万家寨水利枢纽库尾凌情特征及变化

吴金峰，牟献友

万家寨水利枢纽库尾凌情特征及变化

吴金峰，牟献友

（内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特010018）

万家寨水利枢纽位于黄河中游，其库区狭窄多弯，由于河道断面宽度和河床比降变化大等特殊地形条件，每年进入冬季的封开河关键期容易形成冰塞、冰坝，出现凌汛灾害。对万家寨库区1998年以来近15年的冰情资料进行分析，并对库区的冰凌进行测量，分析总结库区段流凌期、封冻期和开河期的凌情特征及变化，以制定出更好的防凌方案。

冰坝；开河；封河；壅水；万家寨水利枢纽

1　库区概况

万家寨水利枢纽是我国重要水利枢纽之一，位于黄河中游上端，上距黄河上游与中游的分界处河口镇104 km。坝址左岸为山西省忻州市偏关县，右岸为内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗。万家寨水库是一座峡谷型水库，库区狭窄多弯，许多断面呈“U”形，且两岸陡峻［1］，尤其是在牛龙湾处河床比降大，加上有浑河入口和铁路桥等特殊地形条件，冰凌在此下泄不畅，极易卡冰结坝，造成严重壅水。

2　库尾凌情

2.1库区河道断面位置

万家寨库区河道研究范围为坝前码头至头道拐，即自WD01～WD70断面，总长为92 km［2］。万家寨库区河道断面位置见表1。

2.2库尾凌情特征分析

2.2.1凌期特征

黄河内蒙古河段冬季严寒而漫长。一般把黄河的冰凌演变分为3个时期，即结冰期、封冻期和解冻期。对于黄河内蒙古段来说，进入11月份，冷空气不断南侵，气温渐趋下降，河水温度也随之下降，当温度达到0℃以下，在河流岸边出现薄冰［3］。由于水流的紊动作用，河水失热降温是在整个水流各个部位同时进行的，因此会形成冰花。随着气温越来越低，冰花的数量也愈来愈多，当密集的流冰在急弯、浅滩、窄细处卡堵后，后续的流冰便在该处以上河段形成封冻冰盖，这时该河段便进入了封冻期［4］。河流封冻后，因湿周的增加和冰盖下冰花的堆积，水流阻力明显增大，过水断面显著减小。因此，河道内槽蓄水量必然增大，比畅流期同流量下的水位要高，槽蓄水量的多少将影响开河形式。开河的形式分为文开河、武开河和半文半武开河。黄河岔河口冰情站冰情日期见表2。

黄河内蒙古河段流冰日期一般在11月下旬。1998年～2013年，最早的是11月12日（1998年），最晚12月3日（2011年）。2012年11月中旬气温骤降，日最高气温降低7℃，日均气温降低5℃。11 月14日，库尾开始流凌，流凌密度不足10%。11 月21日后因气温略有回升，库尾流凌现象曾一度消失。24日起受再次降温的影响，库尾及以上内蒙河道再次出现流凌，流凌密度不足10%。每年凌期一到，流凌首日，冰凌就会在万家寨水库库尾回水区范围内某处停止，冰凌就会向上游延伸并形成堆积，且在库尾丰准铁路桥至水泥厂一带不断堆积、紧冰，直到黄河内蒙古河段封河，头道拐流量减小后，封河才会向水泥厂、曹家湾以上河段发展。自1998年冬天以来，万家寨库区总是在头道拐流凌开始日就开始形成冰凌堆积，黄河内蒙古河段首封日总是晚于万家寨库区冰凌堆积日。

2.2.2封开河期水位

万家寨库区河道流凌期壅水最高水位见表3。从表3可以看出，近年库尾各断面水位较前些年有所提高，但头道拐及其他水文站也都比较高。尤其是2004年～2005年封河前壅冰段的WD62、WD63断面比2003年～2004年高3 m，开河时水位也比其他年份的水位高，在水库库尾河段多处公路和村庄被淹。沿黄公路三道塔村柏油路路面过水后路面水痕和冰块见图1。

