黄河宁蒙段凌汛致灾影响因素及灾害演变特点

郭立兵 周跃华 田福昌 苑希民 王丽娜

摘 要：黄河宁蒙段冬季凌汛现象频繁发生，凌灾影响损失严重，防凌抢险极为困难。根据历年凌汛期实测凌情数据与灾害统计信息，阐述凌汛水文过程及其形成机理条件，从热力环境、动力因素、边界条件和人类活动等方面分析凌汛洪水致灾影响因素，系统总结气候条件、水文情势、河势演变及人类活动等多元环境因素驱动下，黄河宁蒙段凌汛封开河时序与周期、冰盖厚度、冰期输水泄流能力、槽蓄水增量、水位流量关联关系及变化梯度、凌峰流量、冰塞冰坝发生频次及凌灾影响、防凌减灾控制等方面的时空演变特点。

关键词：凌汛灾害;致灾影响因素;灾害演变;黄河宁蒙河段

中图分类号：TV131.2;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.005

Abstract：Winter ice flood occurs frequently and causes serious damage in Ningxia-Inner Mongolia section of the Yellow River. Ice prevention and emergency rescue is extremely difficult. Based on the measured data and disaster statistics during the flood season， the hydrologic process and forming mechanism of ice flood were expounded. The influencing factors of ice flood disasters were classified from four aspects： thermal environment， dynamic factors， boundary conditions and human activities. Driven by multiple environmental factors such as climatic conditions， hydrological regime， river regime evolution and human activities， the correlation between timing sequence of river closure and opening during ice flood and cycle length， ice sheet thickness， water discharge capacity， tank storage increment and water level flow were systematically summarized. The new characteristics of temporal and spatial evolution in terms of variation gradient， peak flow， occurrence frequency of ice jam and ice dam， impact of ice jam， and control of ice prevention and disaster reduction were also summarized. The research results can provide support for the analysis and assessment of the situation of preventing and reducing the risk and the formulation of risk prevention and control project in Ningxia-Inner Mongolia section of the Yellow River.

Key words： ice flood disaster; influence factors of ice flood disaster; disaster evolution; the Ningxia-Inner Mongolia section of the Yellow River

凌汛是冬季河道结冰导致冰凌阻挡水流运动而引起的一种涨水现象，直接影响水利工程运行维护、内陆航运、冬季输水、河流水环境、水生态与水安全[1]。黄河宁蒙段河势走向大致呈Γ形，河段全長1 237 km，纬度范围为北纬37°17′—40°51′，水流自低纬度流向高纬度，11月至翌年2月，低纬度河段多年平均气温比高纬度河段高3.4 ℃，导致黄河宁蒙段自下游向上游逐渐封河，自上游向下游解冻开河，封开河相反时序变化不利于凌汛灾害防治[2-4]。

近年来，黄河宁蒙段凌汛灾害频繁发生，较为严重的年份有1993年、1998年、2003年、2005年和2007—2008年，其中有4 a封河时水位接近1981年大洪水水位。河道封河时形成冰塞冰坝，导致水位迅速上涨数米，对农田、村庄、道路、堤防、水利设施等造成不同程度的损害，给两岸人民群众生命财产安全带来了巨大的威胁。2007—2008年度凌汛期间，黄河宁蒙段封河时水位骤涨1～2 m，凌灾侵袭了宁夏中卫市至石嘴山市惠农区沿河10个县（市、区）及渠口农场，约350 km堤防遭受冲淘破坏，1 000 hm2农田、30多hm2鱼池被淹，1 300多hm2滩地漫水，3 400人受到威胁[5]。特别是20世纪90年代以来，龙羊峡与刘家峡水库联合运用，导致黄河来水来沙情况发生较大变化，河道淤积愈发严重，伏凌汛期同流量对应水位抬高，经常发生洪水倒灌及凌汛漫堤溃堤灾害险情，给沿岸人民带来的经济损失逐年增加，黄河宁蒙段防凌防汛形势依然十分严峻[6-7]。

