黄河宁蒙河段凌情灾害成因分析及防御措施研究

马莅茗　卞昱霖　蔺冬

摘 要：随着经济社会的高速发展，对黄河的防凌安全提出了更高的要求，研究凌情灾害成因及防御措施变化显得尤为重要。通过分析，影响宁蒙河段凌情变化的因素主要包括热力条件、水动力条件和河道边界条件。通过梳理１９８９ 年以来宁蒙河段典型凌灾情况，发现造成冰凌灾害的严重凌情多受剧烈天气过程、河道流量变化、复杂河道条件等因素影响。为避免宁蒙河段凌汛灾害，针对热力因素，应及早开展凌汛期气温凌情预报工作；针对水动力因素，应优化凌汛期水库群和分凌工程联合调度；针对河道边界条件，应提前拆除临时阻水建筑物，保证河道畅通，协调空军部队在险情发生时及时轰炸破冰，并加快黑山峡水利枢纽建设，恢复和长期维持较大的中水河槽过流能力，为宁蒙河段防凌防洪提供基本条件。

关键词：凌情灾害；凌情影响因素；灾害成因；防御措施；黄河宁蒙河段

中图分类号：Ｘ４３；ＴＶ８８２．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０４．０１０

引用格式：马莅茗，卞昱霖，蔺冬．黄河宁蒙河段凌情灾害成因分析及防御措施研究［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（４）：６２－６７，８５．

０ 引言

在寒冷地区，如果河流流向是从低纬度流向高纬度，冬季则会发生明显的凌汛［１］ ，如中国的黄河［２－４］ 、罗马尼亚的Ｂｉｓｔｒｉｔａ Ｒｉｖｅｒ［５］ 、加拿大的Ｒｅｄ Ｒｉｖｅｒ［６］ 等。黄河位于我国中北部，受大陆性季风气候影响，冬季部分河段会出现封冻，黄河凌汛是我国冬春季节最突出、最主要的汛情［７］ 。受地理位置、河道走向和河道条件等因素的影响，黄河宁蒙河段和下游河段是凌情灾害重点防控河段［８］ 。黄河宁蒙河段位于黄河流域最北端，冬季寒冷而干燥，日平均气温处于零下的时间可持续４～５ 个月，最低气温低至－３５ ℃，几乎每年冬季都会封河。宁蒙河段的封河自下而上，容易形成冰塞抬高水位；开河从上游向下游发展，槽蓄水增量的释放逐渐增大，极易形成冰坝壅水导致凌灾发生［９］ ，因此宁蒙河段冰凌灾害频发［１０］ 。随着经济社会的高速发展，对黄河的防凌安全提出了更高的要求，宁蒙河段的防凌形势日益严峻［１１］ ，使得针对凌情灾害成因及影响因素变化的研究显得尤为重要。

１ 研究区概况

黄河宁蒙河段自宁夏中卫市南长滩至内蒙古准格尔旗马栅乡，全长１ ２０３．８ ｋｍ［１］ 。宁蒙河段几乎每年都会发生不同程度的凌情，一般从１１ 月中下旬开始流凌，１２ 月上旬封冻，次年３ 月中下旬解冻开河。黄河宁蒙河段水流流向为由低纬度流向高纬度，冬季上暖下寒，封河自下而上；翌年春季气温南高北低，开河自上而下。

２ 宁蒙河段冰凌灾害统计分析

中华人民共和国成立前，由于缺少完整的堤防工程和大型水利工程，加之对凌情规律认识不足，防凌组织管理能力欠缺，因此宁蒙河段凌情灾害防御能力较弱，灾害频繁发生，给沿岸人民带来了深重灾难。晚清至民国时期不完全统计凌灾情况见表１。

