí)，為制定科學(xué)有效的應(yīng)急預(yù)案、減少經(jīng)濟(jì)損失提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：成因分析;凌情特點(diǎn);指標(biāo)體系;預(yù)警等級(jí);黃河

中圖分類(lèi)號(hào)：U456.3+3;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.009

引用格式：王仲梅，任艷粉，楊丹.黃河寧蒙河段凌汛災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)體系研究[J].人民黃河，2021，43（7）：45-50.

Abstract： At present， the ice flood disaster in Ningxia-Inner Mongolia reach of the Yellow River is relatively serious， so it is urgent to make a systematic and comprehensive analysis of the impact factors of the ice flood disaster and compact the ice flood disaster early warning index. This paper adopted data analysis and induction method to analyze the four factors affecting the flood season disaster， the data of four typical hydrological stations in Ningxia-Inner Mongolia reach of the Yellow River from 1957 to 2020 were selected， the characteristics of air temperature， water level， ice density and ice thickness were analyzed and determined the temperature， the density of water， ice， ice thickness as early warning indexes. According to the results of data analysis， quantitative warning indicators were used to determine the corresponding warning threshold， dividing into four warning levels of blue， yellow， orange and red， which could provide basis for making a scientific and effective emergency plan and reducing economic loss.

Key words： cause analysis; characteristics of ice flood; indicator system; warning level;Yellow River

黃河是我國(guó)凌汛出現(xiàn)最頻繁的河流，其中寧蒙河段最為嚴(yán)重，這是由它特殊的地理位置、水文氣象條件、河道特性決定的。在全球變暖的大環(huán)境下，近年來(lái)黃河凌汛威脅有所緩解，但是極端天氣頻繁發(fā)生，自1986年以來(lái)內(nèi)蒙古河段已發(fā)生6次較嚴(yán)重的凌汛決口[1]，防凌工作已經(jīng)成為黃河防汛的重要內(nèi)容。以往建立的黃河寧蒙河段凌汛預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要是對(duì)該河段封開(kāi)河日期、流凌日期的預(yù)報(bào)，提前做出凌汛危險(xiǎn)程度的中期預(yù)測(cè)或短期預(yù)警[2]，并未針對(duì)凌汛影響因子形成全面的預(yù)警體系。目前迫切需要對(duì)黃河冰凌災(zāi)害影響因子進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析，并凝練凌汛災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)，建立完善的凌汛預(yù)警指標(biāo)體系。

1 凌汛災(zāi)害影響因子分析

1.1 河勢(shì)因素

寧蒙河段位于黃河“幾”字形的頭部，見(jiàn)圖1。黃河石嘴山以下河段河道比降呈“上大下小”趨勢(shì)，棗園以下260 km的河道比降為0.01%～0.02%，為常封凍河段;內(nèi)蒙古河段河床自上而下逐漸由窄深變?yōu)閷挏\，昭君墳至頭道拐河段比降僅為0.009%～0.011%，也為常封凍河段;拐上至萬(wàn)家寨河段由北向南流，比降大，一般不封凍。

寧蒙河段河床從上至下逐漸由窄深變?yōu)閷挏\，昭君墳段最窄，僅有200～600 m。巴彥高勒至頭道拐河段，河道彎曲[3]。解凍開(kāi)河時(shí)，流冰常在狹窄彎曲河段受阻，再加上河道橫向環(huán)流的作用，灘嘴向河中延伸，河道彎曲更甚，流凌流路更為不暢。

1.2 熱力因素

氣溫是熱力因素中應(yīng)考慮的主要因素。河流冰凌是低溫的產(chǎn)物，常產(chǎn)生在寒潮或冷空氣入侵后。內(nèi)蒙古河段與其他河段相比降溫早，回暖晚，負(fù)氣溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，先于其他河段結(jié)冰。該河段結(jié)冰后，上游河道的浮冰在該封凍河段受阻后，一方面加大了河道的水流阻力，壅高水位;另一方面可能形成冰塞冰壩，產(chǎn)生凌災(zāi)[4]。累計(jì)負(fù)氣溫影響冰厚及冰量的多少，累計(jì)正氣溫影響融冰速度、解凍開(kāi)河時(shí)間。