表1　万家寨库区河道断面位置

表2　黄河岔河口冰情站冰情日期　月-日

表3　流凌期壅水最高水位　m

图1　路面水痕和冰块

万家寨水库库尾河段大多是立封河段，凌汛开河期形势严峻。2008年，三湖河口出现历史最高水位，巴彦高勒到头道拐河段最大槽蓄水量达13.40 亿m3，给开河带来不利。自2008年3月11日库尾出现大面积清沟至2008年3月18日库尾河段主槽全部开通，麻地壕、蒲滩拐、喇嘛湾均出现了较高的水位，分别为989.15、987.54 m和986.28 m。其中，喇嘛湾水位离水库最高移民高程仅0.72 m［5-6］。

3　凌情的影响因素及变化

影响凌情的主要因素有动力因素（流量、水位、流速、风力、波浪等）、热力因素（气温、水温、太阳辐射等）、河道形态（河道的平面位置、河道走向、河道边界特征等）、人类活动等。本文主要从气温、流量、河道条件和水库影响等几个方面分析黄河万家寨水库库尾凌情变化情况。

黄河内蒙古河段多年平均气温在0℃的天数为123 d，最大冰厚0.9 m。气温从11月份到二月中旬一直在0℃以下，从二月中旬气温开始上升，冰凌开始融化，到三月份进入开河期。

3.1气温

气温是影响冰情演变的主要热力因素，导致冰量和冰质的变化，决定封冻日期、封冻长度、冰厚等。2013年～2014年凌汛期神泉日平均气温过程线见图2。从图2可知，2013年～2014年，从11月27日开始流凌，12月9日开始降温，至12月14日封河，历时18 d。同往年相比，流凌开始时间晚、持续时间短、封河速度快。2013年12月24日～2014 年1月13日，对喇嘛湾公路桥、神泉高压线进行了3次典型断面冰厚测量，同时对蒲滩拐、神泉泵站、郝家窑、张家圪旦进行了一次典型断面冰厚测量。最大河心冰厚（WD54断面）0.78 m，最大岸边冰厚（WD57断面）0.86 m。断面WD50～WD72冰花量2 256万m3，冰量1 064万m3堆冰总量2 256万m3。

图2　2013年～2014年凌汛期神泉日平均气温过程线

3.2流量

对不稳定封冻河段，气温是影响河段封冻的主要因素之一，在低气温下会引起封冻，而在高气温下河段不会封冻，但在气温不是很低的情况下，河道流量是河道封冻或不封冻的重要因素。在河道解冻开河期气温是河道解冻开河的主要因素，但小流量可以延长解冻时间形成文开河，大流量会加速解冻时间形成武开河。

3.3河道条件

河道形态影响排凌、封河开河的形势。若河道的坡降过大或上宽下窄就会极易卡冰而形成冰坝。万家寨水利枢纽是一座峡谷型水库，库区两岸陡峻，河道大部分断面呈“U”形。2010年12月23日，在巨合滩大桥上出现卡冰导致排凌受阻，起初为冰凌堆积，后来形成冰塞，导致水位上涨最高，到24日02∶15时溃决下泄，两岸留有大量残留冰。由于上游大量的流冰，致使该段严重冰塞段进一步堆加，水位大幅上壅，冰塞推移至断面WD53～WD59之间，形成严重的冰塞段，水位上升很高，断面WD57水位979.90 m、下塔水泥厂自记水位981.20 m。在各种作用力的推动下，25日11∶00时冰塞段开始溃决，推动下游基本未动的冰面一次性进入库区即下城湾以下，水位大幅下跌4.0 m以上，下泄后的河槽两岸仍留有大量残留冰。溃决过程中，流冰通过岔河口大桥时顺利通过，无有阻冰现象。2010年3月25日，头道拐上10 km以下全部开河，在浑河口以下属于武开河。

3.4水库

在河道上修建水库影响下游河段的热力因素和水力因素，进而影响库区的凌情变化。黄河上游修建的龙羊峡水库和刘家峡水库对万家寨库区的凌情有一定的影响。刘家峡水库在内蒙古河段的封开河期增加下泄流量，并要求流量过程平稳，大大改善了黄河内蒙古河段的冰凌情势。