中华人民共和国成立以后，宁蒙河段修建大堤，上游兴建大型调节水库，冰凌灾害减轻。宁蒙河段形成凌灾的主要原因是开河时频繁卡冰结坝，造成壅水漫滩或决口而形成冰凌灾害。据统计，１９５０—１９６８ 年（刘家峡水库运用前）宁夏河段开河结坝年份有１２ ａ，结坝２１ 处，平均３ ａ 中有２ ａ 结坝，内蒙古河段几乎年年结坝，“文开河”“武开河”及“半文半武开河”年份各占１／３。１９６９—１９８２ 年宁夏河段平均３ ａ 中有１ ａ结坝；１９６８—１９９０ 年内蒙古河段开河结坝８４ 处，平均每年４ 处。龙羊峡、刘家峡水库运用后，总的趋势是凌汛灾害有所减轻，但少数年份部分河段凌汛灾害仍相当严重。１９８６ 年以来黄河内蒙古河段发生多次凌汛决口。１９９３—１９９４ 年度封河期，三盛公枢纽闸下３～５ｋｍ 处堤防决口，淹没土地８０ ｋｍ２，其中耕地０．４ 万ｈｍ２，０．９５万人受灾，直接经济损失４ ０００ 万元；２００８ 年３ 月，黄河内蒙古杭锦旗独贵塔拉奎素段发生凌汛决口，受灾面积１０６ ｋｍ２，受灾群众１０ ２４１ 人，直接经濟损失６．９亿元。

宁蒙河段凌灾的主要表现形式为冰塞、冰坝壅水，造成管涌、渗漏和堤防决口，冰塞多发生在流凌封河期，冰坝多发生在开河期。冰凌洪水灾害发生频繁，据不完全统计，２０ 世纪５０ 年代以来共发生较大的凌汛灾害９５ 次，平均每年发生１．４ 次。其中：１９５０—１９６８年（刘家峡水库运行前）发生凌灾２０ 次，平均每年发生１ 次，平均每年凌灾直接经济损失１５．１２ 万元；１９６９—１９８６ 年（龙羊峡水库运行前）发生凌灾１１ 次，平均１．６ ａ 发生１ 次，平均每年凌灾直接经济损失１ １８２万元；１９８７—２００８ 年发生凌灾６４ 次，平均每年３次，平均每年凌灾直接经济损失８ ５４６ 万元；２００９ 年以来，宁蒙河段未发生较大凌灾。从典型年份凌情特点及成因分析结果得出，可能造成冰凌灾害的

３ 宁蒙河段凌情影响因素及凌灾成因分析

影响宁蒙河段凌情变化的因素很多，根据对冰凌灾害的分析，主要包括热力条件、水动力条件和河道边界条件。

３．１ 凌情影响因素

３．１．１ 热力条件

热力条件包括太阳辐射、气温、水温等［１２］ 。气温是凌情演变的重要热力条件，其变化过程关乎冰量及冰厚的变化，因此气温是凌汛产生及演变的主要热力因素［１３］ 。气温对宁蒙河段的影响表现如下：气温年际变化以凌汛期持续升温为主要特征，导致流凌封河时间推迟，开河时间提前。气温在空间上总体呈南高北低分布，导致封河以自下游向上游发展为主，容易形成冰塞灾害；开河时则自上而下进行，沿程凌峰逐渐增高，水位迅速抬升，容易形成严重的冰坝灾害。

由宁夏河段至内蒙古河段，气温在零下的时间是“上短下长”。宁夏石嘴山站日均气温在零下的持续时间多为３ 个半月，内蒙古河段各站日均气温持续在零下时间均长达４ 个月。宁蒙河段主要控制站气温转负、转正日期统计见表２。可以看出，石嘴山站气温稳定转负日期比巴彦高勒站迟４ ｄ，气温稳定转正日期早７ ｄ；而巴彦高勒站与三湖河口站相比，气温稳定转负日期、转正日期仍为“上迟下早，上早下迟”，相差２ ｄ；三湖河口站与头道拐站相比，转负日期推迟２ ｄ，转正日期则相同。

宁蒙河段主要控制站不同年代凌汛期累积负气温均值见表３。可以看出，空间上，从银川至托克托累积负气温呈现“上高下低，上暖下冷”的特点；时间上，２０世纪五六十年代最寒冷，累积负气温最小，２０ 世纪七八十年代累积负气温有所升高，但与前期相差不大，而近２０ ａ 与前期相比累积负气温升高较多。

