2021—2022年度黄河宁蒙河段凌情特性分析

胡一栋 郭卫宁 张 毅 沈延青 韩作强

（1.青海黄河上游水电开发有限责任公司，西宁 810000；2.黄河水利委员会水文局，郑州 450004）

0 引 言

凌汛作为一种常见的自然现象，是我国冬、春季节大江大河中最突出、最主要的汛情之一，其中以黄河宁蒙河段最为严重，是目前黄河防凌的重点河段，这是由特殊的地理位置、水文气象条件和河道特性决定的[1]。尤其是近年来，宁蒙河段气温上升趋势明显[2]，河道边界条件发生显著变化，凌情出现了一系列新规律新特点，使防凌工作面临新形势。2021—2022年度，黄河宁蒙河段封河流量和凌汛期上游来水较大，气温整体偏高但波动明显，封河长度偏短，槽蓄水增量较小，虽然开河期后期气温回升迅速，但槽蓄水增量均匀释放，没有形成较大凌峰，凌情形势平稳。分析复盘2021—2022年度宁蒙河段凌情特性，并对其进行成因分析，可进一步掌握凌情发展演变规律，为防凌指挥调度提供参考。

1 研究区概况

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入境，至内蒙古准格尔旗马栅乡出境，全长1 203.8 km，约占黄河总长的1/5[3]。宁蒙河段受两岸地形控制，形成峡谷河段与宽河段相间出现的格局，游荡性河段较长，大部分为平原冲积性河道，主流摆动剧烈，变化频繁[4]。

黄河宁蒙河段流向自西南转向东北，在黄河流域纬度最高处转向东南，是由低纬度流向高纬度的河段[5]，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，结冰期长达3～4 个月，大部分为稳定封冻河段，封河、开河期受河道边界条件、气温变化和流量波动的影响，容易形成冰塞、冰坝，发生凌汛灾害[6]。

据1971—2020年统计资料，黄河宁蒙河段首凌平均日期为11月20日，最早为11月4日（1969—1970年度），最晚为12 月4 日（2011—2012 年度和2018—2019 年度）；首封平均日期为12 月3 日，最早为11 月13 日（1976—1977 年度），最晚为12 月30 日（1989—1990 年度）；全线开封平均日期为3 月25 日，最早为3 月12 日（1997—1998 年度），最晚为4月5日（1969—1970年度）。内蒙古河段（巴彦高勒至头道拐）平均槽蓄水增量为10.1 亿m3，头道拐水文站开河期平均凌峰流量为2 070 m3/s。

2 数据来源

气温资料采用黄河宁蒙河段流凌封河关键区域4个气象观测站的实测数据，由上而下分别为惠农、磴口、包头和托克托气象站。水情、凌情资料采用黄河上游兰州水文站和黄河宁蒙河段石嘴山、巴彦高勒、三湖河口、包头、头道拐5 个水文站的实时数据。常年系列除注明外，均采用1971—2020年系列。黄河宁蒙河段地理位置及站点分布见图1。

图1 黄河宁蒙河段地理位置及站点分布示意图

3 凌情特点

（1）首凌日期接近常年，流凌期持续时间长，首封日期偏晚，封河流量偏大。2021 年11 月22 日内蒙古三湖河口至头道拐河段出现流凌，首凌日期较常年（11 月20 日）偏晚2 d。12 月16 日内蒙古河段土默特右旗贺成全村附近出现首封，首封日期较常年（12 月3 日）偏晚13 d，为1989年以来最晚。流凌至首封持续25 d，较常年（13 d）偏长12 d。封河流量（包头河段封河前3 d平均流量）为827 m3/s，较常年（626 m3/s）偏大32%。

（2）封河发展前期快、后期慢，封河长度偏短，宁夏河段出现两封两开。2021—2022年度宁蒙河段最大封河长度为637 km（2022年2月8日），较1991—2020年均值（791 km）偏短154 km，较近10 a 均值（775 km）偏短138 km，为1991年以来第2 短。受气温波动影响，宁夏段出现两封两开现象，第1 次封河时间为2021 年12 月29 日至2022 年1 月26 日，最长封冻8 km；第2 次封河时间为2022 年2 月7—13 日，最长封冻3 km。