1.3 動(dòng)力因素

流量、流速、水位、風(fēng)力等是影響河流冰凌的動(dòng)力因素[5]。水流流速直接影響河流冰凌的運(yùn)動(dòng)、堆積、阻塞。水位上漲的多少與開(kāi)河形勢(shì)息息相關(guān)，當(dāng)水位平穩(wěn)變化時(shí)，河段逐漸融冰開(kāi)河，出現(xiàn)“文開(kāi)河”的局面;當(dāng)水位急速變化時(shí)，會(huì)引起河段水鼓冰裂，出現(xiàn)“武開(kāi)河”的局面。流量、水位與流速在一定條件下具有函數(shù)關(guān)系。風(fēng)力也是影響冰情的一個(gè)因素，流凌時(shí)期，冷風(fēng)會(huì)加速空氣與水體的熱傳遞，從而加速河面封凍;開(kāi)河時(shí)期，大風(fēng)不僅能加速融冰開(kāi)河，而且有時(shí)能促使冰體向下游運(yùn)移，加大河段卡冰、冰塞程度。

1.4 人類(lèi)活動(dòng)影響

人類(lèi)活動(dòng)對(duì)冰情的影響主要分為工程影響和非工程影響兩大類(lèi)。非工程影響主要有凌情的監(jiān)測(cè)與防洪調(diào)度;影響冰情的工程主要有分凌工程、引水工程、堤防工程、水庫(kù)工程等，其中水庫(kù)工程對(duì)冰情的影響最大。一方面水庫(kù)及周邊工程的修建導(dǎo)致天然河流的局部邊界條件發(fā)生改變;另一方面水庫(kù)蓄水使河道上游集水面積增大，水溫相對(duì)較高，對(duì)河段的氣候產(chǎn)生很大的影響，同時(shí)水庫(kù)的運(yùn)用直接改變了冰期河段的徑流量，因而從熱力因素及動(dòng)力因素上影響冰情的發(fā)展變化。

龍羊峽水庫(kù)、劉家峽水庫(kù)運(yùn)用前寧蒙河段為天然河道，水庫(kù)運(yùn)用后河道流量受調(diào)度控制[6-7]，內(nèi)蒙古河段的凌汛發(fā)生了明顯改變，災(zāi)情大大減輕，但是在特定條件下，仍可能發(fā)生較大的凌汛災(zāi)害。萬(wàn)家寨水庫(kù)運(yùn)用后，頭道拐至壩前因庫(kù)區(qū)流速較小，故容易卡冰形成冰塞[8]。寧夏河段石嘴山站至內(nèi)蒙古河段頭道拐站為寧蒙河段的穩(wěn)定封凍河段。

2 寧蒙河段凌汛情況分析

寧蒙河段大致呈Γ形（見(jiàn)圖2），地處黃河流域最北端，屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷（最低氣溫可達(dá)-35 ℃）且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（4～5個(gè)月），大部分河段為穩(wěn)定封凍河段。本文重點(diǎn)研究石嘴山站至頭道拐站區(qū)間河段。

寧蒙河段穩(wěn)定封凍區(qū)域內(nèi)具有長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)記錄的4個(gè)水文站分別為石嘴山站、巴彥高勒站、三湖河口站、頭道拐站。其中：石嘴山站所處河段比較順直;巴彥高勒水文站和三湖河口水文站之間的河道橫向變化幅度大，屬于游蕩型（辮狀）河道;頭道拐站所處河段彎曲。4個(gè)水文站具有典型性和代表性，故以這4個(gè)典型站的凌情資料作為主要研究對(duì)象。凌情資料數(shù)據(jù)來(lái)自黃河水情信息查詢(xún)及會(huì)商系統(tǒng)（http：//10.4.1.9/sqweb/）以及黃河水利委員會(huì)水文局編寫(xiě)的《黃河凌情資料整編及特點(diǎn)分析（黃河上、中游部分1950—2005）》。

