黄河冰凌近期研究简述与展望

郜国明，邓 宇，田治宗，李书霞，张宝森

（1.黄河水利科学研究院，河南郑州450003；2.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，河南郑州450003；3.水利部黄河泥沙重点实验室，河南郑州450003）

1 前 言

黄河流域东西跨越23个经度，南北覆盖10个纬度，地形和地貌相差悬殊，径流量变幅也较大。特殊的地理位置和气候条件，导致黄河上游宁蒙河段、中游北干流河段及下游河段冰凌在演变过程中常常会形成冰塞、冰坝，壅高水位，引发凌汛灾害。黄河凌汛已成为我国冬春季节大江大河中最突出、最主要的汛情之一。中华人民共和国成立前，黄河凌灾频繁，给两岸人民带来了深重的灾难。黄河下游自1855年改道走现行流路至1949年前，平均每5 a就有2 a发生凌汛决堤灾害，黄河宁蒙河段平均2 a就发生一次较大的凌汛灾害。中华人民共和国成立以后，不断完善防凌工程措施和非工程措施，大大降低了凌灾发生的频率。但黄河凌汛孕灾环境复杂、突发链发性强，防御困难，加之部分河段淤积严重，排洪泄凌能力锐减，黄河下游于1951年、1955年分别在山东省利津县王庄、武庄发生堤防决口，受灾人口共计27.5万人，受灾面积8.6万hm2。黄河内蒙古河段自1986年以来，已发生多次凌汛决口。2008年3月，黄河内蒙古段杭锦旗独贵塔拉奎素段发生的凌汛决口，受灾面积106 km2，受灾群众10 241人，直接经济损失达6.9亿元。黄河冰凌日益成为黄河治理开发的突出问题和薄弱环节。

近些年来，对黄河冰凌的研究得到了越来越多学者的关注，相关基础研究和应用研究取得了进展，归纳总结黄河冰凌研究的脉络及进展，进而探讨其未来发展趋势，对提升黄河防凌能力，保障沿黄地区防凌安全，具有科学价值和经济、社会意义。

2 黄河冰凌研究进展

2.1 河冰基础理论

河冰的形成、发展和消融过程涉及水力学、热力学、河道边界条件和气象等多种因素的影响和制约，使得对河冰基础理论的研究变得非常困难。Pariset和Hausser在 1961年提出了水面冰堆积理论［1］，Tatinclaux［2］、Beltaos［3］在前人的基础上对这一理论进行了扩展和完善。 此外，Ashton［4］、Beltaos［5］对河冰的生消演变过程也进行过详细的阐述。

对黄河冰凌问题的研究可追溯到20世纪50年代初，当时主要是河冰的原型观测研究。陈赞廷［6］较早对黄河冰凌观测理论进行了概述；孙肇初等［7］总结了黄河上游河流冰盖糙率系数随时间变化的规律，并根据黄河河曲的观测数据，提出了冰塞糙率系数、河床糙率系数和弗劳德数的经验公式；隋觉义等［8-9］通过对黄河河曲段的大型河冰原型观测，首次建立了冰塞厚度与流冰量、水力条件相关的数学模型。通过原型观测，掌握了黄河冰凌的一些定性规律，得到了一些经验关系式，可用于解决特定条件下的冰凌问题。但原型观测的局限性导致一些重要的实测数据难以获得，而借助室内试验研究河冰的若干问题，不仅可总结一般性的规律，还可揭示相关机理，建立相应的理论体系。王军等［10-13］通过水槽试验研究，得到了初始冰塞厚度与水流条件和冰流量等因素的相互关系；郜国明等［14］建立了冰下层流计算公式，分析了冰下流速的变化规律；顾李华［15］通过多元指数回归模型，发现改进的累积负气温法能够较为准确地预测冰盖厚度；隋觉义等［16］在孙肇初研究成果的基础上，用石蜡作为模型冰，通过模型试验得到了冰塞糙率系数、河床糙率系数、弗劳德数和水流含冰率的函数关系。

随着计算机技术的发展及对河冰形成、发展、消失全过程认知的加深，运用数学计算方法对河冰冻结过程进行模拟越来越普及。大家较为熟知的模型是Shen等［17-19］提出的二维河冰输移模型DynaRICE。与国外相比，我国在河冰数值模拟方面的研究成果也很丰硕，其中：蔡琳等［20］建立了黄河水库防凌调度模型；张学成等［21］建立了黄河初始冰盖形成后冰盖厚度演变的数学模型；杨开林等［22］根据冰塞形成发展的机理，提出了冰塞形成发展方程；茅泽育等［23-25］建立了河道水内冰形成及演变的垂向二维紊流数学模型，包括流速场、水温、水内冰浓度、面冰输移、冰盖下冰的输移、堆积和冲蚀等；王军等［26-29］基于两相流理论建立了欧拉-拉格朗日模型，对水内冰花颗粒的运动轨迹和初始冰塞头部的推进过程进行了仿真模拟；张防修等［30］建立了河冰动力学模型；于国卿等［31］提出了基于数据挖掘技术和LSSVM预测河道开河的方法；陈守煜等［32］采用模糊优选神经网络BP方法成功预报了黄河内蒙古段封河、开河日期。

