黄河宁蒙河段２０１１—２０２０ 年凌情演变规律分析

胡一栋 郭卫宁 张毅 沈延青 韩作强

摘 要：凌汛是黄河冬春季最突出、最主要的汛情，其中宁蒙河段是黄河防凌的重点河段。２０１１—２０２０ 年黄河宁蒙河段凌情出现了一系列新规律、新特点，主要呈现流凌封河日期推迟、开河日期提前、封冻历时和封河长度缩短、最大冰厚变薄、槽蓄水增量减小、开河历时变长、开河凌峰及最大１０ ｄ 水量减小等特征。从热力因素、水流动力因素、河道边界条件和水库调度影响等方面分析２０１１—２０２０ 年凌情演变的主要驱动因素，结果表明：气温整体偏高且上下游温差增大是宁蒙河段流凌封河日期推迟、开河日期提前、封冻历时和封河长度缩短、最大冰厚变薄的主要原因；凌汛期来水偏多，月际分配发生明显变化，在一定程度上造成了流凌封河日期推迟、开河历时变长、开河凌峰及最大１０ ｄ 水量减小；河道条件明显改善，有利于冰下过流能力的恢复，造成槽蓄水增量近年来呈减小趋势；海勃湾水库的投入运用在一定程度上改变了坝址以下河段的冰凌演变规律，同时科学合理的水库调度也为平稳封开河创造了有利条件。

关键词：凌汛；气温；流量；过流能力；水库调度；宁蒙河段；黄河

中图分类号：Ｐ３３９；ＴＶ１１；ＴＶ８８２．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０１０

引用格式：胡一栋，郭卫宁，张毅，等．黄河宁蒙河段２０１１—２０２０ 年凌情演变规律分析［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（７）：５２－５７．

凌汛是黄河冬春季最突出、最主要的汛情，其中以宁蒙河段最为严重。宁蒙河段是黄河防凌的重点河段，这是由它特殊的地理位置、水文气象条件和河道特性决定的［１］ 。黄河宁蒙河段位于黄河上游的下段，地处黄河流域最北端，自宁夏中卫市南长滩至内蒙古准格尔旗马栅镇，全长１ ２０３．８ ｋｍ，约占黄河总长的１／５［２］ 。受两岸地形控制，宁蒙河段峡谷河段与宽河段相间出现，游荡型河段较长，主流摆动剧烈、变化频繁［３］ 。宁蒙河段流向自西南向东北，河流流向为由低纬度流向高纬度［４］ ，在杨盖补隆转向东南。凌汛期气温上游高、下游低，流凌封冻由下游溯源而上，解冻开河则由上而下，结冰期长３～４ 个月，封、开河期受河道边界条件、气温变化和流量变化影响，容易形成冰塞、冰坝，发生凌汛灾害［５］ 。

１９８６ 年龙羊峡、刘家峡水库联合运用后，宁蒙河段汛期来水持续偏枯，年内径流分配发生显著变化，加之工农业用水不断增加，宁蒙河段河道淤积严重，主槽萎缩，河道过流能力不断下降。２０１１ 年以来，黄河上游来水总体偏多，宁蒙河段来水转丰，２０１２ 年汛期黄河上游出现了２ 个多月的洪水过程，２０１８—２０２０ 年黄河上游汛期发生持续性洪水，宁蒙河段出现了较长历时的大流量过程，河道边界条件发生了显著变化。受全球气候变暖影响，黄河流域气温呈显著上升趋势，上游地区气温上升趋势尤其显著，升温速率为０．３９ ℃ ／１０ ａ，明显高于中下游地区的升温速率［６］ 。受多方面因素综合影响，宁蒙河段凌情出现了一系列新规律、新特点，防凌工作面临新形势。本文分析２０１１—２０２０ 年宁蒙河段凌情特征，并对其成因进行分析，以掌握凌情演变规律，为防凌指挥调度工作提供参考。

１ 宁蒙河段２０１１—２０２０ 年凌情特征

宁蒙河段自上而下建有下河沿、青铜峡、石嘴山、巴彦高勒、三湖河口、包头、头道拐７ 个水文站，下河沿、青铜峡２ 个站基本无凌情，对凌情特征变化分析主要采用石嘴山、巴彦高勒、三湖河口、包头、头道拐５ 个水文站的水情、凌情数据。气温资料采用宁蒙河段流凌封河关键区域４ 个气象站的实测数据，自上而下分别为惠农、磴口、包头和托克托气象站。除建站较晚的包头水文站外，其余各站均采用１９７１—２０２０ 年系列资料。