关于黄河宁蒙段冰凌灾害成因及特点，近年来众多学者从多个角度进行了分析研究。潘进军等[8]、孟闻远等[9]从气温变化、地理位置与河势变化方面分析了凌汛成因，并提出了凌灾防御能力建设的具体内容;王文东等[10]利用气象与水文实测资料分析了黄河宁蒙段凌汛特征及气象动力学与热力学成因;刘吉峰等[11]根据冰凌观测资料分析了黄河宁蒙段冰凌变化特点，并结合气候变暖、水库调度、河道淤积、河道工程等方面简析了冰凌变化影响因素;徐剑峰[12]从上游水库调节影响方面分析了黄河宁蒙段凌洪灾害形势及防凌减灾对策。然而，目前对于黄河宁蒙段凌汛致灾影响因素及凌灾演变特点，尚缺少细致全面的分析与总结，本文在凌汛水文过程分析基础上，从热力环境、动力因素、边界条件和人类活动等方面综合分析黄河宁蒙段凌汛致灾影响因素，并系统分析归纳气候条件、水文情势、河势演变及人类活动等多元环境因素驱动下的凌汛灾害演变特点。

1 凌汛水文过程

据历史凌情资料统计，黄河宁蒙段一般于每年11月中下旬开始流凌、12月上旬开始封河，于翌年3月开河，流凌历时12～40 d，封冻时长70～130 d，凌汛期不同断面平均冰厚为0.5～0.8 m，最大冰厚可达1.0 m。凌汛一般是指冰凌对水流产生阻力而引起的江河水位明显上涨的水文现象。黄河宁蒙段跨越不同纬度，上游宁夏河段处于低纬度区域，下游内蒙古河段处于高纬度区域，洪水由低纬度高温区流向高纬度低温区，独特的自然地理特征与气候条件差异性导致宁蒙河段冬季冰冻期极易产生凌汛。通常受气温骤降影响，三湖河口至头道拐河段先形成流凌，在水流驱动作用下冰凌向下游流动，当气温、流凌密度、水流动力、河流边界等条件适宜时，开始大面积聚集冰块形成封河，并自下游向上游持续发展。封河过程中如遇上游来冰持续堵塞，将导致水位抬升，继而产生冰塞壅水凌汛险情。如遇气温迅速回升，上游河段槽蓄水增量突然释放，使得自上游至下游凌峰流量不断增加，冰凌流经狭窄弯道或平缓河段极易受阻卡冰结坝，冰体下潜淤塞，壅高水位，从而形成凌汛。由此可见，宁蒙黄河凌汛主要是指发生于封开河过程中冰塞冰坝壅水抬升水位的现象。

2 凌汛形成及致灾因素

封开河期间凌汛形成及灾害发生条件主要包括热力环境、动力因素、边界条件和人类活动等方面，具体体现在：①低气温使得上游具有较高的流凌密度;②冰凌块体大且坚硬;③河道水流低速小流量，流凌缓慢;④河势弯曲边界作用下，流凌下潜堆积堵塞，卡冰结坝，壅高水位并向上游发展。在以上条件充分具备情况下，极易产生严重凌汛过程，造成重大灾害险情。

2.1 热力环境

热力环境是黄河宁蒙段凌汛发生、发展及演变的重要影响因素，主要包括气温、水温、太阳辐射等，其中太阳辐射干扰气温变化，气温和太阳辐射又同时影响水温变化，气温是凌汛形成演变的主要热力因素。凌汛流冰产生条件是气温与太阳辐射降低使得水体释放热量而水温降至0 ℃，在气温持续下降或长时间保持低温状态时，流冰输移至下游河段堆积封冻，气温与太阳辐射回升幅度将直接影响融冰开河速率及形势，从而为封开河凌汛灾害的形成创造条件。凌汛期太阳辐射与气温升降变化幅度、低温持续时间和低温强度等指标差异性越明显，凌汛过程与灾害特点越突出。黄河宁蒙段多受西风环流控制，气候干燥，降水量小，上下游温差大，为典型的大陆性气候区。冰凌产生多受寒潮或冷空气入侵影响，冬季时长150～170 d，年极端低温在-30 ℃以下，凌汛期太阳辐射与气温变化加剧，波动梯度较大，为冰塞冰坝形成及灾害风险演变提供了关键性气候条件。