近期有些年份凌汛期出现急剧升、降温过程。流凌期出现异常降温情况，如２００９ 年１１ 月中旬流凌期，包头旬平均气温－８．４ ℃，为历史最低。封河期气温波动较大，２００１—２００２ 年度石嘴山站１２ 月中旬至次年２月下旬逐旬平均气温分别为－７．２、－８．３、－３．６、－２．６、－５．９、－３．０、０．６、２．２ ℃，其中１ 月中旬平均气温－２．６℃，为近５７ ａ 同期最高气温。开河期出现异常升温过程，如２００８ 年３ 月中旬包头站旬平均气温达５．５ ℃，为近６０ ａ 同期最高值。

总的来看，近期冬季气温总体呈回暖趋势，有利于减轻凌情，但出现了一些异常冷暖变化情况，影响凌情发展，给防凌安全带来威胁。流凌期异常降温可能导致突然封河，形成不适宜的封河流量；封河期异常升降温可能导致封河形势不稳定，出现“二封二开”情况；开河期异常升温，可能使得槽蓄水增量急剧释放，使得防凌问题更为复杂，对防凌不利。热力因素较难人为干预，面对这种情况，必须进一步提高气温监测预报预见期与精度，以便及时灵活应对不利的凌汛形势。

３．１．２ 水动力条件

石嘴山水文站实测水量统计见表４，不同时段凌汛期来水日变化过程见图１。可以看出，刘家峡水库运用前，进入内蒙古河段石嘴山站凌汛期水量为６０．４亿ｍ３，刘家峡水库运用后，石嘴山站凌汛期来水量增加，１９６８—１９８９ 年、１９８９—２０２１ 年凌汛期水量分别为７５．３ 亿、７６．５ 亿ｍ３。从来水过程看，刘家峡水库运用后，１１ 月上中旬封河前和３ 月上中旬开河期进入内蒙古河段的水量减少；１２ 月至次年２ 月稳封期和３ 月下旬开河后进入内蒙古河段的水量增加。

从图１ 可以看出，刘家峡水库运用前，流凌封河期和封河期（１１ 月中旬至次年２ 月底）石嘴山站流量波动幅度大，开河期（３ 月上中旬）流量较大，不利于防凌，因此这一时期冰塞、冰坝发生次数较多。刘家峡水库运用后的１９６８—１９８９ 年，通过刘家峡水库的防凌调度调控进入宁蒙河段的流量，尽量使凌汛期流量过程平稳，宁蒙河段的防凌形势有所缓解，但限于刘家峡水库的有限库容和空间距离，对宁蒙河段的防凌调控能力不足，特别是开河期流量仍较大。龙羊峡水库运用后尤其是１９９９ 年全河水量统一调度后，龙羊峡、刘家峡水库（简称龙刘水库）防凌调度技术日渐成熟，一定程度上保障了宁蒙河段凌汛期安全。

总的来说，龙刘水库联合运用以来，相对合理的水库防凌调度及防凌工程运用，构成了有利于防凌的水动力条件，在一定程度上保证了宁蒙河段封开河的稳定。但是龙刘水库与内蒙古河段的距离远、防凌库容不足，受区间入流和冬灌引退水等因素影响，无法按照防凌要求精准控制内蒙古河段的流量过程，对凌情的控制程度还不能满足要求。

３．１．３ 河道边界条件

河道边界条件对冰凌运动输移、冰塞冰坝的形成及凌汛灾害的发生与演变具有重要影响。河道边界条件分为两类，一类是河床边界条件，主要指河流本身所具有的宽窄相间的河床平面形态、主槽过流能力等，其变化受来水来沙条件以及河道地形、地质条件等因素影响；另一类是工程边界条件，主要指河道上修建的堤防、河道整治工程和桥梁等建筑物。