１．１ 封河日期推迟、开河日期提前，封冻历时缩短

宁蒙河段通常于１１ 月中下旬开始流凌，１２ 月上中旬封河，翌年３ 月中下旬开河。与１９７１—２０１０ 年相比，２０１１—２０２０ 年宁蒙河段平均首凌日期推迟６ ｄ，首封日期推迟３ ｄ，开河日期提前４ ｄ，封冻历时缩短７ ｄ，见表１。具体到各水文断面，流凌日期普遍推迟６～９ｄ，封河日期除头道拐水文断面提前２ ｄ 外，其他水文断面推迟２～１２ ｄ，开河日期提前４～１０ ｄ。巴彦高勒站变化最明显，流凌、封河推迟９～１２ ｄ，开河日期提前１０ ｄ，封冻历时缩短２２ ｄ。

２０１１—２０２０ 年，在全球气候变暖的大背景下，宁蒙河段极端气候事件增多， 凌情极值频繁出现。２０１１—２０１２ 年度、２０１８—２０１９ 年度凌汛期，宁蒙河段于１２ 月４ 日才出现首凌，为历史最晚，较之前的最晚首凌日１１ 月３０ 日推迟了４ ｄ。２０１６—２０１７ 年度凌汛期巴彦高勒水文断面于１ 月１３ 日封冻，为该站历史最晚封冻日。２０１９—２０２０ 年度凌汛期巴彦高勒水文断面于２ 月２０ 日解冻开河，２０２０—２０２１ 年度凌汛期三湖河口水文斷面于３ 月５ 日解冻开河，分别为两水文断面历史最早开河日。

１．２ 封河长度缩短，各水文断面最大冰厚变薄

１９９１—２０２０ 年宁蒙河段历年封河长度见图１，２０１１—２０２０ 年平均封河长度为７７５ ｋｍ，较１９９１—２０１０年的７９９ ｋｍ 缩短２４ ｋｍ，且历年封河长度较短的４ ａ均发生在２０１１ 年之后。２０１９—２０２０ 年度宁蒙河段封河长度仅６３６ ｋｍ，为１９９１ 年有统计资料以来最短封河长度。

宁蒙河段主要水文断面不同时段最大冰厚见表２。与１９７１—２０１０ 年相比，２０１１—２０２０ 年各水文断面最大冰厚总体呈变薄趋势。宁蒙河段上游冰厚变薄更明显，２０１１—２０２０ 年石嘴山、巴彦高勒水文断面最大冰厚分别较１９７１—２０１０ 年薄１６、１３ ｃｍ，三湖河口水文断面最大冰厚变薄７ ｃｍ，头道拐水文断面最大冰厚略有增厚。

１．３ 槽蓄水增量呈減小趋势

槽蓄水增量是指凌汛期受封冻冰盖等影响滞留在河道中的水量，是造成开河期凌灾的最主要原因［７］ 。内蒙古巴彦高勒至头道拐河段历年最大槽蓄水增量见图２。总体上看，１９９０ 年前内蒙古河段最大槽蓄水增量年际变化较小；１９９１—２０１０ 年最大槽蓄水增量较之前明显增大，最大槽蓄水增量均值为１２．３ 亿ｍ３，较１９７１—１９９０ 年均值（７．６ 亿ｍ３ ）大６２％；２０１１—２０２０ 年平均槽蓄水增量为１０．７ 亿ｍ３，虽仍较１９７１—２０１０ 年的均值１０．０ 亿ｍ３ 略大，但较槽蓄水增量偏大的１９９１—２０１０ 年均值小１３％；２０１４—２０２０ 年内蒙古河段槽蓄水增量总体呈减小趋势，尤其是２０１７ 年后普遍偏小。

１．４ 开河历时变长，开河凌峰及最大１０ ｄ 水量减小

内蒙古河段开河关键期（开河发展至三盛公水利枢纽）至全河段开通特征值见表３。２０１１—２０２０ 年开河历时均值为２０ ｄ，较１９７１—２０１０ 年均值延长６ ｄ。头道拐水文站作为宁蒙河段最下游的水文站，受自上而下开河影响，凌峰流量及最大１０ ｄ 水量均为各站最大，代表着宁蒙河段开河期整体水量释放程度，２０１１—２０２０ 年头道拐水文断面开河凌峰、最大１０ ｄ 水量明显减小， 分别较１９７１—２０１０ 年均值偏少３９％、３０％。１９５０ 年有实测资料以来，开河凌峰流量最小的１０ ａ 中有５ ａ 出现在２０１１—２０２０ 年， ２０１６—２０１７ 年度、２０１４—２０１５ 年度、２０１９—２０２０ 年度凌汛期头道拐断面开河凌峰分别为８０６、９２０、９５０ ｍ３ ／ ｓ，为历史前三小，见图３。