2.1 氣溫特征分析

黃河封河與開(kāi)河是溫度維持在一定區(qū)間內(nèi)較長(zhǎng)時(shí)間的結(jié)果，選取寧蒙河段4個(gè)典型站1957—2020年共63 a封凍期累計(jì)負(fù)（正）氣溫資料進(jìn)行分析。累計(jì)負(fù)（正）氣溫是指氣溫轉(zhuǎn)負(fù)（正）日期到封（開(kāi)）河日期逐日氣溫的累計(jì)值。受篇幅限制，只選取其中15 a數(shù)據(jù)，選取方法是將63 a數(shù)據(jù)進(jìn)行降序排列，選取排列中前5 a、后5 a和中間5 a數(shù)據(jù)作圖，見(jiàn)圖3～圖6。

石嘴山站累計(jì)負(fù)氣溫（累計(jì)負(fù)氣溫取絕對(duì)值，下同）最大值為1969年的665.4 ℃，最小值為1974年的111.9 ℃，兩者相差553.5 ℃，有10 a累計(jì)負(fù)氣溫在100～200 ℃之間，有40 a在200～400 ℃之間，有4 a大于400 ℃，有9 a未封凍;累計(jì)正氣溫最大值為1976年的106.3 ℃，最小值為2012年的-67 ℃，兩者相差173.3 ℃，有37 a累計(jì)正氣溫在-20～20 ℃之間，有2 a小于-20 ℃，有6 a大于20 ℃。

巴彥高勒站累計(jì)負(fù)氣溫最大值為349.3 ℃，出現(xiàn)在2019年，最小值出現(xiàn)在1972年，為55.1 ℃，相差294.2 ℃，有34 a累計(jì)負(fù)氣溫在100～200 ℃之間，有15 a在50～100 ℃之間，有13 a大于200 ℃，有1 a未封凍;累計(jì)正氣溫最大值出現(xiàn)在1971年，為55.1 ℃，最小值出現(xiàn)在2008年，為-69.5 ℃，相差124.6 ℃，其中有43 a累計(jì)正氣溫在-20～20 ℃之間，有4 a小于-20 ℃，有12 a大于20 ℃。

三湖河口站累計(jì)負(fù)氣溫最大值為250.5 ℃，出現(xiàn)在1989年，最小值出現(xiàn)在2016年，為24.0 ℃，相差226.5 ℃，其中有38 a累計(jì)負(fù)氣溫在50～150 ℃之間，有14 a小于50 ℃，有9 a大于150 ℃，有1 a未封凍;累計(jì)正氣溫最大值出現(xiàn)在1979年，為109.5 ℃，最小值出現(xiàn)在2006年，為-26.5 ℃，相差136.0 ℃，有5 a累計(jì)正氣溫大于50 ℃，有5 a小于0 ℃，其余年份均在0～50 ℃之間。

頭道拐站累計(jì)負(fù)氣溫最大值為590.5 ℃，出現(xiàn)在1963年，最小值出現(xiàn)在1986年，為8.0 ℃，相差582.5 ℃，其中有39 a累計(jì)負(fù)氣溫在100～300 ℃之間，有13 a在0～50 ℃之間，有7 a大于300 ℃，有1 a未封凍;累計(jì)正氣溫最大值出現(xiàn)在1957年，為54.3 ℃，最小值出現(xiàn)在2006年，為-54.7 ℃，相差109.0 ℃，有39 a累計(jì)正氣溫在0～-30 ℃之間，有10 a大于30 ℃，有3 a小于0 ℃。

綜上所述，通過(guò)分析不同站點(diǎn)不同年份的累計(jì)負(fù)（正）氣溫，直接判定熱力因素對(duì)封（開(kāi)）河的影響程度，累計(jì)負(fù)（正）氣溫值可以作為凌汛預(yù)警指標(biāo)之一。通過(guò)資料分析，4個(gè)水文站累計(jì)負(fù)氣溫平均值在100～270 ℃范圍內(nèi)，累計(jì)正氣溫平均值在1～20 ℃范圍內(nèi)。

