2021—2022年度黃河寧蒙河段凌情特性分析

胡一棟 郭衛(wèi)寧 張 毅 沈延青 韓作強(qiáng)

（1.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，西寧 810000；2.黃河水利委員會水文局，鄭州 450004）

0 引 言

凌汛作為一種常見的自然現(xiàn)象，是我國冬、春季節(jié)大江大河中最突出、最主要的汛情之一，其中以黃河寧蒙河段最為嚴(yán)重，是目前黃河防凌的重點(diǎn)河段，這是由特殊的地理位置、水文氣象條件和河道特性決定的[1]。尤其是近年來，寧蒙河段氣溫上升趨勢明顯[2]，河道邊界條件發(fā)生顯著變化，凌情出現(xiàn)了一系列新規(guī)律新特點(diǎn)，使防凌工作面臨新形勢。2021—2022年度，黃河寧蒙河段封河流量和凌汛期上游來水較大，氣溫整體偏高但波動明顯，封河長度偏短，槽蓄水增量較小，雖然開河期后期氣溫回升迅速，但槽蓄水增量均勻釋放，沒有形成較大凌峰，凌情形勢平穩(wěn)。分析復(fù)盤2021—2022年度寧蒙河段凌情特性，并對其進(jìn)行成因分析，可進(jìn)一步掌握凌情發(fā)展演變規(guī)律，為防凌指揮調(diào)度提供參考。

1 研究區(qū)概況

黃河寧蒙河段位于黃河上游的下段，地處黃河流域最北端，自寧夏中衛(wèi)市南長灘入境，至內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗馬柵鄉(xiāng)出境，全長1 203.8 km，約占黃河總長的1/5[3]。寧蒙河段受兩岸地形控制，形成峽谷河段與寬河段相間出現(xiàn)的格局，游蕩性河段較長，大部分為平原沖積性河道，主流擺動劇烈，變化頻繁[4]。

黃河寧蒙河段流向自西南轉(zhuǎn)向東北，在黃河流域緯度最高處轉(zhuǎn)向東南，是由低緯度流向高緯度的河段[5]，凌汛期氣溫上游高、下游低，流凌封凍由下游溯源而上，解凍開河則由上而下，結(jié)冰期長達(dá)3～4 個月，大部分為穩(wěn)定封凍河段，封河、開河期受河道邊界條件、氣溫變化和流量波動的影響，容易形成冰塞、冰壩，發(fā)生凌汛災(zāi)害[6]。

據(jù)1971—2020年統(tǒng)計資料，黃河寧蒙河段首凌平均日期為11月20日，最早為11月4日（1969—1970年度），最晚為12 月4 日（2011—2012 年度和2018—2019 年度）；首封平均日期為12 月3 日，最早為11 月13 日（1976—1977 年度），最晚為12 月30 日（1989—1990 年度）；全線開封平均日期為3 月25 日，最早為3 月12 日（1997—1998 年度），最晚為4月5日（1969—1970年度）。內(nèi)蒙古河段（巴彥高勒至頭道拐）平均槽蓄水增量為10.1 億m3，頭道拐水文站開河期平均凌峰流量為2 070 m3/s。

2 數(shù)據(jù)來源

氣溫資料采用黃河寧蒙河段流凌封河關(guān)鍵區(qū)域4個氣象觀測站的實(shí)測數(shù)據(jù)，由上而下分別為惠農(nóng)、磴口、包頭和托克托氣象站。水情、凌情資料采用黃河上游蘭州水文站和黃河寧蒙河段石嘴山、巴彥高勒、三湖河口、包頭、頭道拐5 個水文站的實(shí)時數(shù)據(jù)。常年系列除注明外，均采用1971—2020年系列。黃河寧蒙河段地理位置及站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 黃河寧蒙河段地理位置及站點(diǎn)分布示意圖

3 凌情特點(diǎn)

（1）首凌日期接近常年，流凌期持續(xù)時間長，首封日期偏晚，封河流量偏大。2021 年11 月22 日內(nèi)蒙古三湖河口至頭道拐河段出現(xiàn)流凌，首凌日期較常年（11 月20 日）偏晚2 d。12 月16 日內(nèi)蒙古河段土默特右旗賀成全村附近出現(xiàn)首封，首封日期較常年（12 月3 日）偏晚13 d，為1989年以來最晚。流凌至首封持續(xù)25 d，較常年（13 d）偏長12 d。封河流量（包頭河段封河前3 d平均流量）為827 m3/s，較常年（626 m3/s）偏大32%。

