黄河宁蒙河段凌汛孕灾环境及凌灾成因分析_马志.pdf

【防凌防洪】黄河宁蒙河段凌汛孕灾环境及凌灾成因分析马志，王瑞君(黄河水利委员会 宁蒙水文水资源局，内蒙古 包头 014030)摘要 黄河宁蒙河段受其特殊的地理位置和气候条件等耦合影响，凌汛致灾因子多样，且各因子之间相互关联、相互制约，形成复杂多变的孕灾环境。文章阐述了该河段凌汛孕灾环境的形成及致灾因子之间的伴生效应，并总结了凌灾的成因，以期为宁蒙河段凌汛灾害的防御提供理论支撑。关键词 宁蒙河段;孕灾环境;致灾因子;凌灾成因;伴生效应中图分类号:TV875文章标识码:B文章编号:1009 0088(2022)12 0035 031河段概况宁蒙河段自宁夏中卫市至内蒙古托克托县，全长 1 217 km。其中，宁夏河段占河段总长 1/3，内蒙古河段占河段总长 2/3。河段大体上呈“上陡下缓”“上窄下宽”的态势。中卫至青铜峡河段河床稳定，河势较陡、河身狭窄，水流集中，石嘴山以下河段为沙质河床，时冲时淤，河势较缓、河身宽浅，主流分散且左右徘徊。内蒙古河段在黄河流域的最北端，纬度高达 40左右，平均海拔在 1 km 以上，受蒙古高压控制，冬季极为寒冷，最低气温可达 35 0，每年均会发生封冻并形成稳定封冻河段，多年平均封冻长达宁蒙河段全长的 66%。一般于 11 月下旬出现首凌，12 月上、中旬出现首封，于翌年 3 月中、下旬出现解冻，冰期长达 3 个多月，冰盖厚度 0 7 m 左右。水流自低纬度流向高纬度，导致同一时期内上游气温高于下游，形成“封冻朔源而上、解冻自上而下”的封开河时序。整个凌汛期，河段内平均槽储蓄水量在 6 亿 m3以上，多时可达 9 亿 m3。待春季解冻开河时，冰水俱下，河槽内蓄水集中释放，形成较大凌峰，最大可达 3 500 m3/s。2孕灾环境宁蒙河段凌汛孕灾环境与主要致灾因子，见图 1。4结论(1)项目与相关规划的符合性分析:工业园区符合相关要求，不会对相关规划产生影响。(2)项目防洪标准符合性分析:奈曼旗工业园区总体规划(2017 2035)中工业园区 A 区、B 区、C 区防洪标准满足现行规范要求。(3)项目河道行洪的影响分析:教来河故道桩号 B9+735 海 东小桥以及孟克河桩号 C4+800 穿开八线涵管，桥梁影响河道正常行洪，产生壅水。壅水后河道水位上升，阻碍河道行洪，需要采取补救措施。其余各河道在设计洪水工况下，园区内厂区边界均位于设计洪水水边线外，不占用河道行洪断面，不会阻碍河道行洪。(4)项目对河势稳定影响分析:河流所在流域上游植被较好，河道冲淤现象较轻，未来一段时间内，奈曼旗地区气候基本不会发生大的变化，上游流域地表覆盖及土壤类型不会发生大的改变。因此，作为河道断面外应力的含沙水流与近期基本一致，即河道断面未来演变趋势与近期基本一致。(5)对防汛抢险的影响分析:工业园区各分区或园区内厂房均位于河岸高地或顺河岸而建，且距离河岸均有一定的安全距离，不存在紧邻岸坡，阻断防汛道路等情况，故项目的建设不会对防汛抢险产生影响。(编校:郭宝丽)收稿日期:2022 11 18作者简介:何威(1979)，男，主要从事水利工程设计和水利科研工作。53黄河宁蒙河段凌汛孕灾环境及凌灾成因分析马志等图 1孕灾环境与主要致灾因子2 1孕灾环境的形成(1)热力环境。热力环境主要包括气温、水温、太阳辐射和风力等气象因子。冰凌形成的必要条件是水温在冰点(一般为 0)以下，水分子间的氢键作用足以克服水流外力影响。水温很大程度受气温影响，因此，气温在热力环境中起着主导作用，也是热力条件的集中体现。