2.2 凌汛水位分析

凌汛水位是發(fā)生凌汛險(xiǎn)情的一個(gè)重要控制性指標(biāo)。由于寧蒙河段堤防標(biāo)準(zhǔn)低，目前仍未建成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化堤防，把堤防設(shè)計(jì)水位作為一個(gè)控制性指標(biāo)并不穩(wěn)妥，因此可以設(shè)置警戒水位和防凌臨界水位兩種特征水位，當(dāng)河道水位上漲到某一特征水位時(shí)，啟動(dòng)凌汛預(yù)警。

對(duì)于達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的堤防，取防凌設(shè)計(jì)水位作為警戒水位;對(duì)于堤防未達(dá)標(biāo)河段，用堤頂高程減去安全超高作為警戒水位。考慮到現(xiàn)有堤防的標(biāo)準(zhǔn)，用堤頂高程減去1.5 m作為防凌臨界水位。統(tǒng)計(jì)1957—2020年各站封凍期最高水位資料，見(jiàn)圖7。

石嘴山—頭道拐河段凌汛期水位：石嘴山水文斷面凌汛期最高水位多年均值為1 088.38 m;巴彥高勒水文斷面凌汛期最高水位多年均值為1 052.44 m;三湖河口水文斷面凌汛期最高水位多年均值為1 019.58 m;頭道拐水文斷面凌汛期最高水位多年均值為988.64 m。石嘴山—頭道拐河段防凌設(shè)計(jì)水位可以參照各站凌汛期最高水位多年均值取值。

2.3 封開(kāi)河流凌密度分析

流凌密度是指河道斷面流凌寬度與過(guò)水?dāng)嗝婵倢挾鹊谋戎怠Ａ髁枋菤鉁亟档? ℃以下以后，水體與大氣產(chǎn)生熱交換，水體失熱，當(dāng)水溫降到冰點(diǎn)以后形成過(guò)冷卻水而產(chǎn)生的。產(chǎn)生流凌以后，由于水體繼續(xù)失熱，因此流冰量逐漸增大。影響流凌密度的因素主要是負(fù)氣溫和前1 d的流凌密度。對(duì)于氣溫急劇變化的河流，如黃河上游內(nèi)蒙古河段，前一天氣溫為0 ℃以上，次日就可能降為-10 ℃以下，流凌密度很快達(dá)到50%以上，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)當(dāng)天流凌當(dāng)天封河的情況。從石嘴山、巴彥高勒、三湖河口、頭道拐4個(gè)水文站的流凌密度資料（見(jiàn)圖8）來(lái)看，封河時(shí)流凌密度普遍大于開(kāi)河時(shí)流凌密度，封河時(shí)流凌密度穩(wěn)定在30%以上，大部分分布在30%～50%之間;開(kāi)河時(shí)流凌密度分布范圍較廣，從10%至60%不等，大部分分布在10%～20%之間。石嘴山站2015年開(kāi)河時(shí)，仍有冰厚記錄，暫且認(rèn)為流凌密度為100%。總體來(lái)看，流凌密度是封河的主要參考指標(biāo)，當(dāng)流凌密度持續(xù)增加，達(dá)到70%時(shí)，隨時(shí)可能封河。

2.4 封凍期間冰厚分析

在進(jìn)行凌汛災(zāi)害研究時(shí)，冰層厚度是必不可少的觀(guān)測(cè)參數(shù)之一，觀(guān)測(cè)并分析冰厚對(duì)解決凌汛災(zāi)害及水利工程安全設(shè)施的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。對(duì)1957—2020年各站封凍期最大冰厚資料進(jìn)行分析，見(jiàn)圖9。可見(jiàn)，頭道拐站、三湖河口站、巴彥高勒站、石嘴山站冰厚主要集中在40～80 cm之間。

3 凌汛災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)體系

3.1 凌汛預(yù)警指標(biāo)閾值確定

我國(guó)多數(shù)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)分為藍(lán)（Ⅳ級(jí)）、黃（Ⅲ級(jí)）、橙（Ⅱ級(jí)）、紅（Ⅰ級(jí)）4級(jí)。已有的預(yù)警制度警報(bào)設(shè)置信號(hào)不全面，分級(jí)指標(biāo)不明確，因此如何相對(duì)科學(xué)、合理地建立預(yù)警指標(biāo)尤為重要。