（2）封河發(fā)展前期快、后期慢，封河長度偏短，寧夏河段出現(xiàn)兩封兩開。2021—2022年度寧蒙河段最大封河長度為637 km（2022年2月8日），較1991—2020年均值（791 km）偏短154 km，較近10 a 均值（775 km）偏短138 km，為1991年以來第2 短。受氣溫波動影響，寧夏段出現(xiàn)兩封兩開現(xiàn)象，第1 次封河時間為2021 年12 月29 日至2022 年1 月26 日，最長封凍8 km；第2 次封河時間為2022 年2 月7—13 日，最長封凍3 km。

（3）封凍河段冰厚接近常年，冰下過流能力好，槽蓄水增量偏少。2021—2022年度石嘴山至喇嘛灣河段固定冰情巡測斷面測量冰厚平均為0.52 m，與2001—2020 年均值（0.51 m）基本持平。巴彥高勒至頭道拐河段最大槽蓄水增量約7.6億m3，較常年（10.1億m3）偏小25%，較近10 a同期均值（10.7 億m3）偏小約29%，頭道拐水文斷面未出現(xiàn)小于350 m3/s的小流量過程。

（4）開河偏早，開河凌峰較小，開河形勢平穩(wěn)。2021—2022年度寧蒙河段開河期氣溫整體偏高，開河時間較常年明顯偏早，巴彥高勒、三湖河口和頭道拐水文站的開通日期分別較常年偏早8 d、9 d 和6 d，全河段開通日期較常年偏早7 d。開河期間，頭道拐水文站3 月14 日出現(xiàn)最大凌峰流量1 190 m3/s，較常年（2 070 m3/s）偏小43%，開河最大10 d水量約6.3億m3，較常年（9.9億m3）偏少36%。

4 成因分析

凌情的發(fā)生、發(fā)展及演變過程取決于河道走向與形態(tài)、水文條件和氣象條件等，不同地理位置及影響因素的差異導(dǎo)致冰凌形成和演變特點(diǎn)各有不同，因此影響河流冰情的主要因素有熱力條件、水流動力條件、河道邊界條件及人類活動影響等[7]。熱力條件是凌汛形成和凌情變化的決定因素，氣溫是表征冰凌熱狀況及其變化的主要要素[8]；動力條件是影響凌情變化的又一主要因素，通常以流量的變化來體現(xiàn)；河道邊界條件包括河流走向和河道形態(tài)，與水力因素聯(lián)系密切，通過改變水流條件反映，主要影響河道中流冰的卡堵、堆積、結(jié)壩等現(xiàn)象；人類活動影響主要包括水庫調(diào)度、灌區(qū)引退水及涉河工程的修建等，在一定程度上也可以改變冰凌的生成及演變過程。

（1）氣溫較常年偏高，偏高程度西高東低。2021—2022 年度凌汛期，黃河寧蒙河段氣溫較常年略偏高，2021 年11 月至2022 年3 月，惠農(nóng)、磴口、包頭、托克托4 個氣象站平均氣溫分別為-1.0 ℃、-2.1 ℃、-5.2 ℃和-5.2 ℃，其中惠農(nóng)、磴口氣象站氣溫較常年分別偏高1.8 ℃和1.6 ℃，包頭、托克托氣象站氣溫與常年基本持平。具體表現(xiàn)為流凌、封河期氣溫整體偏高，開河初期氣溫偏低，開河后期氣溫異常偏高。圖2 以包頭氣象站為例展示了2021—2022年度凌汛期旬平均氣溫的變化情況。

圖2 包頭氣象站2021—2022年度凌汛期旬平均氣溫變化

流凌封河期，2021年11月中旬至12月上旬，寧蒙河段4個氣象站氣溫較常年均偏高，偏高幅度為0.0～3.9 ℃，12月中旬，除包頭氣象站氣溫較常年偏低1.6 ℃外，其他3 個氣象站氣溫較常年偏高0.5～2.5 ℃。氣溫的持續(xù)偏高，造成內(nèi)蒙古河段首凌后流凌發(fā)展緩慢，11 月27—29 日三湖河口河段流凌甚至曾一度消失，在一定程度上延遲了首封的形成，造成流凌期持續(xù)時間長、首封日期偏晚。

封河發(fā)展期，2021 年12 月下旬黃河寧蒙河段4 個氣象站氣溫較常年偏低0.2～2.1 ℃，封河長度發(fā)展較快，為38 km/d，較近10 a 同期均值（30 km/d）偏快27%。2022 年1 月，正值封河發(fā)展的關(guān)鍵時期，全月僅有1 次明顯冷空氣過程，4 個氣象站氣溫較常年偏高0.8～3.1 ℃，尤其是位于封河上首河段的惠農(nóng)、磴口兩站，分別較常年偏高3.1 ℃和2.7 ℃，導(dǎo)致1月封河長度增長緩慢，1月下旬海勃灣水利樞紐以上部分封凍河段甚至出現(xiàn)融冰解凍，1 月封河長度僅增長14.4 km。2 月上旬氣溫下降，封河長度再次發(fā)展，至2月8日達(dá)到最大封凍長度637 km。

