郭增紅,于成剛,楊桂芹

(1.黑龍江省大興安嶺水文局,加格達(dá)奇 165000;2.黑龍江省佳木斯水文局,佳木斯 154002)

1 流域概況

黑龍江流域位于 E108°20′～141°20′,N42°00′～ 55°45′,東西長(zhǎng)約 2000 km,南北寬約 1500 km,流域面積184.3×104km2。黑龍江有南北兩源,南源為大興安嶺西麓的海拉爾河,經(jīng)額爾古納河流入黑龍江;北源為發(fā)源于蒙古人民共和國(guó)肯特山的鄂嫩河,經(jīng)石勒咯河與南支額爾古納河在我國(guó)的洛古河村附近交匯,兩河匯流后始稱(chēng)黑龍江。若以額爾古納河為正源。黑龍江全長(zhǎng)4363 km,由兩河匯流處至入海口干流長(zhǎng)2821 km,由匯流處至結(jié)雅大興安嶺河口為干流上游,長(zhǎng)905 km。

黑龍江上游流行于大興安嶺的峽谷之中,沿途群山綿亙,森林密布,植被良好,兩岸大部由花崗巖、砂巖、頁(yè)巖組成,河床多為砂卵石,河道比降較大,一般在0.2%左右,具有明顯的山區(qū)河流特點(diǎn)。

2 水文氣象特征

黑龍江冰流域位于N41℃以北的寒溫帶地區(qū),冬季受西伯利亞冷空氣控制,氣候干燥而嚴(yán)寒。日平均氣溫從10月轉(zhuǎn)入零下,至翌年4月回升到零上,最低氣溫(1～2月)在零下35℃以下,北部在零下50℃以下,氣溫轉(zhuǎn)負(fù)以后降雨轉(zhuǎn)為降雪,土壤凍結(jié)2～3 m,北部有永凍層,此期間地面徑流停止。冬季(11～3月)降水量占年平均值的10%,徑流量不足年平均值的5%,中小河流比重更小,絕大多數(shù)中小河流凍結(jié)干枯斷流,前秋大部分河槽蓄水和土壤水分凍成冰體。河流封凍期(11～4月)長(zhǎng)達(dá)150～170 d,最大冰厚一般為1.3～1.5 m,極大冰厚達(dá)1.85～1.95 m。積雪深度一般20～30 cm,極大60～100 cm。從河流見(jiàn)冰流凌封凍至翌年融冰和終冰為止,冬季冰期一般在200 d以上。

黑龍江流域處于東亞季風(fēng)區(qū)的東北部,氣候的季風(fēng)性質(zhì)明顯,夏季太平洋的暖濕空氣內(nèi)侵,溫潤(rùn)多雨,冬季受強(qiáng)大的西伯利亞和蒙古冷高壓控制,干燥而寒冷,氣溫年較差最大可達(dá)80℃,流域內(nèi)年降水量400～800 mm,降水的年內(nèi)分配極不均勻,冬季降水很少,6～9月降水較多,可達(dá)年降水量的60%～80%,尤其7、8月,降水量幾乎可達(dá)年降水量的50%。

3 2009年開(kāi)江情況概述

2009年4月初受上游來(lái)水和區(qū)間融雪徑流的影響,4月14日1時(shí)漠河開(kāi)江,并在北宏站下游形成長(zhǎng)達(dá)30 km的冰壩,4月22日2時(shí)開(kāi)庫(kù)康站開(kāi)江,與漠河開(kāi)江時(shí)間相差8 d,歐浦站4月23日20時(shí)開(kāi)江,呼瑪站4月23日9時(shí)開(kāi)江,三卡站4月22日20時(shí)流冰開(kāi)江。漠河、三卡兩站水頭均＞5.0 m。開(kāi)庫(kù)康、歐浦、呼瑪站水頭均＞6.0 m。興安站達(dá)到了7.05 m,依西肯達(dá)7.60(后無(wú)水尺觀測(cè))。對(duì)北宏站30 km長(zhǎng)的冰壩,通過(guò)水面線(xiàn)模擬分析,此次冰壩水頭＞7.0 m。開(kāi)江期黑龍江上游沿線(xiàn)發(fā)生多處冰壩。

