| 标题 | 近10年黄河宁蒙河段凌情特征分析 |
| 范文 | 王富强+王雷 基金项目:国家自然科学基金项目（51379078；51009065）. 作者简介:王富强 (1979)，男，河南济源人，副教授，博士，主要从事水循环模拟与调控、生态水文学等方面研究。Email:fortunewang@163.comDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2014.03.005 摘要：选取黄河宁蒙河段石嘴山、巴彦高勒、三湖河口和头道拐4个站点，分别统计分析了1951年-2000年和2001年-2010年流凌、封河、开河日期特征，并对凌峰和槽蓄增量进行了较系统地分析。结果表明，近10年来由于冬季气温持续偏高和水库调度等因素的影响，黄河宁蒙河段凌情发生变化，表现为封/开河日期推迟、封河历时缩短、开河凌峰流量减小、槽蓄水量增加、冰塞/冰坝发生次数减少等特点。研究成果可为黄河宁蒙河段防凌减灾等实际工作提供参考。 关键词：封开河；封冻历时；凌峰；槽蓄水增量；宁蒙河段 中图分类号：TV882.1；TV875文献标志码：A文章编号：16721683（2014）04002104 Analysis of Ice Regime Characteristics in the NingxiaInner Mongolia Reach of Yellow River in the Recent Ten Years WANG Fuqiang,WANG Lei (North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450045，China) Abstract:In this paper,the characteristics of drift ice,freezeup,and breakup dates were analyzed at the following four stationsShizuishan,Bayangaole,Sanhuhekou,and Toudaoguai stations,in the NingxiaInner Mongolia reach of the Yellow River,and the ice peak and maximum channelstorage increment were also investigated.The results showed that the ice regime characteristics in the NingxiaInner Mongolia reach of the Yellow River have changed significantly in the recent 10 years due to the sustaining high temperature in the winter and reservoir control,which can be seen in the delayed freezeup and breakup dates,decreasing in freezeup duration,decreasing in ice peak flow,increasing in channel storage,and decreasing in the frequencies of ice dam and ice jam.The research can offer guidance on the mitigation of ice disasters in the NingxiaInner Mongolia reach of the Yellow River. Key words:freezeup and breakup;duration of freezeup;ice peak;channelstorage increment;NingxiaInner Mongolia reach 凌汛是由于河道冰凌对水流的阻挡作用引起的一种涨水现象，直接影响水利工程的运行、维护和发电，以及内陆航运、冬季输水、河流的环境和生态安全等［1］。黄河是我国凌汛出现最为频繁的河流，其中宁蒙段最为严重。宁蒙河段是黄河宁夏河段和内蒙古河段的统称，大致呈“Γ”型头部状，河段全长1 237 km。干流纬度为37°17′-40°51′N，水流由低纬度流向高纬度，11月-次年2月，多年平均气温低纬度地区比高纬度地区高3.4 ℃，使得宁蒙河段封河时由河段下游向河段上游封冻，开河时则由河段上游向河段下游解冻［45］。 为了探讨气候变化和水库防凌调度对黄河宁蒙河段冰情的影响，本文统计分析了黄河宁蒙河段1951年-2000年和2001年-2010年流凌、封河、开河日期特征，并对凌峰和槽蓄增量进行了初步分析，旨在为黄河宁蒙河段防凌减灾等实际工作提供参考。 