寧蒙河段2015—2016年度凌情特點(diǎn)及凌災(zāi)成因分析

胡士輝，張 健，趙文榮

(黃河水利委員會(huì)水文局，河南 鄭州 450004)

黃河位于我國(guó)中北部，受大陸性季風(fēng)氣候影響，冬季部分河段會(huì)出現(xiàn)封凍。受地理位置、河流走向和河道條件等因素的影響，黃河寧蒙河段和下游河段是凌情災(zāi)害重點(diǎn)防控河段[1]。不少專(zhuān)家學(xué)者對(duì)凌情發(fā)展機(jī)理、冰凌預(yù)報(bào)、凌災(zāi)成因等進(jìn)行研究，劉吉峰等[2]研究提出了未來(lái)黃河防凌決策對(duì)凌情預(yù)報(bào)的技術(shù)需求；郭立新等[3]研究了黃河山東段冰情影響因素、機(jī)制及觀測(cè)方法；張瑞春[4]通過(guò)fluent數(shù)值模擬方法研究了不同冰厚時(shí)的冰蓋等效應(yīng)力情況；段高云[5]開(kāi)展了黃河內(nèi)蒙古河段防凌防洪運(yùn)用方式研究等等，本文在吸收借鑒前述研究的基礎(chǔ)上，利用2015—2016年度水文氣象及凌情觀測(cè)資料，分析本年度寧蒙凌情特點(diǎn)及其凌災(zāi)成因，為該河段防凌減災(zāi)以及凌情預(yù)報(bào)提供參考。

1 凌情概況

黃河寧蒙河段位于黃河流域最北端，自寧夏中衛(wèi)縣黑山峽入境，至內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗馬柵鄉(xiāng)出境，全長(zhǎng)1217km，是黃河防凌的重點(diǎn)河段[6]。2015年11月24日寧蒙河段三湖河口段開(kāi)始流凌，12月15日頭道拐斷面上游4km什四份子險(xiǎn)工處出現(xiàn)首封，2016年1月22日封凍上首至寧夏回族自治區(qū)沙坡頭庫(kù)區(qū)，最大封凍長(zhǎng)度888km，其中寧夏河段208km(含寧蒙交叉段40km)，內(nèi)蒙古河段680km。2月7日封凍上首寧夏沙坡頭庫(kù)區(qū)開(kāi)始融冰解凍，3月3日寧夏河段開(kāi)河，3月24日內(nèi)蒙古河段全線開(kāi)通，封開(kāi)河歷時(shí)101d。

2015—2016年度凌災(zāi)災(zāi)情導(dǎo)致直接經(jīng)濟(jì)損失3729萬(wàn)元。封河期間，由于萬(wàn)家寨庫(kù)尾喇嘛灣河段發(fā)生嚴(yán)重冰塞，造成清水河縣4650畝耕地、30畝魚(yú)塘、3.7km公路淹沒(méi)，5戶(hù)村民家中受淹，損毀水利設(shè)施7套，庫(kù)區(qū)左岸交通道路因上水被迫封閉132h。開(kāi)河期間，萬(wàn)家寨庫(kù)尾再次發(fā)生冰塞，水位驟漲，致使庫(kù)區(qū)右岸準(zhǔn)格爾旗大路鎮(zhèn)3個(gè)村10個(gè)社受災(zāi)，左岸清水河縣9戶(hù)居民家進(jìn)水。淹沒(méi)耕地11216畝，林地90畝，魚(yú)塘424畝；淹沒(méi)和沖毀道路4.3km、生產(chǎn)堤12.8km、揚(yáng)水站3處、護(hù)河堤壩700m、灌溉渠系9.8km。包頭河段開(kāi)河期間也因卡冰結(jié)壩水位上漲，致昆都侖河入黃口倒灌，造成九原區(qū)三艮才部分溫室、耕地被淹297畝，黃河大堤多處吃水。

2 凌情特點(diǎn)