1)洛古河冰壩。4月13日15時(shí)洛古河水位站下游6 km處形成冰壩,致使水位迅速上漲,冰壩不斷發(fā)展,13日21時(shí)水位上漲到98.07 m,冰壩潰毀?？偹^達(dá)6.51 m,超警戒水位0.07 m。

2)烏蘇鎮(zhèn)至紅旗嶺冰壩。4月14日北宏站冰層浮起,由于凌峰傳播不暢,加之受洛古河冰壩造成洪峰下傳影響,4月16日下游形成冰壩,16時(shí)水位達(dá)278.50 m,此后冰壩進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展階段。隨著上游來(lái)水的增多及區(qū)間融雪徑流的匯入,4月21日20時(shí)水位達(dá)到279.82 m(水尺被埋無(wú)法觀測(cè)到后來(lái)水位),在冰壩承壓能力達(dá)到極限后,冰壩自然潰毀,共歷時(shí)5.5 d。根據(jù)水面線(xiàn)估計(jì)其水頭＞7.0 m。

3)依西肯鄉(xiāng)冰壩。4月21日在依西肯五村、四村下游各形成一處冰壩。4月22日在依西肯鄉(xiāng)址下游形成冰壩。此3處冰壩導(dǎo)致依西肯觀測(cè)斷面水位迅速上漲,22日14時(shí)水位達(dá)到217.30 m(后無(wú)法測(cè)到),此后冰壩相繼潰毀,水位迅速回落。冰壩持續(xù)1 d,總水頭達(dá)7.60 m。

4)歐浦鄉(xiāng)冰壩。22日15時(shí)20分在鷗浦站下游4～5 km處形成了3 km長(zhǎng)的冰壩,18時(shí)在鷗浦鄉(xiāng)三合站村下游5 km處形成冰壩,18時(shí)35分在鷗浦鄉(xiāng)正棋村下游6 km處形成冰壩,23日1時(shí)在鷗浦鄉(xiāng)懷柔村下游5 km處形成冰壩。前3處冰壩相繼形成后,導(dǎo)致歐浦站水位迅速上漲,致使斷面水位迅速上漲,23日10時(shí)最高水位達(dá)到97.32 m,后下游冰壩相繼潰毀,歐浦站水位迅速回落。三處冰壩前后持續(xù)19 h,總水頭達(dá)6.40 m。

4 冰壩形成原因分析

形成黑龍江上游冰壩的主要原因是集中回暖加速冰雪的消融,流域內(nèi)匯流量增大,上游來(lái)水增大,冰蓋在回暖初期強(qiáng)度較大。總體來(lái)看,水熱兩因素發(fā)展促成了黑龍江上游的冰壩。具體分析如下:

1)前期河槽蓄水量大,后期出現(xiàn)集中回暖,促使出現(xiàn)大量融雪徑流。黑龍江上游各測(cè)站截止到2008年12月,漠河代表站同期降水較歷年偏多530%,呼瑪代表站也偏多達(dá)148%。河網(wǎng)內(nèi)封凍大量降水。根據(jù)產(chǎn)流估算,開(kāi)江期漠河徑流深為35.7 mm,呼瑪站徑流深為55.5 mm,分別比歷年4月釋放水量多23.1%和164%。遇到集中回暖,流域封存的水量同時(shí)得到釋放,為冰壩形成提供了必要的動(dòng)力條件。通過(guò)對(duì)開(kāi)江前水位上漲分析可以得到證明(圖1),漠河站水位上漲加速度C[5](二次項(xiàng)系數(shù))達(dá)到了0.08,其在歷年中排在了第6位。一般冰壩年其水位上漲加速度均達(dá)到了0.05以上。由圖2可見(jiàn),冰壩形成前其水位漲率達(dá)到了0.14 m/h,水位總漲差達(dá)到了2.6 m,可見(jiàn)其上游來(lái)水量之大,流域內(nèi)匯流之快。