4　凌情变化

1998年～2013年近15年的凌情与历史凌情相比，万家寨水库冰期气温、封冻天数、开河流量等都有变化。万家寨水库运用后，没有上游的来冰，且提高了大坝底孔泄流水温，致使万家寨水库库尾河段的初封日期、稳封日期明显推迟，封河长度也会明显缩短。

万家寨库区的冰期气温在近15年呈上升趋势。但在2000年1月和2009年1月遭遇低气温天气和寒流侵袭。在鄂尔多斯市达拉特旗乌兰段首先出现流凌，之后，随着沿河地区气温的下降，流凌密度增加，流凌河段加长。从内蒙古巴彦淖尔市磴口县三盛公站至头道拐水文站之间河段流凌密度为30%～60%；头道拐水文站至万家寨水库库尾河段流凌密度为50%～80%；壶口在2009年1月17日发生凌汛灾害，清涧湾出现险情。壶口附近黄河凌汛现场见图3。

图3　壶口附近黄河凌汛现场

近10来年，万家寨水库的北干流河道流量比水库运行前的流量明显减小，一般在300 m3/s。2002年，头道拐、河曲、府谷的流量均下降，尤其在河曲段流量下降到221.99 m3/s。万家寨水库库尾一般的封冻天数是60～70 d。由于寒流侵袭，在1999年～2000年度封冻天数为101 d。近15年来，宁蒙河段冰期槽蓄水增量变化明显。其中，2005年该河段冰期槽蓄水增量达到近20亿m3，创下了近15年之最。

图4　1998年～2009年凌汛期流量统计

5　结语

黄河凌汛问题是黄河治理中的重大问题之一。本文对黄河万家寨水库库尾凌情的影响因素和变化情况进行了分析，随着气温、流量的不同，还会有新的问题出现。黄河防凌工作主要是在凌汛期，尤其在是流凌期和开河期容易发生凌灾，流凌期冰密度过大容易形成冰塞，导致冰坝。在开河期，若是武开河，易导致下游的路面淹没。只有在凌汛期加强防凌工作，完善防凌工程措施，并加强非工程措施，才能保证凌汛期的安全，把凌洪灾害降到最低。

［1］马喜祥，熊运阜，徐伟，等.万家寨水库冰情浅谈［J］.泥沙研究，2003（4）：66-72.

［2］翟家瑞，金双彦，熊运阜，等.黄河万家寨水库防凌运用方式研究［M］.郑州：黄河水利出版社，2013.

［3］可素娟，王敏，饶素秋，等.黄河冰凌研究［M］.郑州：黄河水利出版社，2002.

［4］黄河流域及西北片水旱灾害编委会.黄河流域水旱灾害［M］.郑州：黄河水利出版社，1996.

［5］鄂尔多斯市水文勘测局.岔河口冰情站2007年～2008年度黄河凌汛技术总结［R］.鄂尔多斯：鄂尔多斯市水文勘测局，2008.

［6］黄河万家寨水利枢纽有限公司防汛办公室.万家寨水利枢纽凌汛开河期总结［R］.郑州：黄河水利委员会，2008.

（责任编辑杨健）

Characteristics and Changes of Ice Regime in Wanjiazhai Reservoir

WU Jinfeng，MOU Xianyou
（College of Water Conservancy and Civil Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，Inner Mongolia，China）

Wanjiazhai Water Multi-purpose Dam Project locates in the middle reaches of Yellow River which forms a narrow and multi-bending reservoir.Because of the special terrain conditions of narrow water surface and large river channel slope in Wanjiazhai Reservoir，the ice damming and ice flood disasters are easy to be appeared in ice freezing and thaw period in winter.The ice data in past 15 years since 1998 in Wanjiazhai Reservoir are analyzed and the ice conditions in river are investigated.The ice regimes in the periods of ice-run，freezing and thaw are analyzed respectively to make a better ice flood control scheme.

ice dam；river ice thaw；river ice freezing；backwater；Wanjiazhai Water Multi-purpose Dam Project

TV875（226）

A

0559-9342（2016）02-0017-04

2015-10-27

国家自然科学基金资助项目（51569020）；内蒙古自然科学基金资助项目（2015MS0515）

吴金峰（1990—），女，内蒙古乌兰察布人，硕士研究生，主要从事工程水力学研究；牟献友（通讯作者）.