2.2 冰凌原型观测

20世纪80年代前后，国外学者相续开展了河流冰情的原型观测， Parkinson［33］、Marsh 等［34］对封河期冰盖下和开河期河道的水温进行了有效观测，Gerard等［35］对河冰的开裂过程进行了观测。近些年来，为确保观测人员的人身安全，一些新的观测技术随之出现，如Ford等［36］采用冰塞厚度测量仪对冰厚进行了观测，Brian等［37］使用ADCP测量了浮冰流速、特定点的冰盖厚度，Jasek等［38］使用SWIPS系统测量了冰盖的生长和消融速度。

针对黄河冰凌观测，传统的冰凌观测技术以人工为主，如冰厚的测量采用人工穿孔、量冰尺量测的方式。这种方式不仅效率低，而且测量区域受限，无法实现实时观测。随着新技术的发展，采用声波、电磁波、电阻率等物理方法测量冰凌的方法不断涌现。秦建敏等［39-41］基于气、冰、水物理特性差异原理实现了对冰、水情的采集，但这种接触式设备极易受静冰挤压和流凌撞击而损坏。李志军等［42］总结了现行冰厚度变化过程监测方法的适用范围和优缺点，发展了新的冰厚度变化过程监测方法，包括直接探测冰层界面位置的接触设备法和利用气、冰、水电导率差异的标尺法。张宝森等［43］通过现场试验研制出了黄河河道冰、水情数据与图像远程连续自动监测系统。另外，采用无人机航拍应急监测也越来越普遍［44-46］。

2.3 冰凌预报

在冰凌预报方面，苏联从20世纪30年代就开始了相关研究，到20世纪50年代，河道冰情预报技术开始广泛应用［47］。 Bilello［48］在 1964 年提出了河流和湖泊冰体形成的预报方法，Poulin等［49］在1971年开发了一种水文和封冻日期的概率预报方法。1976年，Adams［50］在Poulin研究成果的基础上，开发了封冻预报模型。随着计算机技术和数学模型研究的不断发展，Shen 等［19，51］先后提出了一维和二维河冰数学模型，为依据水力学、热力学和水文学等理论研究冰凌预报打下了基础。

黄河冰凌预报研究开始于20世纪50年代，采用的方法从最初简单的指标法、经验相关法，到后来的神经网络方法。指标法主要是选取冰凌要素的几个指标，预报凌情发生的具体时间。经验相关法是在指标法的基础上，建立相关的经验模型来预报流凌、封开河日期等冰凌要素［52］。经验相关预报方法能够反映冰凌变化的基本规律，有一定的物理成因基础。1994年，黄委水文局建立了黄河下游实用冰情预报模型，主要包括水温、流凌、封河、冰盖厚度、开河五部分［53］。1997年，张遂业［54］研发了黄河上游河段冰凌预报模型。1998年，黄委水文局建立了黄河上游实用冰情预报模型，增加了冰塞和冰坝数量的预报功能［55］。2002年，可素娟［56］、冀鸿兰［57］提出了黄河内蒙古河段预报模型。2004年5月至2006年7月，黄委水文局联合中国水科院，研究建立了以神经网络模型为基础的黄河宁蒙河段冰情预报系统，可预报流凌、封开河日期及开河洪峰流量、最大10 d水量等冰情要素［58］。此外，王慧明［59］基于灰色理论方法、李亚伟等［60］基于支持向量机方法对黄河的冰情预报做了相关研究。2012年，黄委水文局采用经验与理论相结合的方法开发了冰凌预报系统，提高了冰凌预报精度和时效性，在冰凌预报实践中发挥了重要作用［61-62］。

2.4 防凌减灾技术

世界上普遍采用的防凌减灾技术多以破冰为主，其中包括破冰船破冰、定点爆破及飞机、大炮轰炸等。早在1946年，美国就对用炸药除掉密苏里河的冰坝进行了试验研究。俄罗斯、加拿大等国家主要利用破冰船进行破冰防凌，1977年俄罗斯的核动力破冰船曾经到达北极。此外，芬兰和加拿大制造的动力破冰机已广泛应用于北欧、加拿大和美国［63］。