2.1 氣溫起伏變化大，封開(kāi)河氣溫偏高、穩(wěn)封期偏低

2015—2016年度寧蒙河段氣溫起伏變化劇烈，呈前后高中間低態(tài)勢(shì)。其中，封河期和開(kāi)河期平均偏高1.8～3.3℃；穩(wěn)定封凍期平均偏低0.5～2.2℃。

內(nèi)蒙古河段流凌前期(11月上中旬)氣溫較多年同期(1960—2010年，下同)偏高2～3℃，受2015年11月22日冷空氣影響，22—25日日均氣溫下降6～10℃，24日8時(shí)，三湖河口斷面出現(xiàn)首凌；封河過(guò)程氣溫較多年同期偏高1～2℃，12月13—16日降溫幅度為6～9℃，且下游段降溫幅度大于上游段，15日9時(shí)內(nèi)蒙古頭道拐水文斷面上游4km處(什四份子險(xiǎn)工)出現(xiàn)首封；穩(wěn)定封凍期受寒潮影響氣溫較常年同期偏低2～3℃；開(kāi)河前期(2016年3月上旬)氣溫較多年同期偏低0～1℃，3月3—9日日均降溫12～15℃，延緩了上游段的開(kāi)河進(jìn)度；開(kāi)河期(3月中下旬)氣溫較多年同期偏高2℃左右，總體開(kāi)河期氣溫平均偏高1～2℃左右。

2.2 流凌、封河時(shí)間晚，封凍長(zhǎng)度長(zhǎng)

本年度寧蒙河段首凌及首封日期較常年偏晚。2015年11月24日8時(shí)，三湖河口斷面出現(xiàn)本年度首凌，流凌密度為1/10，流凌日期較常年(1987—2010年，下同)偏晚5d。受強(qiáng)冷空氣影響，15日9時(shí)內(nèi)蒙古頭道拐水文斷面上游4km處(什四份子險(xiǎn)工)出現(xiàn)首封，河段首封時(shí)間較常年偏晚12d。

寧蒙河段12月15日首封后，在氣溫持續(xù)偏低情況下，在險(xiǎn)工、卡口、橋梁呈現(xiàn)分段封凍，封河界面分別向上、下游快速延伸，形成多處清溝。1月23日內(nèi)蒙古河段全線封凍，封凍長(zhǎng)度680km。1月23日寧夏河段分多段封河，即青銅峽壩上、沙坡頭壩址以上和麻黃溝以上分段封凍。2月3日起黃河寧蒙河段進(jìn)入穩(wěn)定封凍期，黃河寧蒙河段封凍長(zhǎng)度約888km，為近5年來(lái)最長(zhǎng)。

2.3 區(qū)間來(lái)水少，封河流量小

2015年11月—2016年3月，黃河各主要來(lái)水區(qū)間來(lái)水均較多年同期偏少。其中：唐乃亥來(lái)水量26.6億m3，偏少19%；龍劉區(qū)間來(lái)水量7.4億m3，偏少32%；劉蘭區(qū)間來(lái)水量7.1億m3，偏少5%。凌汛期劉家峽水庫(kù)泄流總量(小川站)59.3億m3，與龍羊峽、劉家峽水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用以來(lái)相比偏少12%。

三湖河口河段首封前3天平均流量為567m3/s，較近10年封河流量偏小20%左右，三湖河口—頭道拐斷面封河流量為177～300m3/s，普遍偏小。

2.4 槽蓄水增量小，且集中釋放

自12月15日頭道拐斷面上游首封開(kāi)始，河段槽蓄水增量開(kāi)始緩慢增加，至2016年3月17日石嘴山至頭道拐區(qū)間累計(jì)槽蓄水量達(dá)到最大值9.712億m3，較多年均值偏少29%。槽蓄水量主要集中在巴彥高勒至三湖河口區(qū)間和三湖河口至包頭區(qū)間。3月中下旬巴彥高勒至頭道拐斷面開(kāi)河以后，巴-三區(qū)間、包-頭區(qū)間槽蓄水量集中釋放歸槽，三-包區(qū)間釋放緩慢；石-巴區(qū)間槽蓄水量較小，自3月初石嘴山斷面開(kāi)河后緩慢釋放。各區(qū)間槽蓄水量沿程變化如圖1所示。

