黑龙江防凌减灾研究进展

彭旭明，吴煜楠，徐金鹏，路锦枝，邹德昊，王 涛

(1.黑龙江省防汛抗旱保障中心，黑龙江 哈尔滨 150001； 2.河南省南阳水文水资源勘测局； 3.中国水利水电科学研究院 流域水循环与调控国家重点实验室，北京 100038)

1 研究背景

黑龙江位于我国最北端，为中俄界河，在北纬41°以北的高纬度地区，冬季受西伯利亚冷空气活动的影响，在极地大陆气团和蒙古高压控制下，气候干燥严寒，日平均气温从10月转入零下，次年4月回升到零上，最低气温(1～2月)在零下35 ℃ 以下，北部漠河可达零下50 ℃以下。河流封冻期(11月—翌年4月)长达150～170 d，最大冰厚可达2.0 m，冰面积雪深度平均为20～30 cm，最大可达100 cm。

黑龙江上游支流分布和河道走势为：额尔古纳河、石勒喀河及上游南侧支流额木尔河、盘古河等都是由西南流向东北，由低纬度流向高纬度，最大纬度差7 °、纬距长700 km，使源头和支流开江早于干流，导致黑龙江上游江段形成“倒开江”[1]。受特定地理位置和气候影响，在春季开江时形成不同程度的冰坝，产生凌汛。冰坝一般长10～30 km，最长达45 km(1985年，孙吴县沿江乡霍尔漠津冰坝)，高5～9 m，最高达15 m(1960年，漠河县兴安镇连崟冰坝)。自20世纪50年代以来，黑龙江局部河段卡塞几乎年年都有，平均3 a左右形成一次具有一定规模的冰坝。

黑龙江凌汛灾害特点如下：①防凌战线长、难于监测，局部山区发生凌汛冰坝最初卡塞点难以具体确定；②受国际界河影响，地理位置特殊、防凌工作受限制，实施空中侦察和空中力量破除冰坝程序繁杂、准备期长，而凌汛冰坝成灾的速度又很快，难于应对；③河流冰厚大、冰层坚固，冰厚一般都1 m左右，最大冰厚超过3 m；④冰坝阻塞距离长、高度大；⑤冰坝稳定性强，从冰坝形成到溃决总历时不等，一般为2～8 d，最长达14 d；⑥冰坝洪水涨率快，壅水高度大;⑦凌汛峰高量大，波及范围广；⑧冰坝洪水成灾急，灾情重，冰坝壅高水头平均高达5～9 m，溃决后瞬间释放大量能量，而且携带巨大冰块，对波及到的堤防、建筑物、耕地等造成严重损害。因此，无论从历史灾害、冰坝长度、壅水高度还是防御难度上黑龙江凌汛都超过黄河凌汛。

随着经济的发展和黑龙江两岸中俄国际交流的日渐频繁，冰凌洪灾也关系到拓展和丰富国际河流开发与管理，因此得到中俄双方的共同关注。冰凌研究水平的相对滞后，将会导致我们在边界河流管理、开发、开展对话中处于被动地位。目前，国内在冰害防治方面已就黄河、南水北调工程等开展了相关研究[2-4]，但黑龙江所处位置、气候条件以及河道复杂程度等与上述河渠差异较大，相关成果已不太适合东北高寒地区、厚冰层的江河防凌工作。此外，受地理位置偏远、资金、凌汛专业技术人才、专业监测器材不足影响，对黑龙江凌汛冰坝灾害防治研究开展得较少、较晚。鉴于目前严峻的冰凌形势，开展黑龙江高寒地区冰情预报及灾害防治研究不仅能提高防凌减灾科学研究的进程，而且也适应当前黑龙江经济和社会发展的需求。

本文从黑龙江当前已经完成的黑龙江防凌减灾系统顶层设计、黑龙江冰情现场监测和测量、冰情预报和防凌爆破等方面概述黑龙江防凌减灾进展情况。

2 黑龙江防凌减灾系统的顶层设计

完成黑龙江典型江段以水雨情、冰情、灾情信息采集系统和气象气侯预报系统为基础，通信系统为保障，计算机网络系统为依托，冰情预报和决策支持系统为核心的黑龙江防凌减灾决策支持系统框架设计，图1为黑龙江防凌减灾决策支持系统顶层结构图。

图1 黑龙江防凌减灾决策支持系统顶层结构图

完备的顶层设计系统能够实现及时传递冰凌、冰灾、冰坝和气象的预报信息，网上防凌会商和决策，实际的冰情预报和预警，避免突发事故发生，减少灾害发生时造成的人员伤亡及财物损失等。