圖1 漠河站開(kāi)江期水位上漲擬合圖Fig.1 Fitting line fo r water level rise during spring thaw in M ohe Station

圖2 北宏站冰壩期間水位變化過(guò)程圖Fig.2 Process of the water level changes during ice jam in Beihong Station

2)弱的“拉尼娜”促使出現(xiàn)集中回暖,為冰壩形成提供了條件。根據(jù)氣象分析,一般黑龍江上游在“拉尼娜”時(shí)期容易出現(xiàn)高暖脊[9]。2009年3月以前赤道東太平洋SST出現(xiàn)了負(fù)距平(詳見(jiàn)圖3),在東太平洋形成了弱的“拉尼娜”,受此影響3月末4月初黑龍江上游如期出現(xiàn)高壓脊系統(tǒng),形成較為強(qiáng)烈的“集中回暖”。從歐洲數(shù)值預(yù)報(bào)500 hpa高度場(chǎng)分析,有兩次明顯的回暖天氣過(guò)程。一次天氣過(guò)程在3月27日～4月2日,另一次天氣過(guò)程在4月5日～4月9日,為亞洲強(qiáng)暖脊型。兩次的春季回暖天氣過(guò)程,導(dǎo)致沿江一線(xiàn)4月的上、中旬氣溫均較歷年偏高。

3)開(kāi)江時(shí)節(jié)氣溫變化急劇和頻繁,為冰壩形成提供了有利條件。由圖4和圖5可見(jiàn),兩次回暖過(guò)程中日氣溫變幅達(dá)12℃以上。4月1日日平均氣溫即轉(zhuǎn)正,創(chuàng)建站以來(lái)之最,日平均氣溫也創(chuàng)下了歷史新高。截至到4月14日漠河、呼瑪兩站日平均氣溫為正的天數(shù)分別達(dá)11 d和12 d。漠河上旬平均氣溫達(dá)1.3℃,比歷年同期均值高出5.8℃。最高日平均氣溫變率達(dá)到5℃/d以上,其逐時(shí)氣溫漲率達(dá)到了3.1℃/h。從中可以看出,增溫幅度不僅大而且快,如此高強(qiáng)度的增溫,加速了冰雪消融。也導(dǎo)致了3月下旬出現(xiàn)的最大冰蓋強(qiáng)度沒(méi)有得到削弱,就進(jìn)入開(kāi)江期。此次,動(dòng)熱因素相互轉(zhuǎn)化,最終為此次冰凌災(zāi)害的發(fā)生提供了條件。

圖3 2009年2月熱帶太平洋海溫距平分布圖(引自中國(guó)海洋預(yù)報(bào)中心)Fig.3 Anomaly distribution of the tropical Pacific Sea temperature in Feb.2009

圖4 漠河站4月8日逐時(shí)氣溫過(guò)程圖Fig.4 Hourly temperature of Mohe Station on 8,April

4)沿江支流提前開(kāi)河為冰壩發(fā)生提供了一定條件。2009年春漠河縣境內(nèi)的黑龍江一級(jí)支流額木爾河也發(fā)生“倒開(kāi)河”現(xiàn)象,額木爾河在4月13日開(kāi)河,較漠河站提前1 d。其區(qū)間支流冰凌洪峰的匯入,增加了干流的水量,增強(qiáng)了其開(kāi)江動(dòng)力條件。

圖5 漠河站4月逐日日平均氣溫過(guò)程圖Fig.5 Daily average temperature per day of Mohe Station in April