在解冻期，太阳辐射通过辐射能融化冰体表面，风力通过风化作用使其由坚硬变为酥松，加快了解冻速度。在整个凌汛期，气温的极值、平均值、升降幅度及平稳程度和各气温状态持续时间均对冰情现象及凌灾的发展产生不同程度的影响。具体表现为:最高(低)气温、平均气温及持续时间决定了河道内流冰密度、冰块体积及数量。封、开河期间，气温的降温幅度和升温幅度，直接影响着封、开河速度，尤其在开河期，升温幅度越大，开河速度越快，容易形成“武开河”。稳定封冻期，气温稳定程度决定着冰期的稳定程度，若气温出现忽高忽低现象，则极易形成冰塞。(2)动力条件。动力条件主要包括流量、流速、水位和槽蓄水增量。流量是水流动力的来源，流速的大小与流量有关，影响着冰凌输移的快慢、卡冰堵塞的速度和形式等。水位是决定是否会发生洪水蔓延的重要指标。槽蓄水增量是凌汛期上游来水量与向下游输出水量的差值，即净蓄水量，在开河期集中释放形成较大动力。(3)河势条件。河势条件是极易诱发凌灾的主要原因之一，包括河流走向、河势坡降、断面几何特征、河相系数和弯曲程度等因子。河流走向是影响上下游气温分布特征的主要因素，决定着上下游各河段封、开河时序。河势坡降、断面几何特征、河相系数和弯曲程度等指标，决定着河段过流能力和排冰能力的大小。(4)人类活动影响。河段内各梯级水库的修建是对凌汛产生影响的主要人为因素。水库的运行改变了河道的径流变化特征和水温分布规律，打破了河道的天然属性，降低了河道抵抗洪水的自身“免疫力”，承灾能力变弱。2 2致灾因子的伴生效应多元化的致灾因子之间相互关联、相互制约，交织在一起形成一个错综交叉的网络结构。若有一个因子发生变化，几乎都会有其他一个或多个因子随之发生改变，其作用或相互叠加，或相互消弭，影响程度或大或小，具有“伴生效应”。例如，在同一时期，纬度越高，气温越低，河势走向决定着上下游河段的气温差;过流能力和排冰能力与河势坡降、断面几何形态和面积、河道弯曲程度等综合因素有关，河势越陡、断面面积越大、形状越规则、河道越顺直，过流能力和排冰能力则越大;槽蓄水增量受封冻期上游来水量、气温平稳程度以及河势条件等综合影响;水库运行，对径流状态、河道形态、河床冲淤特点及局部河道水温等产生影响。3凌灾成因凌灾的发生，究其根源，是冰与水共同作用的结果，主要表现形式为冰塞、冰坝壅水引起的洪水蔓延和冰凌撞击对水下工程的摧毁。3 1热力因素封冻初期，下游出现封冻并形成冰盖，而此时上游还未封冻。随着气温的持续下降，上游河段内出现的冰花、冰水混合物等随水流漂浮至下游冰盖前缘，部分冰花、冰水混合物等夹杂物潜入冰盖下缘停滞，不断聚集于冰盖底部，堵塞过水断面形成冰塞壅水。开河早期，上游率先解冻，从封冻体解冻脱落后的冰块在水流作用下向下游输移，到达下游冰盖前缘极易发生卡冰壅冰抬高水位。开河晚期，随着春季气温迅速回升，下游开始解冻到河段全线开封。同期上游来水偏多，在水流动力作用下，冰凌急剧下泄形成巨大机械冲击力，极易摧毁下游河段内桥墩、桥梁等水下建筑物。若开河期气温回升速度过快，则会形成“武开河”，助力冰63内蒙古水利2022 年第 12 期(总第 244 期)坝的产生和堤坝的溃决。3 2水力因素在河道内，水流势能与动能之间随时相互转换，上游来水量是水流动力的根源，流速是水流动力的直接表现。上游来水量的多少很大程度决定着水流流速的大小。(1)封河期。当上游冰花到达冰盖前缘时，弗劳德数 FrFrc(Frc:临界弗劳德数)，则会潜入冰盖下。