2.2 动力因素

河流凌汛形成动力因素主要包括流量、断面平均流速和槽蓄水增量等，冰水流动输移促使冰花或碎冰块在下游冰盖前积聚、下潜，造成冰塞冰坝凌汛险情。其中：断面平均流速对冰凌下潜堆积、冰盖加厚、冰塞壅水等过程影响较大，是冰情形态演变和凌汛形成条件的重要判别指标;凌汛期流量过程波动性、升降梯度变化、凌峰流量大小以及高水位过程持续时间及涨落强度，对凌汛灾害形成与演变起到决定性作用，是凌汛致灾风险程度识别的重要指标;槽蓄水增量是开河凌峰流量形成的重要影响因素，与凌汛期流凌密度、输水流量、降温强度等密切相关，上下游槽蓄水增量的沿程分布是开河期凌汛形成及灾害演变的重要动力条件。

2.3 边界条件

河道边界条件对于冰凌运动输移、堵塞封冻、冰塞冰坝形成及险情灾情发生与演变具有重要影响，一般包括河势走向、河道比降、纵横断面特征、河相变化、支流入汇与引退水、堤防工程、河道整治工程、跨河桥梁工程等。不同河道边界条件下，冰水耦合運动特性各有不同，黄河宁蒙段上下游总体河势走向体现了高低纬度冬季气温空间分布差异性及低温影响程度的差别，河道纵横断面特征一定程度影响了冰塞冰坝壅水高度和冰塞体大小规模，河道弯道处易引起冰凌堵塞封冻、卡冰结坝，河流分汊散乱处水流不集中、流速缓慢导致排冰不畅，且黄河宁蒙段泥沙长期淤积趋势造成河床整体抬升，河相变化较大，凌汛期小流量高水位特点愈加突出，加剧了凌汛灾害风险。

2.4 人类活动

黄河宁蒙段影响凌汛发生发展及灾害演变过程的人类活动因素主要包括水库防凌调度运用、堤防与河道整治工程建设、分滞洪区防凌应急调度、引排水渠修建使用等方面。黄河上游龙羊峡与刘家峡水库联合调度，结合海勃湾与万家寨水利枢纽防凌调度运用，保障了黄河宁蒙段凌汛期小流量平稳运行，一定程度调整了冬季河流流速和水温分布情况，充分发挥了水力控制在凌汛灾害防治中的重要作用，但同时也改变了河段来水来沙特性，加剧了河道泥沙淤积导致的凌洪灾害风险。黄河宁蒙段长时期多阶段的河道整治工程建设，改善了河道主槽偏移摆动形势，但也束窄了输水排冰通道，一定程度阻碍了凌汛期冰凌输移运动，为河冰堵塞堆积提供了便利边界条件。黄河内蒙古段分滞洪区防凌应急调度，能够削减重大凌汛灾害风险与损失程度，为防凌减灾与应急抢险提供保障。

3 凌汛灾害演变新特点

随着气候条件、水文情势、河势演变及人类活动等多元环境因素不断变化，凌汛灾害不断呈现新的特点及变化趋势。根据凌灾影响因素及其驱动作用，综合考虑历年凌汛态势发展过程及多元变异条件，分析凌灾影响因素及灾害特点变化，主要表现在以下几个方面。

（1）气温升高波动性大，封开河非稳定变化，冰盖变薄但沿程增厚。凌汛灾害产生的重要热力环境因素主要包括气温、太阳辐射、水温等，其中气温是影响凌汛形成的关键驱动条件。全球气候变暖趋势仍在持续和加强、波动性较大（见图1），且黄河宁蒙段是全球气候变化的敏感区，受年内和年际间气温波动影响，历年首封位置和封开河形势差异性较大，呈现非稳定变化趋势。自上游至下游，冰盖厚度沿程增大，但受气候变暖条件影响，最大冰厚呈现整体逐年变薄趋势，见图2。