5)凌情的綜合因子A的提出,以及在熱力和動(dòng)力條件的綜合分析上的應(yīng)用。根據(jù)冰凌災(zāi)害發(fā)生機(jī)理,結(jié)合河相條件對(duì)凌汛期水位的影響機(jī)理[8],根據(jù)黑龍江上游影響冰凌災(zāi)害的條件,建立了反映凌情的綜合因子A。根據(jù)分析發(fā)現(xiàn):其黑龍江上游測(cè)站開(kāi)江期水位上漲加速度C與秋季10～12月降水有很好的相關(guān)性,一般與11月降水相關(guān)系數(shù)在0.7以上,并且通過(guò)了0.05的檢驗(yàn),可見(jiàn)其相關(guān)程度較高。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn),根據(jù)文獻(xiàn)[8]中構(gòu)建影響凌情綜合因子A的方式,采用水位上漲加速度C來(lái)表征開(kāi)江期流速V(水位上漲加速度與流速呈正相關(guān)),采用反映熱力條件的封凍期累計(jì)負(fù)氣溫 T,來(lái)構(gòu)建影響凌情的綜合因子A,其公式為這樣可以依據(jù)前期降水來(lái)預(yù)測(cè)水位上漲加速度C,避免了對(duì)流速預(yù)測(cè)的難度,有效地延長(zhǎng)了遇見(jiàn)期,也實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力和熱力因素指標(biāo)的結(jié)合,采用一個(gè)綜合因子A可有效反映兩種因素相互作用,也能表征出河相條件對(duì)冰凌的影響,便于開(kāi)展冰壩預(yù)報(bào)和分析。通過(guò)構(gòu)建的綜合因子分析,漠河、呼瑪兩站冰壩年其綜合因子數(shù)值都＞2.0,普遍較正常開(kāi)江年大。嚴(yán)重冰壩年,如1958年漠河站綜合因子達(dá)到了4.5,為正常年的4倍。由此可見(jiàn)這一綜合因子完全能反映凌情?？梢杂糜陬A(yù)報(bào),預(yù)報(bào)中采用也較為方便和簡(jiǎn)單。根據(jù)2009年開(kāi)江期資料計(jì)算,其綜合因子達(dá)2.6,因此形成冰壩就在情理之中了。通過(guò)采用秋季降水預(yù)測(cè)水位上漲加速度C值,采用封凍期累計(jì)氣溫均值計(jì)算其綜合因子,其數(shù)值量級(jí)也達(dá)到了2.2,說(shuō)明這一綜合因子較為合理,能反映出一段時(shí)間內(nèi)的凌情。

5 結(jié) 語(yǔ)

2009年黑龍江上游冰壩的形成,其集中回暖為充分條件,而前期河槽大量的蓄水為冰壩的形成提供了必要條件。熱力因素促使動(dòng)力因素增強(qiáng),流域內(nèi)產(chǎn)流量增大,而釋放水量的速度加快,導(dǎo)致動(dòng)力增強(qiáng)促使冰壩形成。黑龍江冰壩發(fā)生與太平洋海間變化存在一定關(guān)系,主要是黑龍江上游冰壩與“拉尼娜”有比較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,往往秋冬季發(fā)生的“拉尼娜”,容易導(dǎo)致黑龍江上游在春季出現(xiàn)高暖脊天氣系統(tǒng)[9],往往促使積雪消融,形成大量融雪徑流,增強(qiáng)動(dòng)力條件。因此,太平洋表面的海溫對(duì)黑龍江上游的冰壩有一定指示作用,存在一定的遙相關(guān),這一指標(biāo)為冰壩的預(yù)報(bào)提供了另一路徑。根據(jù)河相條件對(duì)凌汛水位的影響,構(gòu)建了反映凌情的綜合因子A,根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果,這一因子能較好地指示凌情特征。根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果,其前期降水可以很好地預(yù)測(cè)開(kāi)江水位加速度C,進(jìn)而可以對(duì)綜合因子 A進(jìn)行預(yù)測(cè),以實(shí)現(xiàn)對(duì)凌情的預(yù)測(cè),因子構(gòu)成簡(jiǎn)單,可以同時(shí)表征動(dòng)力和熱力因子,有效地延長(zhǎng)了遇見(jiàn)期。根據(jù)2009年冰壩實(shí)際驗(yàn)證,以及通過(guò)歷年資料的計(jì)算表明,綜合因子 A具有實(shí)用價(jià)值,可以很好地應(yīng)用于黑龍江上游冰壩的預(yù)報(bào)。

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