２ 成因分析

凌情的发生、发展及演变取决于河道走向与形态、水文条件和气象条件等，影响河流凌情的主要因素有热力条件、水流动力条件、河道边界条件以及人类活动等［８］ 。

１）２０１１—２０２０ 年凌汛期气温总体偏高，年内气温波动大，上下游温差大。热力条件是影响黄河凌情的重要因素之一，宁蒙河段地处流域最北端，受地形和冷空气路径影响，河段东、西部气温差异较大。由表４可知，１９７１ 年以来，宁蒙河段凌汛期平均气温呈显著上升趋势，冬季平均气温从１９７１—１９８０ 年的－５．２ ℃上升到了２０１１—２０２０ 年的－３．２ ℃，升温幅度为２．０℃，其中位于河段上游的惠农、磴口气象站升温最明显，升温幅度分别为３．１、２．０ ℃，包头、托克托气象站升温幅度分别为１．３、１．２ ℃。２００１ 年以来，宁蒙河段凌汛期平均气温呈现西升东降态势，惠农、磴口气象站凌汛期平均气温倾向率分别为０．６９、０．６２ ℃ ／１０ ａ，包头、托克托气象站凌汛期平均气温倾向率分别为－０．５６、－０．３４ ℃ ／１０ ａ。

宁蒙河段凌汛期不同时段逐月气温变化见表５，各月平均气温均不同程度升高，以开河期３ 月升温幅度最大，由１９７１—１９８０ 年的１．０ ℃上升到了２０１１—２０２０年的４．３ ℃，２ 月次之，１２ 月升温幅度最小，为０．９ ℃。

气温整体升高，是宁蒙河段２０１１—２０２０ 年凌汛期封河日期推迟、开河日期提前、封冻历时缩短、最大冰厚变薄的主要原因。河段上下游升温幅度差异大，上下游温差进一步增大，造成宁蒙河段上段封河发展缓慢，封河长度较２０１０ 年之前缩短。惠农、磴口气象站升温幅度大，相应的巴彦高勒水文站特征日期及最大冰厚变化最明显，而下游包头、托克托气象站气温近年来略降，导致头道拐水文站封河日期略有提前、最大冰厚略有增厚，与整个河段的变化趋势相反。

２）凌汛期来水偏多，月际分配发生明显变化。２０１１—２０２０ 年宁蒙河段凌汛期来水情况（见表６），石嘴山水文断面凌汛期年均来水总量８３．８８ 亿ｍ３，较１９７１—２０１０ 年均值偏多１１％。２０１１—２０２０ 年巴彦高勒、三湖河口、头道拐水文断面来水较１９７１—２０１０ 年略偏多，凌汛期各月来水情况变化较大，主要表现为流凌封河期（１１—１２ 月）偏大１０％左右，开河期（３ 月）偏小２０％左右。流凌封河期较大的流量过程，导致流凌、封河所要求的负积温更低、降温幅度更大，在一定程度上造成了流凌、封河日期推迟，而较小的开河期流量大大降低了开河动力，使开河历时延长，开河凌峰流量及最大１０ ｄ 水量明显减小。

３）汛期大流量过程历时长，河道条件明显改善，凌汛期过流能力增强。２０１１ 年以来，黄河来水总体偏丰，２０１２ 年、２０１８ 年、２０１９ 年、２０２０ 年黄河上游多次发生编号洪水，龙羊峡水库２０１８—２０２０ 年连续３ ａ 蓄至正常蓄水位２ ６００ ｍ，宁蒙河段连续３ ａ 汛期出现较长历时大流量过程，各主要水文断面均发生了不同程度的冲刷，河道过流能力明显增强。宁蒙河段多年平均封河流量为６２６ ｍ３ ／ ｓ，２０１１—２０２０ 年封河流量明显增大，均值为７３７ ｍ３ ／ ｓ。

巴彦高勒、三湖河口、包头和头道拐４ 个水文站２０１８ 年汛前、２０２０ 年汛后和２０２１ 年汛后大断面套绘见图４。可以看出，与２０１８ 年汛前相比，经过３ 个汛期大水的冲刷，２０２０ 年汛后巴彦高勒、三湖河口和包头３ 个水文断面均受到有效冲刷，２０２１ 年汛期未出现大流量过程，３ 个水文断面较２０２０ 年略有淤积，但仍较２０１８ 年汛前有较大冲刷。头道拐水文断面２０２０ 年汛后较２０１８ 年汛前主流两侧冲刷，主槽淤积，过流面积变化不大，２０２１ 年汛后有所淤积，过流面积略有减小。