開河期，2022 年2 月中下旬內(nèi)蒙古河段氣溫回升不明顯，磴口氣象站2月中下旬平均氣溫分別為-6.4 ℃和-2.8 ℃，分別較常年同期偏低2.1 ℃和0.3 ℃。受此影響，開河前期內(nèi)蒙古河段開河速度較慢，開河河段主要集中在海勃灣水利樞紐以上河段。2 月26 日起，氣溫明顯回升，惠農(nóng)、磴口氣象站日均氣溫逐步轉(zhuǎn)正，海勃灣以下河段開始融冰開河。3月冷空氣勢力明顯減弱，寧蒙河段氣溫穩(wěn)步回升，4站各旬氣溫較常年持續(xù)偏高，其中上旬偏高2.1～4.6 ℃，中旬偏高達(dá)4.5～7.5 ℃，開河速度加快，巴彥高勒、三湖河口、頭道拐3個水文站開通日期分別較常年偏早8 d、9 d、6 d。

（2）上游來水多，河道流量大。2021—2022 年度凌汛期，黃河上游來水偏豐，蘭州水文站2021年11月至2022年3月來水總量（98.46 億m3）與黃河上游龍羊峽水庫建庫以來均值相比偏多23%，石嘴山、巴彥高勒、三湖河口、頭道拐4 個水文站來水總量分別為95.36 億m3、78.51 億m3、81.45 億m3、78.51 億m3，與龍羊峽水庫建庫以來均值相比分別偏多25%、10%、13%、16%。其中蘭州、石嘴山水文站各月來水均偏多，巴彥高勒、三湖河口、頭道拐3 個水文站除3月來水偏少外，其余各月來水均偏多。

2021年11月，內(nèi)蒙古河段巴彥高勒、三湖河口、頭道拐3 個水文站月均流量分別為618 m3/s、683 m3/s 和613 m3/s，較龍羊峽水庫建庫以來均值分別偏多5%、14%和23%；2021 年12 月，3 站月均流量分別為781 m3/s、671 m3/s 和601 m3/s，較龍羊峽水庫建庫以來均值偏多29%、42%和50%；2022 年1 月，3 站月均流量分別為624 m3/s、630 m3/s和586 m3/s，較龍羊峽水庫建庫以來均值偏多26%、32%和44%；2月，3站月均流量分別為648 m3/s、639 m3/s和632 m3/s，較龍羊峽水庫建庫以來均值偏多20%、16%和26%。

受黃河寧蒙河段秋澆冬灌的影響，2021 年11 月中旬三湖河口至頭道拐河段流量基本在500 m3/s 以下，11 月19日隨著灌區(qū)引水逐漸結(jié)束，內(nèi)蒙古河段河道流量增加到900 m3/s 左右。11 月下旬為控制寧蒙河段向設(shè)計封河流量過渡，海勃灣水庫出庫流量按照設(shè)計封河流量800 m3/s 下泄，11 月下旬至12 月上旬三湖河口至頭道拐河段流量基本維持在800 m3/s 左右，較大的流量也在一定程度上造成了流凌時間長、封河時間偏晚。

（3）河道條件明顯改善，凌汛期過流能力增強(qiáng)。2018—2020 年，黃河上游連續(xù)3 年汛期發(fā)生持續(xù)性洪水，黃河寧蒙河段出現(xiàn)了長歷時大流量過程，大部分河段均發(fā)生了不同程度的沖刷，河道過流能力明顯增大。巴彥高勒、三湖河口、包頭和頭道拐4 個水文站于2018 年汛前、2020 年汛后和2021年汛后的大斷面套繪圖，如圖3所示。可以看出，與2018年汛前相比，經(jīng)過3個汛期大水的沖刷，2020年汛后巴彥高勒、三湖河口和包頭3個斷面均得到有效沖刷，2021 年汛期未出現(xiàn)大流量過程，斷面較2020 年略有淤積，但仍較2018年汛前有較大沖刷。頭道拐斷面2020年汛后較2018年汛前河道兩側(cè)被沖刷，主槽淤積，過流面積變化不大，2021年汛后有所淤積，過流面積略有減小。

圖3 黃河內(nèi)蒙古河段主要水文站大斷面套繪圖

從巴彥高勒、三湖河口、包頭和頭道拐4個水文站的汛期水位流量關(guān)系（圖4）來看，與2017 年汛期相比，巴彥高勒、三湖河口和包頭3 個斷面汛期的同流量水位均明顯下降，巴彥高勒斷面同流量下水位降低約2 m，頭道拐斷面水位流量關(guān)系變化不大。