2.5 開(kāi)河凌峰流量大，開(kāi)河水量少

2016年3月21日10時(shí)包頭斷面開(kāi)河，21日15時(shí)頭道拐斷面開(kāi)河。由于兩斷面同日開(kāi)河，槽蓄水增量釋放集中，河段上下大流量首尾相接，3月21日頭道拐站最大凌峰流量2010m3/s，為12年來(lái)最大；開(kāi)河最大十日水量為7.23億m3，較常年偏少30%。

3 凌災(zāi)險(xiǎn)情

內(nèi)蒙古清水河縣凌汛險(xiǎn)情：2015年封河前夕，由于流凌時(shí)間長(zhǎng)，大量冰凌堆至萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)回水末端，下行途中受彎道及呼準(zhǔn)鐵路-準(zhǔn)興重載公路橋墩阻冰影響，冰凌下泄不暢，庫(kù)區(qū)阻塞段不斷堆冰，有的段落最大堆冰厚度達(dá)10m左右，致使曹家灣以上水位急劇上漲，12月9日下午，庫(kù)區(qū)左岸水泥廠一帶沿黃公路發(fā)生漫水(凌)險(xiǎn)情，長(zhǎng)度約1km，最大水深約0.5m。10日上午10時(shí)，堆冰發(fā)展到喇嘛灣公路大橋上游7km處，河道水位壅高，造成拐上移民新村旁邊山洪溝發(fā)生倒灌。下午4時(shí)，堆冰向下移動(dòng)，曹家灣一帶再次發(fā)生冰塞漫水，長(zhǎng)度達(dá)5km，最大水深約1m。經(jīng)緊急降低萬(wàn)家寨庫(kù)水位，加之頭道拐附近河段封凍，險(xiǎn)情緩解。

包西鐵路橋冰塞險(xiǎn)情：3月19日，包頭市九原區(qū)三艮才(包西鐵路大橋上游約1km)處冰凌堆積，卡冰結(jié)壩長(zhǎng)度近5km。20日，受黃河水位上漲影響，昆都侖河入黃口回水造成部分溫室大棚被淹，黃河大堤多處吃水，威脅堤防安全。鄂爾多斯軍分區(qū)派出達(dá)拉特旗人武部率領(lǐng)爆破分隊(duì)25人，乘2艘氣墊船上冰布陣。經(jīng)過(guò)7處冰上爆破，冰壩炸開(kāi)，水位回落，險(xiǎn)情排除。

萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)冰塞險(xiǎn)情：3月20日下午，萬(wàn)家寨庫(kù)尾大準(zhǔn)鐵路橋(原豐準(zhǔn)鐵路橋)上游4km處發(fā)生冰塞，長(zhǎng)達(dá)9.5km，冰塞使水泥廠至喇嘛灣河段水位驟升2m以上。21時(shí)，鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗柳林灘村、前房子村、小榆樹(shù)灣村進(jìn)水，8戶(hù)民房受淹，地方政府連夜組織提前轉(zhuǎn)移3村莊村民。22日12時(shí)，冰塞長(zhǎng)度發(fā)展到11.2km，致喇嘛灣水位猛漲3m，持續(xù)2個(gè)多小時(shí)后，冰塞潰決下移，水位回落，冰凌行進(jìn)至岔河口時(shí)再次發(fā)生冰塞，水位最高上漲約8m。經(jīng)緊急降低萬(wàn)家寨庫(kù)水位，險(xiǎn)情解除。

4 成因分析

4.1 氣溫變化

近年來(lái)，受全球氣候變化影響，極端天氣氣候事件呈多發(fā)、頻發(fā)態(tài)勢(shì)[7- 8]。2015—2016年凌汛期氣溫較常年總體偏高，具體表現(xiàn)為封河期和開(kāi)河期氣溫偏高；穩(wěn)定封凍期氣溫偏低。氣溫條件使得本年度流凌凌歷時(shí)長(zhǎng)、封凍初期較快、后期封凍延緩、開(kāi)河過(guò)程初期平緩、后期加快。