为了顶层设计更好的为黑龙江防凌服务和配合黑龙江防凌观测站建设，在漠河水位站附近4～5 km的江段上建立了3个固定式冰雪情观测站(如图2)，用于测量气温、水温、冰盖厚度、覆雪厚度、冰雪层内部温度梯度、风速、太阳总辐射量，以及冰面静态图像等数据，作为顶层设计的实际应用实例。该观测站从2015—2018年连续在封冰期运行。温度梯度式冰情自动检测系统和积雪深度自动检测系统均位于江边位置，从上游到下游的设备编号依次为B2、B1和B3；R-T冰情自动检测系统均位于江心位置，从上游到下游的设备编号依次为C1、C2和C3；GPRS河道定点冰凌图像遥测系统和风速及太阳辐射自动气象观测系统位于北极广场，此设备的编号定义为A1。

图2 漠河水位站附近上、中、下游设备安装位置示意图

3 冰情的现场观测和测量

中国水利水电科学研究院和大连中睿科技发展有限公司联合研发的IGPR-10型冰厚水深综合测量雷达系统应用于黑龙江冰情的测量和冰塞冰坝的快速探测[5]，该雷达系统是在原单一冰厚雷达测量系统的基础上，在技术上突破了以100 MHz和1500 MHz雷达为基础的冰厚水深综合测量雷达系统，并通过RTK系统实时采集测点的经纬度坐标。该系统通过交替工作周期为15 ms的分时工作来避免不同频率雷达间的相互干扰，利用冰厚和水深综合探测时在时间上表现为相邻道号数据振幅稳定、渐变的特点，采用相关性层位追踪算法提高测量的准确性。

在我国纬度最高的黑龙江漠河段，对冰厚-水深综合测量雷达的稳定性、耐低温性能和测量精度等进行了全面的测试，其中水深的测量数据与水位压力传感器(精度0.5%)进行对比验证，冰厚的测量数据与L型量冰尺(精度1 mm)进行对比验证，双频雷达水深测量的平均误差为3.97%；覆雪条件下冰厚测量的平均误差为4.32%。在-25 ℃的环境温度下，雷达系统具有很好的稳定性，可连续工作8 h以上。

2015年采用冰厚-水深综合测量雷达系统，在经常发生冰坝灾害的黑龙江漠河县龙岛码头河段开展了冰水情原型观测，观测河段长约535 m[5]。测量结果(图3)表明：码头上游的冰厚在0.9～1.0 m之间，水深在3.0 m左右；码头下游的冰厚在0.8～0.9 m之间，水深则增加到6.0 m。

图3 2015年龙岛码头河段冰厚和水深的测量结果(从上游到下游)

上述测量结果也解释了龙岛码头经常发生冰坝的原因：①龙岛码头河段为弯道，冰块流动时的阻力较大；②从上游到下游，河床高程大幅降低，水深由3.0 m迅速增大到6.0 m，这意味着流速突然放缓，进一步导致上游来冰在龙岛码头处的挤推和堆积，易于导致冰坝的形成。近几年开河前对黑龙江龙岛码头河段的冰塞中部和下游分别开展了防凌爆破，爆破后龙岛码头河段开河期间冰块流动顺畅，爆破河段未发生冰坝灾害。因此，通过冰厚-水深综合测量雷达系统，可以高效地获取冰水情参数的连续数据，以便更清楚地认识冰塞、冰坝发生的原因和本质，进而采取恰当的应对措施。

2017年4月，采用气垫船携带冰厚-水深综合测量雷达开展北极村至洛古河村有史以来第一次冰情沿江调查，测量长度66 km，沿江调查冰情路线和测量冰厚-水深。2018年4月开江前采用冰厚、水深综合测量雷达系统，测量呼玛冰塞冰坝易发地点20 km的冰厚、水深分布，找到冰坝潜在发生位置，采取有针对性的爆破措施。

新型的冰厚-水深综合测量雷达突破空气-冰-水-河床联测难题，可广泛用于江、河、湖、库及调水明渠冬季的冰厚、水深连续测量及冰塞、冰坝的快速探测(如图4所示)，为冰塞、冰坝、冰凌、洪水防控提供有效测量手段，也为冰情预报和防凌爆破提供基础数据支撑[6]。

图4 冰厚水深综合测量雷达现场测量

4 黑龙江冰情预报及灾害评估

对神经网络理论和开河冰坝成因及机理研究基础上，建立了基于神经网络理论的冰情预报模型。冰情预报中，各种现象的相关因素比较复杂，偶然因素对预测结果影响较大。对于受多种因子影响而很难找到一个确切相关关系的问题，利用模糊-神经网络对复杂问题很强的非线性映射能力、对信息处理的鲁棒性和容错性、对信息含糊和不完整等复杂情况的处理有较强适应性特点，建立适合冰情特征以模糊-神经理论为基础的冰情预报系统。通过网络的自学习，找到适合黑龙江冰情预报的规律，网络训练过程如图5所示[7-8]。该模型能够完成黑龙江流凌日期、封河日期、开河日期、水温、冰塞、冰坝和开河水位等的预报。