（2）封开河时序相反，封河推迟，开河提前，凌汛期多封多开，周期缩短。黄河宁蒙段洪水由上游低纬度地区流向下游高纬度地区，气温空间分布呈现沿程降低趋势，致使冬季冰冻封河由下游向上游逆序发展，解冻开河则由上游向下游顺序发展，封河日期推迟，开河日期提前，总体封冻时间变短但沿石嘴山至三湖河口河段不断增大，凌汛期呈现缩短趋势，见图3。受凌汛期气温升降交替、冷暖剧变影响，凌汛期内多处封河、多处开河、封开河交替变化现象日趋频繁。

（3）冰期输水流量增加，泄流能力降低，槽蓄水增量增大。自1968年黄河上游刘家峡水库建成使用后，冬季按防凌调度规则运行，宁蒙河段凌汛期平均流量增大100～140 m3/s，如图4（a）所示。随着龙羊峡与刘家峡水库联合调度运行，黄河宁蒙河段来水来沙过程和特性变化较大，水沙关系不协调，导致河床淤积加剧，主槽淤积萎缩摆动频繁，河相系数增大，河道趋宽浅化，输水输冰能力降低，平滩流量逐年减小。凌汛期槽蓄水增量1952—2010年逐年增大（如图4（b）所示），不利于文开河形势的平稳发展。2011—2018年受黄河内蒙古段分滞洪区与海勃湾水库调度影响，槽蓄水增量呈现降低趋势，有利于减轻凌汛灾害风险。

（4）小流量高水位特点突出且非同步变化，凌峰流量增大且沿程递增。黄河宁蒙段凌汛期小流量高水位是其最显著特点，以石嘴山站2008—2009年度凌汛期水位流量过程为例，统计结果见图5。分析可知，凌洪水位突发性升高常发生于封河之后，并于开河期开始逐渐降低，凌峰则常发生于开河时期且高峰历时偏短，凌峰出现时间滞后于最高壅水水位出现时间，水位、流量表现出非同步变化趋势。黄河宁蒙段不同测站不同时段年均凌峰流量统计结果见图6。从时间角度分析，历年凌峰流量整体呈现先增后减趋势，凌峰流量增大主要原因是龙羊峡与刘家峡水库联合防凌调度下泄流量增大导致槽蓄水增量增大，近年来凌峰流量降低主要是受到分滞洪区应急分凌与海勃湾水库调度影响。从空间角度分析，受槽蓄水增量自上游至下游逐渐释放影响，凌峰流量呈现沿程递增趋势，其中巴彦高勒站、三湖河口站和头道拐站凌峰流量相差显著。受三盛公水利枢纽运行影响以及槽蓄水增量空间分布不均匀性影响，巴彦高勒站凌峰流量略大于石嘴山站凌峰流量。

（5）高水位持续时间长，涨落梯度大，封开河水位变化复杂，凌汛险情易发。凌汛期水位骤涨突降且高水位持续时间长的特点尤为突出（见图5），封河期水位短时上涨3～4 m，开河期短时降落2～3 m，水位突升突降现象明显。黄河宁蒙段不同测站不同时段封河期和开河期凌汛最高水位均值统计见图7。除头道拐站外，其余水文测站封河期最高水位整体呈现升高趋势，1968年后各测站开河期水位多呈现升高趋势，一般情况下封河期最高水位偏高，封开河最高水位年际变化异常复杂。封开河期间水位涨落梯度大易导致堤防临背河两侧渗压差瞬时增大、渗流比降突然加大，且受凌洪高水位长时间浸泡，极易诱发堤防渗透破坏，具有险情易发、致灾风险高、危害性大等特点。