从巴彦高勒、三湖河口、包头和头道拐４ 个水文站的水位与流量关系（见图５）看，与２０１７ 年汛期相比，２０２０ 年、２０２１ 年巴彦高勒、三湖河口和包头３ 个水文断面汛期相同流量条件下，水位均明显下降，其中巴彦高勒水文断面同流量条件下水位下降约２ ｍ；头道拐水文断面水位与流量关系变化不大。随着河道条件改善，内蒙古河段过流能力明显增强，加之较大的封河流量可在一定程度上形成较高的封冻期冰盖，增大冰下过流面积，有利于河段封冻后过流能力的恢复和冰水的顺利下泄，不利于形成较大的槽蓄水增量，主要体现为２０１７ 年后内蒙古河段槽蓄水增量普遍偏小。

４）海勃湾水库的运用改变坝址以下河段冰凌规律。海勃湾水库于２０１４ 年投入运用后，宁蒙河段流量实时调节能力增强，封河流量控制得更加精准，开河关键期通过控制下泄流量，使宁蒙河段开河期上游来水较少，开河动力明显不足，开河以“文开河”为主，开河历时较长，避免了槽蓄水增量的集中释放，使凌峰流量和开河最大１０ ｄ 水量显著减小，降低了“武开河”风险。同时受出库水温影响，海勃湾至巴彦高勒河段由建库前的稳定封冻河段变为不稳定封冻河段［９］ ，随着出库水温升高以及海勃湾水库对坝址上游冰凌的拦蓄，坝址以下河段冰量明显减少，内蒙古河段流凌和封河条件发生变化，在同等水流动力及河道边界条件下，首凌、首封所要求的负积温更低，降温幅度更大［１０］ ，在一定程度上造成了巴彦高勒水文断面流凌、封河日期明显偏晚，开河日期明显偏早，冰厚显著变薄。

５）水库调度科学合理，为平稳封开河创造了有利条件。２０１１—２０２０ 年，黄河上游水库的调度思路在原有基础上进行了精细化调整，凌汛期刘家峡水库不同时段逐日平均出库流量见图６。流凌前适当加大下泄流量，满足宁蒙河段灌溉引水需求的同时降低刘家峡水库水位，２０１１—２０２０ 年的１１ 月上旬平均出库流量较之前时段偏大１００～３００ ｍ３ ／ ｓ，中旬采用逐步压减刘家峡水库出库流量的方式，每日压减１００～２００ ｍ３ ／ ｓ，逐渐降至５００ ～ ６００ ｍ３ ／ ｓ，与封河期出库流量平稳衔接。２０１１—２０２０ 年封河期出库流量过程明显较其他时段平稳，没有出现大的波动，较２０００—２０１０ 年出库流量整体偏大５０ ｍ３ ／ ｓ 左右，同时通过海勃湾水库调度塑造预设封河流量过程，既保持了封河期流量稳定，避免发生冰塞、冰坝等，又提高了冰下过流能力，避免槽蓄水增量过大及过快增长。近几年开河期延续了２００３ 年以后的压减流量调度方式，一般从２ 月下旬开始压减流量，但随着调度方式的精细化，压减流量的结束时间略有提前，同时受益于近些年较大的封河流量和较强的冰下过流能力，压减流量的幅度有所减小，２０１７—２０１８ 年度后，开河期最小压减流量均在３５０ｍ３ ／ ｓ 以上，较之前的３００ ｍ３ ／ ｓ 左右提高了５０ ｍ３ ／ ｓ，同时采取应急分凌措施减小开河动力，为槽蓄水增量平稳释放创造有利条件。

３ 结论

２０１１—２０２０ 年，在气温、上游来水、河道条件及水库调度等因素影响下，宁蒙河段凌情形势总体平稳，主要呈现流凌封河日期推迟、开河日期提前、封冻历时和封河长度缩短、水文断面最大冰厚变薄、槽蓄水增量减小、开河历时变长、开河凌峰及最大１０ ｄ 水量减小、凌情极值频繁出现等特点。气温整体偏高且上下游温差增大是宁蒙河段２０１１—２０２０ 年流凌封河日期推迟、开河日期提前、封冻历时和封河长度缩短、最大冰厚变薄的主要原因。凌汛期来水偏多，月际分配发生明显变化，在一定程度上造成了流凌封河日期推迟、开河历时变长、开河凌峰及最大１０ ｄ 水量减小。河道条件明显改善，为大流量封河创造了有利条件，有利于冰下过流能力的恢复，在一定程度上抑制了槽蓄水增量的增大，造成槽蓄水增量近年来呈减小趋势。水利工程建设及运用是影响凌情的重要因素，海勃湾水库的投入运用在一定程度上改变了坝址以下河段的冰凌演变规律，同时科學合理的水库调度也为平稳封开河创造了有利条件。

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【责任编辑 吕艳梅】