我国的防凌工作主要采用水库调度、工程控制、机械破冰、爆破破冰等多种手段。针对黄河防凌，郜国明等［64］较早提出了黄河防凌减灾综合措施。目前，黄河上游水库防凌调度侧重于龙羊峡、刘家峡的联合调度，以及海勃湾水库和分凌区的应急调度运用［65-66］，但尚未开展龙羊峡、刘家峡、海勃湾、万家寨等水库与分凌区联合防凌研究。炸冰是快速解除冰塞冰坝险情的应急防控手段，从20世纪50年代起，空军炸冰在历年的黄河防凌中一直发挥着作用［67］。除了常用的飞机投弹、炮击，黄河炸冰也不断涌现新的技术手段［68］，如气垫船运载炸药和新型聚能弹［69］、破冰爆破带［70-71］等破冰装备。这些新式装备的出现为黄河防凌提供了新的破冰手段，但均不同程度地存在安全性低、精度差、时效性差和费用高等问题。

3 黄河冰凌研究趋势

为保障黄河防凌安全，提升黄河凌汛灾害监测与防范能力，当前亟需在黄河凌汛洪水致灾成灾过程及演化机理，重要凌情的精准实时监测，凌汛险情灾情的准确及高效预警预报，重点防凌河段水库群的精细化及智能化调度，实施便捷、响应灵敏、安全高效的破冰排凌减灾技术装备和具有时效性及安全性的凌汛险情灾情抢护技术等方面开展研究，并构建覆盖凌汛灾害监测预警、风险管理、调控决策和效果评估全过程的防凌决策支持平台以及高效科学的凌汛灾害综合防治技术体系，创新和突破凌汛监测与灾害防控的关键技术。

3.1 黄河冰凌致灾成灾过程及演化机理

近几十年来，黄河冰凌基础理论研究取得了很大进展，但由于黄河凌汛孕灾环境的复杂性及对凌灾演变机理和伴生效应认知的局限性，尚有许多问题有待进一步研究，如极端天气和强人类活动影响下黄河各河段凌灾变化特点、易发凌灾河段冰水输移规律、封冻期及畅流期洪水的水沙输移特点对比分析、冰凌生消演变机理、冰塞冰坝与冰凌洪水致灾成灾机理等。

3.2 水-陆-空全天候冰凌实时监测

全面构建多维度、多要素冰凌信息动态感知体系是实现冰凌灾害高效科学防控的前提。目前，黄河冰凌监测存在冰下凌情信息获取难、冰凌要素信息时态不连续及凌汛险情诊断智能化程度低等问题。针对黄河河床易变、水流挟沙挟冰的特殊监测环境，突破不同介质的准确捕捉技术和冰凌图像智能解译技术，实现冰厚、流凌密度、流凌速度等关键凌情要素的全天候实时监测和冰塞冰坝险情的快速识别与诊断，将是黄河冰凌原型观测的发展趋势。

3.3 凌汛灾害预警预报

黄河凌汛灾害突发链发性强、防控难度大，预警预报及风险动态评估是凌灾高效科学防控的重要环节。目前，开展较多的是冰凌封开河日期的预报，而冰塞冰坝形成及其诱发灾害的预警预报研究相对较少，凌灾风险评估技术指标体系有待进一步充实和完善。因此，建立凌汛灾害预警预报指标体系，开发冰塞冰坝预报模型、冰坝壅水过程与凌洪溃决模型，研究凌汛灾害预警预报及风险动态评估技术，将是该领域具有发展前景的研究方向。

3.4 黄河防凌减灾技术及对策

在黄河防凌减灾技术研究方面，现有的研究成果尚不能完全满足国家建立科学高效凌汛灾害防治体系的要求。突破安全高效凌灾防控技术，进一步开展水库防凌运用方式优化调度、冰凌条件下堤防险情的抢护技术、冰塞和冰坝的破除技术及基于云计算和人工智能技术的黄河防凌应急管理平台等方面的研究，将成为黄河凌汛灾害防控研究的发展趋势。

4 结 语

黄河冰凌研究是一项现代科学和工程技术高度融合的系统工程，已呈现出多学科理论、方法、技术、手段相互渗透与有机结合的发展趋势。研究内容涉及凌灾基础理论、凌情原型观测、预警预报及风险评估和凌灾防控等多个方面。目前，黄河冰凌研究仍处于探索和发展阶段，相关科学水平和技术手段仍有提高空间。为促进黄河冰凌研究领域的学科建设，全面提升黄河冰凌防控能力，需要转变防凌观念、创新防凌手段，变被动应急抢险救灾为主动有序防险消灾，揭示凌灾演化机理，研发凌汛要素快速采集、凌灾预警预报及快速防控技术，构建凌汛灾害综合防治技术与决策支持平台，为建立与经济社会发展需求相适应的防凌减灾体系提供理论与技术支撑。