（3）封冻河段冰厚接近常年，冰下过流能力好，槽蓄水增量偏少。2021—2022年度石嘴山至喇嘛湾河段固定冰情巡测断面测量冰厚平均为0.52 m，与2001—2020 年均值（0.51 m）基本持平。巴彦高勒至头道拐河段最大槽蓄水增量约7.6亿m3，较常年（10.1亿m3）偏小25%，较近10 a同期均值（10.7 亿m3）偏小约29%，头道拐水文断面未出现小于350 m3/s的小流量过程。

（4）开河偏早，开河凌峰较小，开河形势平稳。2021—2022年度宁蒙河段开河期气温整体偏高，开河时间较常年明显偏早，巴彦高勒、三湖河口和头道拐水文站的开通日期分别较常年偏早8 d、9 d 和6 d，全河段开通日期较常年偏早7 d。开河期间，头道拐水文站3 月14 日出现最大凌峰流量1 190 m3/s，较常年（2 070 m3/s）偏小43%，开河最大10 d水量约6.3亿m3，较常年（9.9亿m3）偏少36%。

4 成因分析

凌情的发生、发展及演变过程取决于河道走向与形态、水文条件和气象条件等，不同地理位置及影响因素的差异导致冰凌形成和演变特点各有不同，因此影响河流冰情的主要因素有热力条件、水流动力条件、河道边界条件及人类活动影响等[7]。热力条件是凌汛形成和凌情变化的决定因素，气温是表征冰凌热状况及其变化的主要要素[8]；动力条件是影响凌情变化的又一主要因素，通常以流量的变化来体现；河道边界条件包括河流走向和河道形态，与水力因素联系密切，通过改变水流条件反映，主要影响河道中流冰的卡堵、堆积、结坝等现象；人类活动影响主要包括水库调度、灌区引退水及涉河工程的修建等，在一定程度上也可以改变冰凌的生成及演变过程。

（1）气温较常年偏高，偏高程度西高东低。2021—2022 年度凌汛期，黄河宁蒙河段气温较常年略偏高，2021 年11 月至2022 年3 月，惠农、磴口、包头、托克托4 个气象站平均气温分别为-1.0 ℃、-2.1 ℃、-5.2 ℃和-5.2 ℃，其中惠农、磴口气象站气温较常年分别偏高1.8 ℃和1.6 ℃，包头、托克托气象站气温与常年基本持平。具体表现为流凌、封河期气温整体偏高，开河初期气温偏低，开河后期气温异常偏高。图2 以包头气象站为例展示了2021—2022年度凌汛期旬平均气温的变化情况。

图2 包头气象站2021—2022年度凌汛期旬平均气温变化

流凌封河期，2021年11月中旬至12月上旬，宁蒙河段4个气象站气温较常年均偏高，偏高幅度为0.0～3.9 ℃，12月中旬，除包头气象站气温较常年偏低1.6 ℃外，其他3 个气象站气温较常年偏高0.5～2.5 ℃。气温的持续偏高，造成内蒙古河段首凌后流凌发展缓慢，11 月27—29 日三湖河口河段流凌甚至曾一度消失，在一定程度上延迟了首封的形成，造成流凌期持续时间长、首封日期偏晚。

封河发展期，2021 年12 月下旬黄河宁蒙河段4 个气象站气温较常年偏低0.2～2.1 ℃，封河长度发展较快，为38 km/d，较近10 a 同期均值（30 km/d）偏快27%。2022 年1 月，正值封河发展的关键时期，全月仅有1 次明显冷空气过程，4 个气象站气温较常年偏高0.8～3.1 ℃，尤其是位于封河上首河段的惠农、磴口两站，分别较常年偏高3.1 ℃和2.7 ℃，导致1月封河长度增长缓慢，1月下旬海勃湾水利枢纽以上部分封冻河段甚至出现融冰解冻，1 月封河长度仅增长14.4 km。2 月上旬气温下降，封河长度再次发展，至2月8日达到最大封冻长度637 km。