1黄河宁蒙段凌情和凌灾 凌情成灾主要表现在两个方面：一是冰塞、冰坝引起的水位壅高而导致凌洪泛滥；二是冰体压力与流冰碰撞而导致河道堤防受损甚至毁坏，并间接引起凌汛洪水［67］。冰塞一般发生在河道封冻的初期，此时冰盖下聚集大量碎冰冰花，在水流动力作用下，一部分沿冻结的冰盖向上游延伸而封冻，另一部分潜入水下流动，当遇到阻碍时，就在冰盖下堆积起来，堵塞过水断面，壅高上游水位［8］，降低下游水位，严重时形成上下游较大的水位差。冰坝发生在解冻开河时期，这时大量流冰冰块在河道狭窄弯曲处受阻，冰块上爬下插，大量堆积，形成冰坝，严重时会导致上游水位急剧涨高，形成漫滩偎堤的严重凌情［910］。 黄河宁蒙河段1951/1952年-2010/2011年共发生冰坝322次，占凌情发生总数的93.1%；发生冰塞23次，占凌情发生总数的6.6%；发生冰体压力及流冰撞击凌情1次，占凌情发生总数的0.3%。但是，并不是所有凌情都会造成灾害，346次凌情中造成凌灾的有88次。其中，由于冰塞造成灾害20次，占总灾害数的22.7%；由冰坝造成灾害67次，占总灾害数的76.2%；由冰体压力及流冰撞击造成灾害1次，占总灾害数的1.1%。由此可见，宁蒙河段冰坝发生频率远高于冰塞发生频率，冰坝是宁蒙河段凌情的主要表现形式［11］。 由表1中宁蒙河段各断面的凌情及凌灾统计结果可以看出，宁蒙河段冰塞型凌灾最严重的区间为下河沿-石嘴山，其次是头道拐及以下，而三湖河口-昭君坟则没有发生冰塞现象；冰坝型凌灾最严重的区间为昭君坟-头道拐，而头道拐及以下60年间没有发生冰坝现象；冰体压力及流冰撞击造成的灾害仅在昭君坟-头道拐河段发生过一次。总体来看，1951/1952年-2010/2011年黄河宁蒙河段平均每年发生冰情5.77次，平均2年成灾1次。凌情每年都有不同程度的发生，而凌灾不是每年都有发生。表1黄河宁蒙河段各断面凌情及凌灾情况 Table 1Ice regime and disaster characteristics ofeach section in NingxiaInner Mongolia reach of Yellow River 河段冰塞冰坝冰体压力及流冰撞击次数比例（%）成灾次数比例（%）次数比例（%）成灾次数比例（%）次数比例（%）成灾次数比例（%）1147.83945299.01913.43河段Ⅱ417.393153410.561116.42河段Ⅲ313.043155316.461623.88河段Ⅳ4112.73913.43河段Ⅴ14.351516551.242232.8411001100河段Ⅵ417.39420全河段23100201003221006710011001100注：河段Ⅰ表示下河沿-石嘴山，河段Ⅱ表示石嘴山-巴彦高勒，河段Ⅲ表示巴彦高勒-三湖河口，河段Ⅳ表示三湖河口-昭君坟，河段Ⅴ表示昭君坟-头道拐，河段Ⅵ表示头道拐及以下。2黄河宁蒙段历史凌情特征分析2.1凌汛三期特征分析 凌汛三期是指流凌日期、封河日期、开河日期。统计时段为1950/1951年至2000/2001年，包括石嘴山、巴彦高勒、三湖河口及头道拐四个站点。 （1）流凌日期。由表2可以看出宁蒙河段四个水文站中，最早的流凌日期为1959年11月8日（石嘴山、巴彦高勒），三湖河口与头道拐两站的平均流凌日期较为接近，均在11月18日、19日前后。平均流凌日期最早的是三湖河口站，这是由于该段河道比降较低，水流速度较小，且凌期平均气温最低所造成的。 （2）封河日期。三湖河口站封冻日期最早，平均封河日期为12月5日，最早封河日期为11月7日；巴彦高勒站平均封河日期为12月13日，比三湖河口晚了近8 d。巴彦高勒站与头道拐站平均封河日期比较接近，均在12月13日、14日前后。石嘴山站封冻日期最晚，多年平均值为1月3日，与三湖河口站相比晚了近30 d，与另外两站相比晚了近15 d。 （3）开河日期。石嘴山站开河日期最早，多年均值为3月3日，最早开河日期出现在1979年2月10日，这是由于1979年冬末春初来自西伯利亚和蒙古的冷锋迅速向西北回撤，导致宁蒙段迅速升温，石嘴山站提前开河。巴彦高勒站平均开河日期较晚，多年均值为3月15日；三湖河口与头道拐站多年开河日期比较接近，均在3月4日、5日前后。由于是地处宁蒙河段最北端的水文站，三湖河口站最晚开河日期出现在1970年4月5日，较往年均值晚了近30 d。 