（6）卡冰结坝频次减少，冰塞发生次数增多，灾害影响与损失加大。据历史资料和相关文献统计，黄河宁蒙段1950—1967年卡冰结坝236次，年均发生13次，1969—1990年卡冰结坝84次，年均发生近4次，而1950—1967年发生冰塞灾害2次，发生概率为11.11%，1968—1995年共11 a发生冰塞灾害，发生概率为39.29%。由此可见，随着刘家峡水库建成以及其与龙羊峡水库联合调度运用，在气候变暖、河床淤积、河势多变等多因素综合影响下，黄河宁蒙段卡冰结坝次数逐渐减小，冰塞逐渐增多，开河形式转变为以文开河为主，武开河形式逐渐消失，凌情特征变化越发复杂，凌灾影响与损失总体逐年提升。

（7）凌汛致灾机理复杂，突发链发性强，防控难度大。黄河宁蒙段凌汛灾害为我国冬春季节大江大河中最突出、最重大的自然灾害，1986年以来已发生9次凌汛决口事件，受多重因素的复杂交互影响，凌汛形成、演变及致灾过程与机理尚难以清楚辨识，具有孕灾环境复杂、突发链发性强和防控难度大等特点，主要体现在历年冰塞冰坝位置多变、冰塞冰坝及其灾害险情精准预测预报难度大、冰凌冲撞破坏力强、凌汛堤防多處突发性连续出险几率大、冬春季凌灾抢险困难、灾害风险与损失严重、凌灾风险调度防控难度大等方面。

4 结 论

本文从热力环境、动力因素、边界条件和人类活动等方面分析总结了黄河宁蒙段凌汛水文过程及其致灾主要影响因素，多角度全方位地分析归纳了凌汛灾害演变新趋势与特点，主要表现在7个方面：气温升高波动性大，封开河非稳定变化，冰盖变薄但沿程增厚;封开河时序相反，封河推迟，开河提前，凌汛期多封多开，周期缩短;冰期输水流量增大，泄流能力降低，槽蓄水增量增大;小流量高水位特点突出且非同步变化，凌峰流量增大且沿程递增;高水位持续时间长，涨落梯度大，封开河水位变化复杂，凌汛险情易发;卡冰结坝频次减少，冰塞发生次数增多，灾害影响与损失加大;凌汛致灾机理更为复杂，突发链发性强，防控难度大。黄河宁蒙段凌汛灾害整体呈现凌情稍有减轻、凌汛致灾因子与孕灾环境更为复杂、灾害影响损失加剧、防凌减灾形势依然十分严峻的态势，该成果可为黄河宁蒙段防凌形势评估判别及新形势下减灾策略规划提供参考与支持。

参考文献：

[1] 蔡琳.黄河防凌工作50年[J].人民黄河，1996，18（12）：1-8.

[2] 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）：882-887.

[3] 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）：893-896.

[4] 王富强，王雷.近10年黄河宁蒙河段凌情特征分析[J].南水北调与水利科技，2014，12（4）：21-24+97.

[5] 胡建华，哈佳，柳东海，等.黄河宁夏河段二期防洪工程初步设计报告[R].郑州：黄河勘测规划设计研究院有限公司，2015：50-51.

[6] 贺新娟.宁夏黄河河段冲淤演变与洪水、凌汛影响分析[D].天津：天津大学，2016：1-2.

[7] 冯国娜.黄河内蒙古段冰情预报模型与凌汛洪水风险研究[D].天津：天津大学，2014：8-11.

[8] 潘进军，白美兰.内蒙古黄河凌汛灾害及其防御[J].应用气象学报，2008，19（1）：106-110.

[9] 孟闻远，郭颍奎，王璐.黄河冰凌特点及防治措施[J].华北水利水电学院学报，2010，31（6）：27-29.

[10] 王文东，张芳华，康志明，等.黄河宁蒙河段凌汛特征及成因分析[J].气象，2006，32（3）：32-38.

[11] 刘吉峰，杨健，霍世青，等.黄河宁蒙河段冰凌变化新特点分析[J].人民黄河，2012，34（11）：12-14.

[12] 徐剑峰.黄河内蒙古段凌洪灾害及防凌减灾对策[J].冰川冻土，1995，17（1）：1-7.

【责任编辑 许立新】