黃河流域河湖冰科研現(xiàn)狀及意義

史小紅

隨著黃河冰情研究、探索河冰的生消演變和輸移機(jī)理的開展，分析冰蓋、冰壩、冰塞的形成、發(fā)展過程，提出有效的防凌減災(zāi)措施，對(duì)保護(hù)人民生命、財(cái)產(chǎn)安全，保障地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

河冰、湖冰是高緯度地區(qū)河流、湖泊冬季典型的自然現(xiàn)象，在寒區(qū)水資源開發(fā)、利用及水環(huán)境管理中是重點(diǎn)考慮的因素之一。河流結(jié)冰形成的冰塞、冰壩可能會(huì)導(dǎo)致凌汛洪水的發(fā)生，危害河道及周邊安全，同樣也會(huì)危害河工建筑物安全及影響水電站的正常運(yùn)行，在有通航要求的河道上也會(huì)影響通航條件。河冰的存在會(huì)改變河道的水力條件，進(jìn)而影響河道中泥沙輸移并導(dǎo)致河道形態(tài)改變，對(duì)河道的水質(zhì)變化、魚類的生存條件及河道生態(tài)都會(huì)產(chǎn)生影響。對(duì)于湖冰而言，以我國蒙新高原湖區(qū)、東北平原與山地湖區(qū)、青藏高原湖區(qū)的三大湖區(qū)為例，每年大約12月左右進(jìn)入湖泊結(jié)冰期，翌年1月、2月達(dá)到穩(wěn)定冰封狀態(tài)，3月中旬到4月左右開始融化，到5月基本進(jìn)入完全融化狀態(tài)，冰封期長達(dá)半年左右，冰層厚達(dá)0.4～1.2m。湖泊水環(huán)境特征在冰封期和非冰封期會(huì)表現(xiàn)出非常大的差異，由凍融作用而形成寒區(qū)湖泊污染物獨(dú)特的遷移特征，對(duì)于寒區(qū)高鹽堿湖泊環(huán)境變化具有重要意義。

一、黃河流域冰情概述

黃河流域東西跨越23個(gè)經(jīng)度、南北相隔10個(gè)緯度，冬春季受西伯利亞和蒙古一帶冷空氣的影響，導(dǎo)致黃河流域中、上游地區(qū)冰期往往持續(xù)時(shí)間長（4～5個(gè)月）、冰情復(fù)雜且嚴(yán)重。冰情的存在除對(duì)河道交通、供水、發(fā)電和水工建筑物有直接影響外，同時(shí)，河道冰蓋的形成增加了河道糙率及濕周，降低過流能力，使得同流量情況下冬季河道水位較平時(shí)增加1～1.5m。尤其是凌汛期河道中形成的冰壩、冰塞會(huì)顯著減小過流斷面面積，雍高上游河道水位，造成凌汛洪水決堤而泛濫成災(zāi)。

黃河上游的寧蒙河段和下游的河南、山東河段受特殊的河道走向及地理位置影響而成為凌汛災(zāi)害嚴(yán)重的兩個(gè)河段。近些年，受氣候變暖和人工控導(dǎo)工程的修建（三門峽水庫、小浪底水庫等），黃河下游河南、山東河段冰凌問題已經(jīng)基本消除，未造成嚴(yán)重的凌汛災(zāi)害。而寧蒙河段，尤其是黃河內(nèi)蒙古段依然是冰情嚴(yán)重、凌災(zāi)頻發(fā)的地區(qū)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，黃河內(nèi)蒙古段1950—1968年間（劉家峽水庫運(yùn)用前）開河結(jié)壩達(dá)236處，平均每年13處，“文開河”、“武開河”及“半文半武開河”年份各占1/3。1968—1990年，由于水庫控制運(yùn)用，開河結(jié)壩共84處，平均每年4處，“文開河”年份占68%，“武開河”及“半文半武開河”占32%（馮國華，2009）。1990—2010年開河結(jié)壩36處，平均每年1.8處?？偟膩砜?，由于上游上庫、水閘等控導(dǎo)工程作用，凌洪災(zāi)害有所減輕，但防凌形勢依然嚴(yán)峻，較大范圍的凌災(zāi)淹沒損失平均2年1次，特別是有些年份個(gè)別河段的凌洪災(zāi)害仍相當(dāng)嚴(yán)重。例如，2008年3月20日黃河內(nèi)蒙古段三湖河口彎道附近的獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)發(fā)生了一場幾十年未遇的黃河凌災(zāi)。受災(zāi)面積106平方千米，受災(zāi)群眾3885戶、10241人，水利、交通、通信等公共基礎(chǔ)設(shè)備損毀嚴(yán)重，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)69120萬元。國家和內(nèi)蒙古自治區(qū)每年花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力用于黃河內(nèi)蒙古段的防凌減災(zāi)。