表21950/1951年至2000/2001年流凌、封河、开河日期特征分析 Table 2Characteristics of drift ice,freezeup, and breakup dates from 1950/1951 to 2000/2001 站名统计特征流凌日期封冻日期开河日期石嘴山巴彦高勒三湖河口头道拐最早11月8日12月7日2月10日最晚12月27日1月31日3月18平均12月1日1月3日3月3日最早11月8日11月23日2月24日最晚12月28日1月12日3月27日平均11月26日12月13日3月15日最早11月4日11月7日3月6日最晚12月2日1月1日4月5日平均11月18日12月5日3月21日最早11月6日11月14日3月4日最晚12月1日1月25日3月31日平均11月19日12月14日3月22日2.2封冻历时 表3为黄河宁蒙河段四个水文站点封冻历时资料的统计结果，可以看出宁蒙河段封冻历时最长可达150 d，即当遭遇极端低气温持续事件时，宁蒙河段会在全年5个月的时间里全河段封冻，严重影响冬季供水、交通及发电等，给该地区的居民生活带来极大不便。石嘴山站封河历时最短，多年平均为60 d，其中最短历时为20 d，最长历时可达102 d，相差82 d，表明石嘴山站冬季气温年际变化较大。三湖河口站封冻历时最长，多年平均达108 d，其中最长历时可达150 d，接近宁蒙河段最长的封冻时间。 2.3开河期凌峰 由表4可以看出，石嘴山站开河当日多年平均流量为四站中最小，仅为593 m3/s，开河最大凌峰值最高达1 700 m3/s 表3宁蒙河段及主要水文站封冻天数统计 Table 3Lasting days of ice cover in the NingxiaInner Mongolia reach and main stations d 封冻天数特征石嘴山巴彦 高勒三湖 河口头道拐宁蒙 河段1950/19512000/2001平均60931081001171950/19512000/2001最短20497253761950/19512000/2001最长102124150135150（1967年），开河最小凌峰值为422 m3/s（1997年）。1997年至2000年石嘴山、巴彦高勒、三湖河口三站同时出现了开河期的最小凌峰流量。头道拐站最大凌峰流量为历年来最大值，达到3 500 m3/s（1968年），其最小凌峰流量为1 000 m3/s（1958年）。三湖河口最大凌峰流量达到2 220 m3/s（1967年），其平均凌峰流量为818 m3/s。总体来看，头道拐最大凌峰流量变化最大，石嘴山年均开河流量则最小。 3近10年宁蒙河段凌情特征变化 3.1凌汛三期特征 近10 a宁蒙河段凌汛三期情况见表5，与历史凌情比较 表4主要水文站开河期凌峰流量统计 Table 4Ice peak flow at main stations during the breakup period m3/s 站点最大凌峰最小凌峰流量出现年份流量出现年份开河当日 多年平均值石嘴山1 70019674221997593巴彦高勒1 89019564622000654三湖河口2 22019674352000818头道拐3 50019681 0001958811可以看出，近10 a流凌平均日期较往年均普遍推迟，封河日期也普遍延后。其中，石嘴山近10 a的流凌日期较历史时期推迟了近8 d，封冻日期延后了4 d，开河日期则提前了12 d。内蒙古段三站流凌日期均有所提前，流凌日期提前最多的为头道拐站，达9 d；封冻日期延后最多的为三湖河口站，达14 d。值得注意的是，虽然近10 a来内蒙古段的流凌、封河均有所提前，但与宁夏段不同的是，除了三湖河口站开河日期与往年持平外，另外两站开河日期均有所推迟，其中头道拐站开河日期较往年推迟了4 d，这主要是由于龙羊峡、刘家峡水库防凌调度运行，调蓄了该河段水量，减缓了水流速度，以实现平稳开河［12］。表5近10年宁蒙河段主要站点凌汛三期统计 Table 5Three times of ice regime in NingxiaInner Mongolia reach in recent ten years 站名统计特征流凌日期封冻日期开河日期石嘴山巴彦高勒三湖河口头道拐平均12月9日1月7日2月19日最早2009年11月22日2003年12月27日2009年2月5日最晚2007年12月28日2004年1月22日2008年3月6日平均12月4日12月20日3月16日最早2009年11月17日2005年12月5日2002年2月24日最晚2007年12月13日2007年12月30日2005年3月18日平均11月25日12月19日3月20日最早2009年11月15日2009年11月22日2002年3月6日最晚2006年12月3日2004年12月20日 2010年3月28日平均11月28日12月16日3月18日最早2009年11月15日2005年12月5日2002年3月6日最晚2004年12月25日 2004年12月28日 2010年3月25日3.2冰期气温 通过统计分析2001/2002年-2010/2011年宁蒙河段11月-次年3月冰期气温特征见表6、图1，可以看出，宁蒙河段冰期平均气温为-4 ℃，气温变化范围在-33 ℃～28 ℃之间，最高气温出现在3月份，最低气温出现在1月份。