若此潜入冰盖下的来冰量超过冰下过流能力时，部分冰花停滞于冰盖下部，并不断向下、向上游和左右岸三维发展形成冰塞体，产生壅水。(2)稳定封冻期。若上游来水量过多时，其河道内槽蓄水增量增多，形成一个河槽型水库，待春季解冻开河时，河槽内蓄水会在极短时间内集中释放，冰水俱下，助长“武开河”的发展。(3)开河期。解冻开河期，若上游来水量过大，在水流作用下助推冰凌急剧下泄，产生的巨大冲击力，极易冲毁下游水下建筑物。同时，上游来冰量超过了下游河段的排冰能力时，则会使其聚集于下游弯道、卡扣、桥墩等局部地点，产生壅水。3 3河势因素宁蒙河段下游黄土高原大陆性气候特征明显，属冲积性游荡河道，其主流左右摇摆，河段比降较小，易冲易淤特性明显。石嘴山 巴彦高勒区间属峡谷河段，河宽较窄、岸坡较陡。巴彦高勒 包头区间，河身逐渐放宽，时而出现弯道浅滩，平面摇摆不定。包头 托克托县区间，河宽有所减小，但河底比降更小，弯道更多，且多为畸形大弯。整个河段内，呈“几”字形大弯曲，共有较大弯道 70 处左右，最大弯曲度达到3 64，主流不集中，分叉较多，河势变化多端。该河段宽窄不定、深浅不一、河床比降时大时小的河道条件，极易造成流凌期和开河期在缩窄、弯道、浅滩、分叉等河段发生局部卡冰现象，严重时，造成冰塞甚至冰坝。加之，其特殊的河道条件使得冰下过流能力较小，其过小的冰下过流能力也是限制冰凌顺利下泄的主要因素之一，使得冰下冰花及冰水混合物长时间存留于河段内，也为凌灾形成埋下了隐患。3 4人为因素宁蒙河段上游的龙羊峡和刘家峡水库、区间的海勃湾水库以及下游的万家寨水库等梯级水库群的联合运用，适时调节出水量，为该河段流量过程提供了有利的弹性空间，减缓了防凌压力，起到了重要作用。但是，各梯级水库的运行，一定程度改变了河道的天然属性和热力条件，打乱了冰情发展的自然规律，对冰凌的形成、演变及消失过程也产生一定影响。若水库下泄流量时机和大小不当，可能会形成更为严重的凌汛灾害。龙羊峡水库、刘家峡水库的联合运用，改变了天然径流状态，削减了汛期洪峰流量，河道冲刷机会减少，河道淤积严重，加剧了地上悬河的形成。河道淤积致使断面面积较小，冰下过流能力降低，封冻期蓄水增量变多，在开河时期造成大流量开河。加之，河道内比降变缓，降低了冰凌下泄的顺畅度。据统计，自 1986 年龙羊峡水库、刘家峡水库联合运行以来，宁蒙河段年均冰塞冰坝的次数有所减少，但间接性凌灾的频率却整体增大。万家寨水库蓄水回水末端对水流的顶托作用，降低了的水面比降，增大了流冰阻力，上游来冰极易在此积聚形成冰坝。随着水库上游冰凌的不断积累，对水库本身也会产生一定威胁。4结语(1)特殊的地理位置、河势流向以及极端的气候条件，极易发生凌汛灾害，是造成宁蒙河段成为凌汛重灾区的主要原因。(2)宁蒙河段多元化的致灾因子之间的伴生效应，使其孕灾环境敏感性较强。(3)各梯级水库的联合运用，在宁蒙河段防凌减灾中发挥了重要作用，减少了凌汛灾害的发生次数。但龙羊峡水库、刘家峡水库的联合调度运用，促进了地上悬河的形成，恶化了河道形势，降低了承灾能力，甚至出现“有险即成灾”的趋势。参考文献 1 刘吉峰，霍世青，王春青 黄河凌情预报研究与防凌需求 J 中国防汛抗旱，2017，27(06):10 2刘晓岩 2015 2016 年度黄河防凌形势及防御措施 J 中国防汛抗旱，2015，25(06):1(编校:刘燕英)收稿日期:2022 11 14作者简介:马志(1991)，男，工程师，主要从事黄河水文水资源监测与分析工作。73黄河宁蒙河段凌汛孕灾环境及凌灾成因分析马志等