二、黃河流域河冰研究動(dòng)態(tài)

關(guān)于黃河河冰的研究，最早《老殘游記》小說中就精彩描述了黃河河冰的形態(tài)與輸移、堆積過程。中國的冰凌問題在黃河，而黃河的冰凌問題在內(nèi)蒙。尤其是上世紀(jì)80年代以后，黃河上游龍羊峽、青銅峽、鹽鍋峽等各大、中型水庫運(yùn)行及周邊環(huán)境惡化，黃河內(nèi)蒙古段來流量減少，河道淤積嚴(yán)重，使得河床抬升，黃河內(nèi)蒙古段已成“懸河”之勢，凌汛災(zāi)害亟需引起重視。

上世紀(jì)中后期，黃河的觀測和研究更加系統(tǒng)和全面，相繼在黃河寧夏、內(nèi)蒙古段和下游開展了預(yù)報(bào)，最初主要采用指標(biāo)法，逐步建立了大量的相關(guān)圖和關(guān)系式。除繼續(xù)進(jìn)行專項(xiàng)觀測研究外，對(duì)已研究的成果，結(jié)合有關(guān)資料進(jìn)行了系統(tǒng)整理分析，編寫各種專著。90年代后，黃河水利委員會(huì)先后在與芬蘭Atri-Reiter公司、美國Clankson大學(xué)的Hung Tao Shen合作的基礎(chǔ)上，建立了適用于黃河下游的預(yù)報(bào)模型，這對(duì)黃河防凌工作具有至關(guān)重要的作用（陳贊廷，1994）。氣溫是影響河冰過程及特征的重要因素，康玲玲（2001）等根據(jù)1951—1998年黃河下游代表站冬季氣溫資料，統(tǒng)計(jì)分析了近30年平均氣溫和氣溫過程變化特點(diǎn)及其對(duì)凌情的影響，并在分析負(fù)氣溫演變特點(diǎn)及其凌情關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了氣溫-凌情相關(guān)關(guān)系式，同時(shí)利用70年代以來氣溫、凌情資料，計(jì)算分析了氣溫變化和其他因素對(duì)凌情的影響。可素娟（2000，2001，2002）對(duì)黃河內(nèi)蒙古段河冰過程進(jìn)行了大量分析，建立了預(yù)報(bào)封河的一維數(shù)學(xué)模型，從水力條件、熱力條件及河道邊界條件三方面研究冰塞的形成原因、條件和機(jī)理。陳守煜和冀鴻蘭（2002，2004，2005，2008）通過分析近幾十年的氣溫、流量及冰情資料，總結(jié)了黃河內(nèi)蒙古段影響冰情的主要因素。建立了基于模糊優(yōu)選神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)冰凌預(yù)報(bào)系統(tǒng)，通過已有的水文、氣象資料對(duì)模型中的預(yù)報(bào)因子進(jìn)行率定。并根據(jù)黃河內(nèi)蒙古河段上巴彥高勒、三湖河口、頭道拐三個(gè)水文站的冰期數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，模型可以較好地預(yù)報(bào)封河、開河日期。

隨著河冰理論和數(shù)值模擬的不斷發(fā)展，研究者已經(jīng)能夠模擬河冰形成、輸移及堆積過程（李超，2015），并對(duì)初始卡冰位置、原因及機(jī)理過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，指出岸冰的生長導(dǎo)致彎道頂下方河道變窄區(qū)域最易形成卡冰（李超，2015;李紅芳，2016）。綜合河冰的熱力過程，模擬冰蓋熱力增厚、衰減及預(yù)報(bào)文開河日期（史新娟，2013;朱欽博，2015）。建立了基于GIS、RS、GPS等“3S”技術(shù)為基礎(chǔ)的河冰觀測方法及體系，實(shí)現(xiàn)了河冰過程大尺度、長序列的特性分析及規(guī)律研究（李超，2016;趙水霞，2017），對(duì)于黃河冰情的監(jiān)測及模擬技術(shù)逐漸智能化及數(shù)字化（牟獻(xiàn)友，2020）。