图5 神经网络训练过程

将开发的神经网络理论冰情预报模型应用到黑龙江上游凌汛灾害频发的漠河江段冰坝预报中，及时准确的预报了开河及冰坝的发生情况。以及时、准确的冰坝预报为提前，制订主动防凌方案、灾害预警和防凌措施实施提供重要的科学依据。本预报模型应用到2017年黑龙江上游漠河江段冰情预报中，在4月1日预报出2017年开河期将不发生冰坝灾害，预报开河日期为4月28日。实测为黑龙江上游漠河洛古河江段开江日期为4月28日，北极乡江段开河日期为4月24日，未发生冰坝造成的凌汛灾害。洛古河开河日期同预报值同天，北极乡在开河前(4月9日—4月12日)实施开江前预防性的防凌爆破，使其比上游洛古河开河提前，比预报早4 d开河，本次预报的预见期超过24 d。采用2017年10月1日—2018年3月15日漠河气象局提供的日均气温和降水量。3月16日预报黑龙江开江情况，2018年漠河江段将不发生冰坝引起的凌汛灾害，开河日期为4月27日—30日左右。实际情况为漠河江段未发生冰塞、冰坝引起的凌汛灾害，开江日期为4月26日，本次预报的预见期为41 d。根据《水文情报预报规范》[9](GB/T 22482—2008)，预见期>15 d允许预报误差7 d，2017年开河日期预报值和实测值误差均小于允许误差，且准确预报冰坝发生情况。

在冰坝预报的基础上，提出冰坝等级、冰情灾害风险等级和预警等级的分类标准，及冰情灾害风险评价方法，并给出不同灾害等级的冰坝的预防和破除措施。

5 防凌爆破研究

实测资料显示黑龙江上游开河前实测冰盖厚度能达2.0 m，冰盖强度大，冰盖上积雪覆盖层厚，很难通过冰表面处理、冰盖的机械破坏、切割冰盖、气垫船破冰和河道开孔等非工程措施实现大面积的冰块结构的破坏和移动，因此炸药爆破冰盖或冰坝成为黑龙江预防或缓解冰情灾害最有效的方法[10-13]。

2013—2018年黑龙江上游呼玛县、塔河县的典型江段及漠河县的北极村、北红村和兴安镇开展了现场防凌爆破试验(如图6)，并且央视多家频道、全球网络新闻(GNN)跟踪和报道了黑龙江的防凌爆破工作。

通过黑龙江上游江段现场防凌爆破试验研究，提出了防凌爆破的可靠方法和关键技术[14]：

(1)建立了表达黑龙江冰凌爆破中冰盖厚度、冰下水深、炸药用量同爆破坑半径之间关系的公式。新公式预报的爆破坑半径值和实测值平均相对误差在8.5%以内。同已有的研究成果比较，该研究成果论证了冰下水深对爆破坑半径的影响，所提出的爆破坑半径公式不仅适应于冰盖厚度小的河流，也适合高寒地区冰盖厚、强度大、水深浅的天然河流，且预报精度较高。

(2)提出了爆破坑分类定义方法。首次在防凌破冰后，将爆破坑进行分类对爆破坑区域进行定义，按照爆破后爆破坑型特征分为：山包状爆破坑、标准爆破坑和完全爆破坑三类，如图7所示。

(3)改进了防凌爆破技术。通过冰下横向和竖向爆破对比分析，指出炸药冰下横向布置比竖向布置更能够充分发挥炸药冲击波对冰的作用力，爆破对冰的破坏力强，效果好。明确了冰下爆破炸药应采取横向放置方式。

图6 北极村和北红村防凌爆破现场

图7 爆破坑类型

6 总结与展望

通过2015—2018年开河前黑龙江上游冰塞和冰坝的预报研究、冰情的检测及冰塞、冰坝的快速探测和防凌爆破试验研究，开河期间黑龙江上没有发生冰塞和冰坝凌汛灾害，整个河道顺利开江。特别是2016年，开河前4月份降雨量超过多年平均77%，为冰坝发生创造有利条件。本研究工作保护河道两岸工业、农业、人员生命、财产和资源安全，保证河道两岸人民安定的生产和生活，促进了社会的和谐和稳定。该研究成果能为高寒地区河流冰情观测、冰情预报和防凌爆破提供科学的技术支撑和参考依据。

黑龙江地处边疆，交通、通讯、观测设备落后，水文站的数量远远低于国内平均水平，导致水文数据缺乏，灾害的观测、预报、防治和研究进展缓慢。为了促进黑龙江防凌减灾研究的发展，需要提高和完善黑龙江水文和气象观测设备和技术，更需要冰科学研究专家和学者参与黑龙江冰情研究。推动黑龙江冰情及防凌减灾研究的发展，契合国家在“重大江河综合治理”“重大灾害的监测预警技术以及重大自然灾害综合风险分析评估技术”领域的科学技术需要，也符合国家“一带一路”倡议对中俄边界河流黑龙江经济和社会发展的需求。