从全河段、长时间来看，对凌情影响较大的是河床冲淤所引起的中水河槽过流能力变化。１９８６ 年以来，内蒙古河段平滩流量从２０ 世纪８０ 年代初的４ ０００ｍ３ ／ ｓ 左右降低至２１ 世纪初的１ ５００ ｍ３ ／ ｓ 左右。受其变化影响，凌汛期冰下过流能力显著降低，凌汛期间表现出河道水位高且历时长、多数年份漫滩、槽蓄水增量大等特点（见图２ ～ 图４），对封河期和开河期防凌不利。另外，长期的小水作用使宁蒙河段河势游荡、河湾加剧，畸形河势容易诱发冰塞冰坝，内蒙古河段超过５０％的冰坝发生在三湖河口至头道拐河段。由于局部河段的河湾半径小、弯曲幅度大（根据２０１２ 年三湖河口至头道拐河段河道地形统计的河湾参数表明，５５ 处河湾中有３１ 处河湾的中心角大于９０°），形成的畸形河湾对排凌影响较大，因此容易卡冰结坝。黄河流域在２０１２ 年及２０１８—２０２０ 年汛期來水偏多，上、中、下游河道洪水长时间维持在２ ０００～３ ０００ ｍ３ ／ ｓ，经过汛期洪水长时间冲刷，全河段主槽过流能力得到一定恢复，但仍未恢复到１９８６ 年以前的过流能力（４ ０００ ｍ３ ／ ｓ），且内蒙古河道的回淤调整也较快。

近年来特别是２０００ 年以来，沿河两岸因经济社会发展而大量修建桥梁等涉河阻水建筑物，对局部河段凌情产生了影响。凌汛期受已建浮桥两岸引桥、跨河大桥桥墩的阻水影响以及在建桥梁施工期间的围堰、栈桥等阻水影响，河道过流面积减小、过流能力降低，同时流速减小，封河期易在此河段首先封冻，并使同等水力和热力条件下封河时间提前，如２００６—２００７ 年度、２００７—２００８ 年度、２００８—２００９ 年度首封地点出现在包西铁路特大桥处及其附近（该桥２００５ 年１２ 月开工，２００８ 年１１ 月完工）。在浮桥和跨河大桥处出现首封之后，上游产生的大量冰花下泄，极易在浮桥和跨河大桥处受阻，导致流凌不畅。

中水河槽过流能力下降导致冰下过流能力降低，进而引起凌水漫滩封河、槽蓄水增量大，是近期内蒙古河段不利凌情的主要影响因素。面对这种不利局面，必须想尽办法采取措施恢复、扩大中水河槽过流能力，为宁蒙河段更好地防凌防洪提供基本条件。

河道平滩流量减小，影响河段冰凌输移，形成不利于防凌的河道边界条件。近年来特别是２０００ 年以来，河道过流能力较前期显著降低，导致冰下过流能力降低，槽蓄水增量明显增加，河道内壅水严重，凌水漫滩封河，封开河期间各水文站最高水位上升。由于内蒙古河段的槽蓄水增量增加，因此开河期温度上升后槽蓄水增量释放更加集中，使得开河最大１０ ｄ 洪量增加，冰凌洪水漫滩情况普遍，对防凌安全构成严重威胁。２０１２ 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，宁蒙河段平滩流量得到一定程度恢复，冰下过流能力有所增大，凌汛期凌情整体平稳。虽然近年平滩流量增大有利于防凌安全，但是这种稀遇的连续丰水时段具有很大的偶然性，黄河凌汛突发性强、难以预测、难以防守的特性仍未改变，黄河宁蒙河段游荡多变的河势仍未改变，未来黄河内蒙古河段仍然面临很大的回淤风险，黄河防凌形势复杂严峻，迫切需要采取措施恢复较大的中水河槽，增加冰下过流能力，减少槽蓄水增量。