從三湖河口出現(xiàn)首凌至十四份子險(xiǎn)工首封歷時(shí)21d。流凌時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致大量冰凌在萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)頂托堆積，12月6日冰凌頂托堆積上首位于喇嘛灣黃河公路大橋下游1km處，隨著流凌天數(shù)的增加冰凌頂托堆積向上游延伸，水位逐漸升高。12月9日由于冰凌阻塞水位急劇升高，導(dǎo)致清水河縣拐上村2戶(hù)村民家中進(jìn)水被淹，清水河縣沿黃公路出現(xiàn)漫水漫凌的險(xiǎn)情。10日上午10時(shí)，堆冰發(fā)展到喇嘛灣公路大橋上游7km處，河道水位壅高，造成拐上移民新村旁邊山洪溝發(fā)生倒灌。下午4時(shí)，堆冰向下移動(dòng)，曹家灣一帶再次發(fā)生冰塞漫水，長(zhǎng)度達(dá)5km，最大水深約1m。經(jīng)緊急降低萬(wàn)家寨庫(kù)水位，加之頭道拐附近河段封凍，險(xiǎn)情緩解。12月15日冰凌頂托上首呼大高速黃河特大橋下游2km至萬(wàn)家寨大壩全部封凍。

3月12日以后，隨著氣溫升高，開(kāi)河進(jìn)度逐漸加快，并呈現(xiàn)分段融冰解凍，清溝增多擴(kuò)大，岸冰脫岸，蓋面冰大量減少，部分河段主槽融冰開(kāi)通。3月19日包西鐵路橋上游1km處(閘下309km)形成冰塞，壅高上游水位，造成漫灘，21日開(kāi)通。3月21日豐準(zhǔn)鐵路橋處形成嚴(yán)重冰塞，上游水位急劇升高，導(dǎo)致清水河縣1個(gè)村莊、準(zhǔn)格爾旗2個(gè)村莊進(jìn)水，10戶(hù)民房受淹，清水河縣沿黃公路上水堆冰，內(nèi)蒙古黃河防凌前線指揮部和地方政府連夜組織群眾緊急撤離安全轉(zhuǎn)移，黃河防總協(xié)調(diào)萬(wàn)家寨水庫(kù)降低庫(kù)水位，22日冰塞開(kāi)通，萬(wàn)家寨庫(kù)尾險(xiǎn)情解除，開(kāi)河進(jìn)入萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)，至24日內(nèi)蒙古河段全線開(kāi)通。

4.2 上游來(lái)水

2015年，黃河流域上中游各主要來(lái)水區(qū)間來(lái)水總量較多年均值偏少36%。本年度凌汛期，黃河各主要來(lái)水區(qū)間來(lái)水均較多年同期偏少10%以上。寧蒙河段各站凌汛期平均流量較常年均偏小，三湖河口站封河前11月平均流量449m3/s，較多年均值(1986—2010年)偏少43.8%，頭道拐站11月平均流量444m3/s，較多年均值偏小32%。

4.3 封河流量小，河道沿程水位低

河道流量是影響冰情進(jìn)展的重要因素。封河流量較小時(shí)，封凍后過(guò)流能力恢復(fù)較慢，容易形成水鼓冰裂破壞冰蓋的穩(wěn)定性帶來(lái)險(xiǎn)情。內(nèi)蒙古首封河段首封前3天平均流量為567m3/s，較近10年封河流量偏小20%左右；內(nèi)蒙古河段穩(wěn)封期水位較近5年平均偏低0.10～0.70m。