石嘴山站平均气温最高（-2.1 ℃），头道拐站平均气温最低（-5.5 ℃），巴彦高勒与头道拐的冰期平均气温在-4 ℃左右。 3.3封冻历时通过统计近10 a黄河宁蒙河段封冻历时数据发现见表7，石嘴山、巴彦高勒、三湖河口、头道拐近10 a来平均封河时间都有不同程度减少，其中石嘴山站减少天数最多，为17 d；巴彦高勒站减少了15 d；三湖河口与头道拐站分别减少了7 d和8 d。这说明近10 a来区域气候变暖和龙刘水库的运行对宁蒙河段封冻历时均有一定程度的影响，宁蒙河段平均封冻时间减少近10 d。 表6近10年冰期气温 Table 6Characteristics of temperature in recent ten years （℃） 月份石嘴山巴彦高勒最大值最小值平均值最大值最小值平均值1122-181.721-220.51212-24-5.113-27-6.7110-27-89-27-10.1218-24-318-25-4.8328-153.825-191.8平均18-21.6-2.117.2-24-3.9月份三湖河口头道拐最大值最小值平均值最大值最小值平均值1120-20-0.320-23-1129-26-7.39-32-8.717-28-10.76-33-12.4216-25-5.417-33-6.5323-191.324-211.2平均15-23.6-4.515.2-28.4-5.5图1近10年冰期气温特征 Fig.1Characteristics of temperature in recent ten years 表7近10年主要站点封冻历时统计 Table 7Lasting time of ice cover at main stations in recent ten years d封冻历时统计石嘴山巴彦高勒三湖河口头道拐2001/20022010/2011平均4378101922001/20022010/2011最短266188812001/20022010/2011最长55941261021950/19512000/2001平均60931081003.4开河流量 由表8黄河宁蒙河段开河流量统计可以看出，2001/2002年-2010/2011年石嘴山、巴彦高勒、三湖河口和头道拐平均开河流量分别比往年减小14 m3/s、118 m3/s、68 m3/s和81 m3/s。三湖河口历史最大开河凌峰流量出现在1967年，高达2 220 m3/s；头道拐站在1968年开河最大凌峰流量达到宁蒙河段历时最大值，为3 500 m3/s，而近10年宁蒙河段最大开河流量仅为1 200 m3/s（头道拐）。近年来黄河宁蒙河段开河流量较往年普遍减小的主要是上、下游水库防凌调度的结果。 表8近10年开河流量统计 Table 8Statistics of flow discharge during breakup period in recent ten years m3/s近10 年开河流量石嘴山巴彦高勒三湖河口头道拐2001/20022010/2011最大6786809201 2002001/20022010/2011最小4903505545892001/20022010/2011平均5795367508111950/19512000/2001平均5936548188923.5近10年槽蓄水增量变化 通过分析20世纪90年代以来宁蒙河段冰期槽蓄水增量变化见图2，发现2000年以前该河段冰期槽蓄水增量平均为12.8亿m3；而2000年-2010年的11年间，冰期槽蓄水增量平均为15.7亿m3。特别是2005年，该河段冰期槽蓄水增量达到近20亿m3，创下了近20年之最。从整体趋势上来看，2000年以来宁蒙河段冰期槽蓄水增量变化要明显高于历史时期。 4结论 （1）受气候变暖和水库调度的影响，近10年流凌平均日期较往年均普遍推迟，封河日期也普遍延后。其中，石嘴山流凌日期推迟了近8 d，封冻日期延后了4 d，开河日期则提 图21990年-2010年宁蒙河段槽蓄水增量变化 Fig.2Variation of channelstorage increment in NingxiaInner Mongolia reach from 1990 to 2000 前了12 d；内蒙古段三站流凌日期均有所提前，头道拐站流凌日期提前最多，达9 d；三湖河口站封冻日期延后最多，达14 d。开河日期方面，三湖河口站开河日期相差不大，头道拐和巴彦高勒开河日期均有所推迟，其中头道拐站开河日期较往年推迟了4 d。 （2）由于冰期气温偏高和龙、刘水库防凌调度的运行，石嘴山、巴彦高勒、三湖河口、头道拐近10年来平均封河时间都有不同程度减少。其中石嘴山站减少天数最多，为17 d；巴彦高勒站减少了15 d；三湖河口与头道拐站分别减少了7 d和8 d。 （3）受黄河宁蒙河段上、下游水库防凌调度运行的影响，石嘴山、巴彦高勒、三湖河口和头道拐平均开河流量较往年均有减小，分别比往年减小14 m3/s、118 m3/s、68 m3/s和81 m3/s。另外，近10年来宁蒙河段冰期槽蓄水增量变化要明显高于历史时期，其中2005年该河段冰期槽蓄水增量达到近20亿m3，创下了近20年之最。 参考文献（References）： ［1］蔡琳.黄河防凌工作50年［J］.人民黄河,1996(12):18.（CAI Lin.Fity Years of Ice Flood Protection in the Yellow River［J］.Yellow River,1996(12):18.(in Chinese)) ［2］可素娟.黄河冰凌研究［M］.郑州:黄河水利出版社,2002.（KE Sujuan.Ice Research of Yellow River［M］.Zhengzhou:Yellow River Conservancy Press,2002.(in Chinese)) ［3］茅泽育,吴剑疆,佘云童.河冰生消演变及其运动规律的研究进展［J］.水力发电学报,2002(1):153161.（MAO Zeyu,WU Jianjiang,SHE Yuntong.River Ice Processes［J］.Journal of Hydroelectric Engineering,2002(1):153161.(in Chinese)) ［4］董雪娜,李雪梅,林银平,等.黄河下游凌情特征及变化［J］.水科学进展,2008,19(6):882887.（DONG Xuena,LI Xuemei,LIN Yinping,et al.Characteristics of Ice Regime in the Lower Yellow River［J］.Advances in Water Science,2008,19(6):882887.(in Chinese)) ［5］姚惠明,秦福兴,沈国昌,等.黄河宁蒙河段凌情特性研究［J］.水科学进展,2007,18(6):893896.（YAO Huiming,QIN fuxing,SHEN Guochang,et al.Ice Regime Characteristics in the 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［7］王云璋,康玲玲,陈发中,等.近30 a气温变化对黄河下游凌情影响分析［J］.冰川冻土,2001,23(3):323327.（WANG Yunzhang,KANG Lingling,CHEN Fazhong,et al.Effect of Air Temperature Change in the Last 30 Years on Ice Jam Flood in the Lower Reaches of the Yellow River［J］.Journal of Glaciology and Geocryology,2001,23(3):323327.(in Chinese)) ［8］蔡琳,卢杜田,蔡彬.水库防凌调度数学模型的研制与开发［J］.冰川冻土,2002,24(2):214217.（CAI Lin,LU Dutian,CAI Bin.Mathematical Model of Reservoir Operation for IceJam Flood Control［J］.Journal of Glaciology and Geocryology,2002,24(2):214217.(in Chinese)) ［9］王志兴,李成振,范宝山,等.改进的遗传BP交叉训练算法及其在河流冰情预报中的应用［J］.水力发电学报,2010,29(1):7680.（WANG ZhIxing,LI Chengzhen,FAN Baoshan,et al.A Modified Genetic and BP Alternately Training Algorithm and Its Application to River Ice Forecasting［J］.Journal of Hydroelectric Engineering,2010,29(1):7680.(in Chinese)) ［10］韩宇平,蔺冬,王富强,等.基于粒子群算法的神经网络在冰凌预报中的应用［J］.水电能源科学,2012,30(3):3537.（HAN Yuping,LIN Dong,WANG Fuqiang,et al.Application of Neural Networks to Ice Forecasting Based on Particle Swarm 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