３．２ 凌灾特点及成因

梳理１９８９ 年以來宁蒙河段典型凌灾情况，可以看出造成冰凌灾害的严重凌情多受剧烈天气过程、河道流量变化、复杂河道条件等因素影响。

３．２．１ 热力因素的影响

部分年份封河期出现急剧降温过程，导致封河提前、流量小、冰盖低，封河后气温回升，形成冰塞壅水。１９９３—１９９４ 年度，在强冷空气影响下，内蒙古河段提前封河，三湖河口一带封河流量较小、冰盖低，此时宁夏沿黄灌区停灌，大量退水与刘家峡水库的前期泄流汇于河道，加大了三湖河口以上河段的槽蓄水增量，冰下过流不畅，在较大流量作用下，水流挟带大量冰块下泄，形成冰塞、堵塞河道，致使水位迅猛上涨、堤防决口。

部分年份开河期出现急剧升温过程，如槽蓄水增量较大时，会引发槽蓄水增量的集中释放，导致卡冰结坝壅高水位，堤防长时间偎水或决口致灾。２００７—２００８ 年度凌汛期间，３ 月份开河期内蒙古河段气温异常偏高，黄河开河进入内蒙古河段后，开河速度较快，三湖河口站水位接连刷新该站建站以后最高水位，导致两处溃堤。

部分年份封开河期气温变幅较大，封河期冰层较薄，封开交替，容易造成冰塞；开河期气温急剧波动，增加开河形势的不稳定性及壅水成灾概率。１９９７—１９９８年度凌汛期出现“二封二开”，第二次封河时冰盖低、冰下过流能力小，封河后期上游来水增加，槽蓄水增量较大，内蒙古河段水位壅高、凌水漫滩，宁夏河段发生冰塞。２００１—２００２ 年度，封河期间气温大幅度回升，封河界面上下错动，河道主流发生冰塞，引起水位迅猛上涨，民堤决口。

３．２．２ 水动力因素的影响

在封河期间，流量过大或过小都可能产生不利的凌情。若上游来水量大，流速较快，冰盖前缘大量冰花下潜，易堵塞河道形成较严重冰塞。如１９８８—１９８９ 年度上游来水量偏大，致使三湖河口以上河段封河水位高，冰塞壅水严重，磴口防洪大堤发生了渗水管涌。而水动力条件不足，封河流量小，会导致冰盖较低，冰下过流能力弱，水位抬升，引发险情。如２０００—２００１ 年度封河较早，宁夏引黄灌区冬灌引水尚未结束，导致小流量封河，致使封河后冰下过流能力较弱，引发河段严重壅水。

在开河期，若上游下泄的水量突然增加，遇到下游的冰盖时，在水力作用下可能会挤压、堆积形成冰坝，造成严重凌汛灾害；或者遇到不利的气温条件时，会引发槽蓄水增量的集中释放，也可能导致“武开河”。如１９９５—１９９６ 年度开河期气温急剧回升，开河速度加快，槽蓄水增量集中释放，凌峰流量沿程增大，形成高水位、大流量，造成６ 处堤防决口。

３．２．３ 河道边界因素的影响

河道边界条件是产生宁蒙河段凌灾的重要原因之一，特别是内蒙古三湖河口至头道拐河段，浅滩、弯道多，形成的畸形河湾对排凌影响较大，极易卡冰结坝。如２００７—２００８ 年度发生严重溃堤险情的主要原因之一就是在三湖河口以下河湾发生了卡冰，导致上游水位持续升高。近年来进入宁蒙河段的水沙关系恶化，宁蒙河段淤积萎缩，平滩流量小，冰下过流能力差，容易发生冰塞险情。如２００４—２００５ 年度，内蒙古河段平滩流量不足１ ５００ ｍ３ ／ ｓ，造成凌汛期水位高、槽蓄水增量大、大量凌水漫滩偎堤，内蒙古河段堤防土质较差，凌汛期在长时间高水位作用下，部分河道出现了严重的渗漏、管涌险情。

此外，凌汛期河道内存在浮桥、桥梁等阻水建筑物，也容易造成冰花下泄受阻，严重时发生冰塞、冰坝险情。如２０１９—２０２０ 年度凌汛期巨合滩大桥、蒲滩拐神泉、呼大高速桥、呼准铁路桥及准兴重载桥多处发生冰塞，受封河冰塞影响水位壅高，导致头道拐水文站达到１９８７ 年以来最高水位。