綜合考慮凌汛災(zāi)害影響因子，凌汛的預(yù)警指標(biāo)可以從氣溫、流冰密度、水位、冰厚等方面考慮。根據(jù)可能出現(xiàn)的冰塞、冰壩等各種冰凌災(zāi)害以及堤防出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的管涌、滲漏或局部垮塌現(xiàn)象，選取不同的方式，同時(shí)采用不同的顏色來(lái)劃分預(yù)警等級(jí)。參照我國(guó)大多數(shù)預(yù)警指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將凌汛災(zāi)害預(yù)警等級(jí)劃分為藍(lán)（Ⅳ級(jí)）、黃（Ⅲ級(jí)）、橙（Ⅱ級(jí)）、紅（Ⅰ級(jí)）4級(jí)。

（1）氣溫指標(biāo)。根據(jù)氣象部門(mén)劃分的低溫等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并綜合考慮4個(gè)水文站累計(jì)氣溫情況，凌汛氣溫預(yù)警閾值設(shè)置見(jiàn)表1。

（2）水位指標(biāo)。結(jié)合歷史凌汛災(zāi)害發(fā)生時(shí)的水位及綜合考慮4個(gè)水文站凌汛期最高水位分析情況，凌汛水位預(yù)警閾值設(shè)置見(jiàn)表2。

（3）流凌密度指標(biāo)。綜合考慮4個(gè)水文站流凌密度分析情況，凌汛流凌密度預(yù)警閾值設(shè)置見(jiàn)表3。

（4）冰厚指標(biāo)。綜合考慮4個(gè)水文站冰厚分析情況，凌汛冰厚預(yù)警閾值設(shè)置見(jiàn)表4。

3.2 凌汛預(yù)警指標(biāo)體系建立

目前寧蒙河段凌汛預(yù)警方面的研究處于空白階段，還沒(méi)有建立凌汛預(yù)警指標(biāo)體系?？紤]寧蒙河段河道變化特征及實(shí)際的應(yīng)急處置能力，結(jié)合各段堤防出

4 結(jié) 語(yǔ)

本文系統(tǒng)分析了黃河寧蒙河段凌汛災(zāi)害成因和凌情特征，凝練出黃河寧蒙河段的凌汛災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)，并對(duì)指標(biāo)進(jìn)一步量化，劃分藍(lán)、黃、橙、紅4個(gè)預(yù)警等級(jí)，確定了相應(yīng)的啟動(dòng)閾值和建議預(yù)防措施，填補(bǔ)了黃河寧蒙河段凌汛預(yù)警研究的空白。預(yù)警指標(biāo)體系的建立，可為黃河寧蒙河段防凌減災(zāi)工作提供決策依據(jù)，以便積極采取有效的防凌措施，減少災(zāi)害損失。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王富強(qiáng)， 韓宇平. 黃河寧蒙河段冰凌成因及預(yù)報(bào)方法研究[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社， 2014：1-2.

[2] 白美蘭，宮德吉，郝潤(rùn)全.黃河內(nèi)蒙古段凌汛預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[J]. 內(nèi)蒙古氣象，2001（4）：26-28.

[3] 可素娟.黃河冰凌研究[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2002：56-57.

[4] 陳正，李楊，高洪濤.黃河內(nèi)蒙古段凌汛的危害及其氣候地理成因[J].內(nèi)蒙古氣象，2008（2）：32-33.

[5] 王文東，張芳華，康志明，等.黃河寧蒙河段凌汛特征及成因分析[J].氣象，2006（3）：32-38.

[6] 郭彥，侯素珍，胡恬，等.龍劉水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用對(duì)黃河上游徑流量變化的影響[J].水電能源科學(xué)，2014，32（8）：39-42.

[7] 李雪梅，王玲，林銀平，等.龍劉水庫(kù)調(diào)節(jié)對(duì)黃河上游汛期水量變化的影響[J].人民黃河，2008，30（11）：65-66.

[8] 曹大成，寧懷文，王文海，等.黃河上游水庫(kù)運(yùn)行對(duì)寧蒙河段影響作用綜述[J].內(nèi)蒙古水利，2012（1）：16-18.

【責(zé)任編輯 許立新】