开河期，2022 年2 月中下旬内蒙古河段气温回升不明显，磴口气象站2月中下旬平均气温分别为-6.4 ℃和-2.8 ℃，分别较常年同期偏低2.1 ℃和0.3 ℃。受此影响，开河前期内蒙古河段开河速度较慢，开河河段主要集中在海勃湾水利枢纽以上河段。2 月26 日起，气温明显回升，惠农、磴口气象站日均气温逐步转正，海勃湾以下河段开始融冰开河。3月冷空气势力明显减弱，宁蒙河段气温稳步回升，4站各旬气温较常年持续偏高，其中上旬偏高2.1～4.6 ℃，中旬偏高达4.5～7.5 ℃，开河速度加快，巴彦高勒、三湖河口、头道拐3个水文站开通日期分别较常年偏早8 d、9 d、6 d。

（2）上游来水多，河道流量大。2021—2022 年度凌汛期，黄河上游来水偏丰，兰州水文站2021年11月至2022年3月来水总量（98.46 亿m3）与黄河上游龙羊峡水库建库以来均值相比偏多23%，石嘴山、巴彦高勒、三湖河口、头道拐4 个水文站来水总量分别为95.36 亿m3、78.51 亿m3、81.45 亿m3、78.51 亿m3，与龙羊峡水库建库以来均值相比分别偏多25%、10%、13%、16%。其中兰州、石嘴山水文站各月来水均偏多，巴彦高勒、三湖河口、头道拐3 个水文站除3月来水偏少外，其余各月来水均偏多。

2021年11月，内蒙古河段巴彦高勒、三湖河口、头道拐3 个水文站月均流量分别为618 m3/s、683 m3/s 和613 m3/s，较龙羊峡水库建库以来均值分别偏多5%、14%和23%；2021 年12 月，3 站月均流量分别为781 m3/s、671 m3/s 和601 m3/s，较龙羊峡水库建库以来均值偏多29%、42%和50%；2022 年1 月，3 站月均流量分别为624 m3/s、630 m3/s和586 m3/s，较龙羊峡水库建库以来均值偏多26%、32%和44%；2月，3站月均流量分别为648 m3/s、639 m3/s和632 m3/s，较龙羊峡水库建库以来均值偏多20%、16%和26%。

受黄河宁蒙河段秋浇冬灌的影响，2021 年11 月中旬三湖河口至头道拐河段流量基本在500 m3/s 以下，11 月19日随着灌区引水逐渐结束，内蒙古河段河道流量增加到900 m3/s 左右。11 月下旬为控制宁蒙河段向设计封河流量过渡，海勃湾水库出库流量按照设计封河流量800 m3/s 下泄，11 月下旬至12 月上旬三湖河口至头道拐河段流量基本维持在800 m3/s 左右，较大的流量也在一定程度上造成了流凌时间长、封河时间偏晚。

（3）河道条件明显改善，凌汛期过流能力增强。2018—2020 年，黄河上游连续3 年汛期发生持续性洪水，黄河宁蒙河段出现了长历时大流量过程，大部分河段均发生了不同程度的冲刷，河道过流能力明显增大。巴彦高勒、三湖河口、包头和头道拐4 个水文站于2018 年汛前、2020 年汛后和2021年汛后的大断面套绘图，如图3所示。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个断面均得到有效冲刷，2021 年汛期未出现大流量过程，断面较2020 年略有淤积，但仍较2018年汛前有较大冲刷。头道拐断面2020年汛后较2018年汛前河道两侧被冲刷，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。

图3 黄河内蒙古河段主要水文站大断面套绘图

从巴彦高勒、三湖河口、包头和头道拐4个水文站的汛期水位流量关系（图4）来看，与2017 年汛期相比，巴彦高勒、三湖河口和包头3 个断面汛期的同流量水位均明显下降，巴彦高勒断面同流量下水位降低约2 m，头道拐断面水位流量关系变化不大。