圖4 黃河內(nèi)蒙古河段主要水文站汛期水位流量關(guān)系圖

2021—2022 年度黃河寧蒙河段封河流量為827 m3/s，較常年偏大約200 m3/s，封河前基礎(chǔ)水位較高，可在一定程度上形成較高的封凍期冰蓋，從而增加冰下過流面積，有利于河段封凍后過流能力的恢復(fù)，避免了因前期冰蓋過低，導(dǎo)致封凍河段上游形成冰塞冰壩、壅高水位的風(fēng)險。

由于寧蒙河段河道條件的改善，以及較大的封河流量，2021—2022年度內(nèi)蒙古河段冰下過流能力明顯增強(qiáng)[9]，為冰水的順利下泄提供了有利條件，頭道拐斷面未出現(xiàn)小于350 m3/s 的小流量過程，在一定程度上抑制槽蓄水增量的增加。

（4）水利工程調(diào)度科學(xué)合理，為平穩(wěn)封河、開河創(chuàng)造了有利條件。凌汛期，按照“上控、中分、下排”的調(diào)度原則，根據(jù)上游來水、水庫蓄水及河段凌情變化，優(yōu)化黃河上游龍羊峽、劉家峽水庫及寧蒙河段海勃灣、萬家寨水庫的統(tǒng)一調(diào)度，為平穩(wěn)封河、開河創(chuàng)造有利條件。凌汛初期加大水庫出庫流量，在滿足寧蒙河段秋澆和冬灌用水需求的同時，為劉家峽水庫預(yù)留足夠的防凌庫容；封河期，精細(xì)調(diào)控劉家峽、海勃灣水庫出庫流量，維持適宜的封河流量，內(nèi)蒙古河段基本按預(yù)案流量封河；穩(wěn)封期，保持出庫流量平穩(wěn)，避免槽蓄水增量過大及過快增長；開河期，2月下旬開始壓減劉家峽水庫出庫流量，3 月上旬進(jìn)一步壓減至350 m3/s，海勃灣水庫水位降至1 073.50 m，騰出應(yīng)急防凌庫容，并在進(jìn)入開河關(guān)鍵階段進(jìn)一步壓減出庫流量攔蓄上游來水。2022年3月3日巴彥高勒水文斷面開河后，3月4日10時開始逐步啟用河套灌區(qū)和烏梁素海、烏蘭布和、小白河分洪區(qū)及南岸總干渠進(jìn)行應(yīng)急分凌，3 月18 日分凌結(jié)束，總計分滯凌水2.52 億m3，巴彥高勒水文站3 月上旬、中旬平均流量分別為347 m3/s 和209 m3/s，大大減小了后續(xù)開河動力，避免了過大的水流動力與3 月中旬異常偏高的氣溫遭遇，為內(nèi)蒙古河段槽蓄水增量平穩(wěn)釋放創(chuàng)造有利條件，確保“文開河”。同時，萬家寨水庫自2022 年1 月17 日起逐步降低庫水位，2 月25 日進(jìn)入穩(wěn)定開河階段后，控制庫水位不超過970.00 m，水位最低降至966.06 m，避免庫尾冰凌壅水頂托上游水位，為凌水下泄創(chuàng)造了有利條件。

5 結(jié) 語

（1）2021—2022 年度凌汛期，在氣溫、上游來水、河道條件及水庫調(diào)度等綜合影響下，寧蒙河段凌情形勢總體平穩(wěn)，主要呈現(xiàn)出流凌期持續(xù)時間長、首封日期偏晚、封河流量偏大、封河長度偏短、槽蓄水增量偏少、開河時間偏早、開河凌峰較小等特點(diǎn)。

（2）2021—2022年度黃河寧蒙河段氣溫較常年整體偏高，其中流凌、封河期氣溫明顯偏高，且偏高程度呈西高東低分布，開河初期氣溫略偏低，開河后期氣溫異常偏高，造成流凌期持續(xù)時間長、首封日期偏晚、封河長度偏短、開河時間偏早。

（3）2021—2022 年度黃河寧蒙河段來水偏多，可能會形成較大的槽蓄水增量，但由于封河發(fā)展期氣溫偏高，影響河道內(nèi)冰的形成，封河長度偏短，同時較大的封河流量和河道條件的改善，有利于冰下過流能力的恢復(fù)，在一定程度上抑制了槽蓄水增量的增加，造成槽蓄水增量偏小且分布均勻。

（4）水利工程調(diào)度是做好黃河防凌工作的重要措施，流凌封河維持造適宜的封河流量，穩(wěn)封期穩(wěn)定河道流量及封凍冰蓋厚度，開河期攔蓄上游來水，分滯凌水，為槽蓄水增量平穩(wěn)釋放創(chuàng)造有利條件，確保凌情平穩(wěn)。