４ 凌灾防御措施研究

凌情演变十分复杂，因此凌汛灾害难以预测、难以防御、难以抢护。基于上述凌灾特点及成因分析，从减少热力因素、水动力因素及河道边界因素对凌情影响方面，提出相应的凌灾防御措施。

４．１ 监测预报

热力因素较难人为干预，防凌工作只能通过密切监测气温变化，提前做好长期气温预报及封开河预报、掌握冰凌的发展变化情况、预测凌情发展的趋势、制定合适的防凌调度方案，为防凌指挥调度提供依据。凌情监测预报是防凌工作的基础支撑，目前还需要进一步提高气温监测预报预见期与精度，以便及时灵活应对不利的凌汛形势。要密切关注气温和凌情、水情变化情况，及早开展凌汛期气温凌情预报工作。

４．２ 工程调度

水工程调度是做好防凌工作的最有效手段。凌汛期，根据近年来黄河凌情的新特点，科学调度龙羊峡、刘家峡、海勃湾、万家寨、小浪底等骨干水工程，为平稳封河、开河创造有利条件。凌汛初期，在满足宁蒙河段秋浇和冬灌用水需求的同时，根据目前河道过流能力，拟定合适的封河流量，避免封河流量过大或过小发生凌灾，刘家峡水库预留需要的防凌库容。封河期，通过精细调控刘家峡、海勃湾水库，加强下泄流量控制，塑造适宜的封河流量，尽量避免小流量封河，形成较高冰盖，有利于增加冰下过流量。稳封期，根据冰下过流能力调度骨干水库，保持流量由大到小、缓慢递减基本特征，进一步控制日流量过大的波动幅度，为避免封河期严重冰塞壅水、保持稳定封河形势、控制槽蓄水增量过度增长提供有利条件，并在确保凌情平稳的同时兼顾储备春灌及抗旱用水。开河期，跟踪分析刘家峡、小浪底等水库凌汛期调度情况，滚动修正开河期骨干水库实时调度方案，削减下泄流量，并加大控泄力度，为削减槽蓄水增量释放量与释放强度、控制平稳开河创造有利条件。通过精细化工程调度，可全面提高黄河防凌综合能力，优化凌汛期水库群和分凌工程联合调度，提高水资源综合利用效率和效益，实现防凌、发电、供水、灌溉等多项目标效益最大化。

４．３ 河道清障

河道内存在的大量生产堤、浮桥、桥梁桥墩等阻碍行凌，凌汛水位高时可能出现渗漏、漫顶、坍塌等险情，堤防防守压力很大。进入凌汛期前，应将浮桥等临时阻水建筑物进行拆除，保证河道畅通；在容易出险的封开河期，要提前协调空军部队，在冰塞冰坝发生时及时轰炸破冰，破除冰塞冰坝，排除险情。

５ 结论

總体来看，影响宁蒙河段凌情变化的因素主要包括热力条件、水动力条件和河道边界条件。通过分析宁蒙河段典型凌灾情况，发现造成冰凌灾害的严重凌情多受剧烈天气过程、河道流量变化、复杂河道条件等因素影响。为避免宁蒙河段凌汛灾害，对于热力因素，应进一步提高气温监测预报预见期与精度，及早开展凌汛期气温凌情预报工作；对于水动力因素，应精细化工程调度，优化凌汛期水库群和分凌工程联合调度；对于河道边界条件，应提前拆除临时阻水建筑物以保证河道畅通，提前协调空军部队在险情发生时及时轰炸破冰，并加快黑山峡水利枢纽的建设，恢复和长期维持较大的中水河槽过流能力，为宁蒙河段防凌防洪提供基本条件。

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【责任编辑 许立新】

基金项目：黄委优秀青年人才科技项目（ＨＱＫ－２０２３１９）；黄河勘测规划设计研究院有限公司企业自主研究开发项目（２０２１ＫＹ０４３）；国家重点研发计划项目（２０２２ＹＦＣ３２０２５０５）