图4 黄河内蒙古河段主要水文站汛期水位流量关系图

2021—2022 年度黄河宁蒙河段封河流量为827 m3/s，较常年偏大约200 m3/s，封河前基础水位较高，可在一定程度上形成较高的封冻期冰盖，从而增加冰下过流面积，有利于河段封冻后过流能力的恢复，避免了因前期冰盖过低，导致封冻河段上游形成冰塞冰坝、壅高水位的风险。

由于宁蒙河段河道条件的改善，以及较大的封河流量，2021—2022年度内蒙古河段冰下过流能力明显增强[9]，为冰水的顺利下泄提供了有利条件，头道拐断面未出现小于350 m3/s 的小流量过程，在一定程度上抑制槽蓄水增量的增加。

（4）水利工程调度科学合理，为平稳封河、开河创造了有利条件。凌汛期，按照“上控、中分、下排”的调度原则，根据上游来水、水库蓄水及河段凌情变化，优化黄河上游龙羊峡、刘家峡水库及宁蒙河段海勃湾、万家寨水库的统一调度，为平稳封河、开河创造有利条件。凌汛初期加大水库出库流量，在满足宁蒙河段秋浇和冬灌用水需求的同时，为刘家峡水库预留足够的防凌库容；封河期，精细调控刘家峡、海勃湾水库出库流量，维持适宜的封河流量，内蒙古河段基本按预案流量封河；稳封期，保持出库流量平稳，避免槽蓄水增量过大及过快增长；开河期，2月下旬开始压减刘家峡水库出库流量，3 月上旬进一步压减至350 m3/s，海勃湾水库水位降至1 073.50 m，腾出应急防凌库容，并在进入开河关键阶段进一步压减出库流量拦蓄上游来水。2022年3月3日巴彦高勒水文断面开河后，3月4日10时开始逐步启用河套灌区和乌梁素海、乌兰布和、小白河分洪区及南岸总干渠进行应急分凌，3 月18 日分凌结束，总计分滞凌水2.52 亿m³，巴彦高勒水文站3 月上旬、中旬平均流量分别为347 m3/s 和209 m3/s，大大减小了后续开河动力，避免了过大的水流动力与3 月中旬异常偏高的气温遭遇，为内蒙古河段槽蓄水增量平稳释放创造有利条件，确保“文开河”。同时，万家寨水库自2022 年1 月17 日起逐步降低库水位，2 月25 日进入稳定开河阶段后，控制库水位不超过970.00 m，水位最低降至966.06 m，避免库尾冰凌壅水顶托上游水位，为凌水下泄创造了有利条件。

5 结 语

（1）2021—2022 年度凌汛期，在气温、上游来水、河道条件及水库调度等综合影响下，宁蒙河段凌情形势总体平稳，主要呈现出流凌期持续时间长、首封日期偏晚、封河流量偏大、封河长度偏短、槽蓄水增量偏少、开河时间偏早、开河凌峰较小等特点。

（2）2021—2022年度黄河宁蒙河段气温较常年整体偏高，其中流凌、封河期气温明显偏高，且偏高程度呈西高东低分布，开河初期气温略偏低，开河后期气温异常偏高，造成流凌期持续时间长、首封日期偏晚、封河长度偏短、开河时间偏早。

（3）2021—2022 年度黄河宁蒙河段来水偏多，可能会形成较大的槽蓄水增量，但由于封河发展期气温偏高，影响河道内冰的形成，封河长度偏短，同时较大的封河流量和河道条件的改善，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加，造成槽蓄水增量偏小且分布均匀。

（4）水利工程调度是做好黄河防凌工作的重要措施，流凌封河维持造适宜的封河流量，稳封期稳定河道流量及封冻冰盖厚度，开河期拦蓄上游来水，分滞凌水，为槽蓄水增量平稳释放创造有利条件，确保凌情平稳。