4.4 水庫(kù)調(diào)度

萬(wàn)家寨水庫(kù)運(yùn)行后，回水至拐上，流凌期內(nèi)上游河段流下的冰花被水庫(kù)攔蓄[9]，通過(guò)適時(shí)調(diào)整水庫(kù)運(yùn)用水位，為凌情平穩(wěn)發(fā)展創(chuàng)造條件。凌汛期萬(wàn)家寨水庫(kù)的調(diào)度原則一般是：封河發(fā)展期按水位970m控制，穩(wěn)定封河期972m控制，頭道拐斷面小流量結(jié)束后975m控制，開(kāi)河期不超過(guò)970m運(yùn)用。近年來(lái)按此水位控制并結(jié)合實(shí)時(shí)調(diào)度，萬(wàn)家寨庫(kù)尾冰塞、冰壩現(xiàn)象有所緩解。但是，2015—2016年度按照上述階段水位對(duì)萬(wàn)家寨水庫(kù)進(jìn)行調(diào)度，內(nèi)蒙古河段流凌期和開(kāi)河期在回水末端以上26km處上下河段都出現(xiàn)了冰塞、冰壩的險(xiǎn)情。2次險(xiǎn)情出現(xiàn)時(shí)，萬(wàn)家寨庫(kù)水位比該時(shí)期控制水位分別低1.79m和5m，庫(kù)區(qū)多處彎道和橋墩影響冰凌通過(guò)，也是庫(kù)尾段形成冰塞的重要因素。萬(wàn)家寨水庫(kù)建成后，庫(kù)區(qū)水面比降僅為0.1‰，庫(kù)區(qū)回水末端流速慢，輸冰能力小，當(dāng)冰凌堆積較多時(shí)易發(fā)生冰塞或冰壩。

4.5 河道邊界條件

20世紀(jì)80年代以來(lái)，水庫(kù)調(diào)節(jié)、天然徑流減少以及沿黃工農(nóng)業(yè)取用水導(dǎo)致黃河內(nèi)蒙古河段發(fā)生了嚴(yán)重的淤積萎縮現(xiàn)象，河槽過(guò)流能力不斷降低。根據(jù)近幾年汛期防洪調(diào)度河道過(guò)流能力分析結(jié)果，寧蒙河段平灘流量從1986年以前的3500～4000m3/s降到目前的2000m3/s左右[10- 11]。加之寧蒙河段河勢(shì)游蕩多變，彎道多，極易出現(xiàn)卡冰結(jié)壩等情況，由此將引發(fā)水位壅高，水流漫灘，堤防長(zhǎng)期偎水等不利局面，增大了堤防防凌的壓力。

4.6 涉河建筑物

寧蒙河道已建、在建橋梁共40多座，運(yùn)營(yíng)浮橋15座。包頭河段、萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)河段橋梁密集，平均間隔距離不足10km，不僅對(duì)河道行凌產(chǎn)生了不利影響，同時(shí)也制約了冰凌爆破的有效實(shí)施。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)2015—2016年度寧蒙河段凌情主要特點(diǎn)：氣溫起伏變化大，封開(kāi)河氣溫偏高、穩(wěn)封期偏低；流凌、封河時(shí)間晚，封凍長(zhǎng)度長(zhǎng)；區(qū)間來(lái)水少，封河流量?。徊坌钏隽啃?，且集中釋放；開(kāi)河凌峰流量大，開(kāi)河水量少。凌情成因主要是：氣溫、上游來(lái)水、封河流量、水庫(kù)調(diào)度、河道邊界條件及涉河建筑物等。

(2)采取“上控、中分、下泄”原則，采取預(yù)設(shè)封河流量、科學(xué)調(diào)度干流骨干水庫(kù)、適時(shí)啟用分凌區(qū)等非工程措施，可為穩(wěn)定寧蒙河段流量、創(chuàng)造有利開(kāi)河條件、減輕凌汛風(fēng)險(xiǎn)等提供保障。

(3)本年度2次險(xiǎn)情出現(xiàn)時(shí)，萬(wàn)家寨庫(kù)水位比該時(shí)期控制水位分別低1.79m和5m，說(shuō)明僅靠水位控制水庫(kù)調(diào)度是不夠的，建議盡快開(kāi)展庫(kù)區(qū)回水末端冰塞或冰壩形成機(jī)理與萬(wàn)家寨庫(kù)水位降低運(yùn)用時(shí)機(jī)的研究，進(jìn)一步優(yōu)化凌汛期調(diào)度，減少類(lèi)似險(xiǎn)情出現(xiàn)。