三、黃河流域湖冰研究簡述

我國寒區(qū)的湖泊，不僅是歷史氣候變遷的重要指示器和研究的切入點(diǎn)，而且是區(qū)域水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)和不可缺失的構(gòu)成部分。它對(duì)區(qū)域生態(tài)與環(huán)境變化有直接影響并起著重大生態(tài)調(diào)節(jié)作用。關(guān)于湖冰環(huán)境研究，目前國內(nèi)外學(xué)者多集中于氣候變化對(duì)長期湖泊水位與面積動(dòng)態(tài)變化（馬龍，2010;Michael Emann，1999），及湖面結(jié)冰期的影響（Benson BJ，2012），湖泊淡水冰熱力學(xué)過程、湖冰光學(xué)性質(zhì)分析（楊清華，2013），湖冰冰厚及測量（李志軍，2013），并已建立出冰蓋熱力生長及消退模型（Ayumi Fujisaki，2012）。關(guān)于冰、水介質(zhì)間化學(xué)物質(zhì)遷移研究在天然水體中，僅見在海洋結(jié)冰過程中鹽分由冰向水析出的研究報(bào)道。如新形成的冰含有10～15‰的鹽，1～2m厚的冰含有5～8‰的鹽，多年形成的冰僅含有0.1～3.0‰的鹽分（姜東生，2014）。而在人工環(huán)境下，結(jié)冰過程中化學(xué)物質(zhì)的析出研究，多集中用于化學(xué)分析、食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域（葉正偉，2013）。近些年有利用冷凍技術(shù)對(duì)某污染成分進(jìn)行提純、分離等方面的研究，Muller（2011）等應(yīng)用漸進(jìn)冷凍法處理廢水，以總有機(jī)碳（TOC）、COD、氨氮和電導(dǎo)率為指標(biāo)，對(duì)生活廢水處理時(shí)，其純化率可高達(dá)99%，對(duì)高濃度工業(yè)廢水處理其純化率可達(dá)91%。于濤、馬軍等人（2006）應(yīng)用兩級(jí)冷凍分離法處理空間站尿液，試驗(yàn)結(jié)果表明，冷凍法對(duì)其中各種雜質(zhì)均有良好的去除效果，可去除原尿液97%以上的氨氮和有機(jī)物及91%以上的鹽。高峰等（2005）將冷凍分離法用以處理大豆乳清廢水，大大降低了廢水中的COD值，減少了對(duì)環(huán)境的污染。

黃河流域湖冰研究，以烏梁素海湖冰研究為例。烏梁素海是黃河流域干旱、半干旱地區(qū)最大的湖泊，也是我國八大淡水湖之一，內(nèi)蒙古自治區(qū)第二大湖泊，屬于世界范圍內(nèi)干旱、半干旱地區(qū)極為少見的具有很高生態(tài)價(jià)值的大型多功能湖泊濕地，生物多樣性表現(xiàn)典型，地理區(qū)位重要。是我國北方干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)田-荒漠-草原-森林復(fù)合植被區(qū)系帶生態(tài)系統(tǒng)的典型湖泊濕地。四季分明，湖泊每年有5個(gè)月左右處于冰封狀態(tài)，具有寒區(qū)湖泊生態(tài)環(huán)境的典型特征。目前關(guān)于烏梁素海湖冰研究內(nèi)容主要包括：湖泊冰封期水環(huán)境野外監(jiān)測、模擬、試驗(yàn);冰封期湖泊環(huán)境特征指標(biāo)及污染物空間分異規(guī)律，集中在冰封期湖泊污染物在冰-水-沉積物中的分異規(guī)律及冰封期湖泊冰蓋組構(gòu)特征對(duì)污染物分布的影響;凍融過程中污染物的多介質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，例如：污染物在冰-水介質(zhì)中的微觀結(jié)構(gòu)模型及遷移機(jī)理、污染物在冰-水-沉積物多介質(zhì)中的遷移模擬、不同凍結(jié)條件對(duì)冰中污染物排出的影響等;凍融作用對(duì)湖泊環(huán)境變化影響效應(yīng)，例如：凍融作用污染物遷移量估算、冰蓋生消過程模擬、冰封期水環(huán)境營養(yǎng)鹽負(fù)荷模型等;冰封期湖泊光、熱特性及溶解氧特征;湖冰環(huán)境中真光層深度及初級(jí)生產(chǎn)力模擬研究等。

四、黃河流域河湖冰科學(xué)研究意義

隨著黃河冰情研究、探索河冰的生消演變和輸移機(jī)理的開展，分析冰蓋、冰壩、冰塞的形成、發(fā)展過程，提出有效的防凌減災(zāi)措施，對(duì)保護(hù)人民生命、財(cái)產(chǎn)安全，保障地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于湖泊而言，在寒旱區(qū)生態(tài)環(huán)境本就脆弱，加上人類對(duì)湖泊水資源的不合理利用，將大量的農(nóng)田退水、工業(yè)廢水和生活廢水排入湖泊，致使湖泊污染加劇，富營養(yǎng)化問題突出，生物多樣性銳減，危及湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)，水環(huán)境安全的形勢極為嚴(yán)峻。明確凍結(jié)與融化作用對(duì)各種污染物質(zhì)遷移的貢獻(xiàn)值，可為湖泊環(huán)境保護(hù)、治理的最佳時(shí)間與方案制定提供科學(xué)依據(jù)。開展黃河流域河湖冰科學(xué)研究，對(duì)于推動(dòng)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展具有重要的科學(xué)價(jià)值與意義。