李麗文

( 大連金州新區(qū)水利管理服務(wù)中心，遼寧 大連116000)

0 引 言

由于受貝加爾湖和蒙古高壓及寒潮的影響［1］，凌汛是我國(guó)北方寒冷地區(qū)的一種常見(jiàn)的水文現(xiàn)象，其變化規(guī)律取決于各種有關(guān)熱量和水力的變化，及河道形態(tài)、地貌狀況。不同的河流所在地理位置、影響因素不同，冰情的形成特色也不盡相同。

呼瑪縣沿黑龍江易受凌汛危害的鄉(xiāng)鎮(zhèn)村屯和大面積良田，曾先后多次遭到凌汛重災(zāi)的襲擊，災(zāi)情特重的為1958、1960、1971、1985年，尤其1985年凌汛產(chǎn)生的冰壩，由于黑龍江上游特定的自然條件，形成了“倒開(kāi)江”的形勢(shì)，出現(xiàn)了史所未見(jiàn)的特大凌汛。不但在上游段內(nèi)疊起多處，而且下延至中游段的孫吳、遜克兩縣境內(nèi)，給沿江各地帶來(lái)巨大損失。

1 冰凌災(zāi)害

冰凌在河槽中阻塞并顯著壅高上游水位的現(xiàn)象稱(chēng)為冰壩［2］。冰壩洪水是天然河道中最嚴(yán)重的冰凌災(zāi)害［3－4］，冰壩使水位上漲，在某些河段漫堤，造成凌洪災(zāi)害［5－6］。呼瑪縣地處黑龍江上游段由于江道的地理位置、形態(tài)特征、降水關(guān)系和氣候條件等自然因素，為該江段易形成“倒開(kāi)江”造就了天然環(huán)境。自1916年有水文資料以來(lái)，出現(xiàn)過(guò)的嚴(yán)重冰壩已有20 多次。冰壩形成時(shí)，河道被堵塞，流水被攔蓄，江水出槽，冰排上岸，造成嚴(yán)重的冰洪災(zāi)害。

根據(jù)俄羅斯和中國(guó)一方水文觀測(cè)記載，黑龍江上游春季開(kāi)始行凌，一般壅水高度＜6 m的卡塞型冰壩，幾乎每年都有出現(xiàn)，但構(gòu)成災(zāi)害較少; 壅水高度＞6 m造成一般性災(zāi)害的冰壩，共發(fā)生22 a，平均3 ～4 a一次; 壅水高度＞8 m災(zāi)害較重的冰壩發(fā)生16 a，平均4 ～5 a一次; 壅水高度＞9 m的重災(zāi)冰壩發(fā)生8 a，平均近10 a一次; 上游段內(nèi)帶普遍性，且呈梯級(jí)形成重災(zāi)的大型冰壩共發(fā)生4 a，平均每20 a左右即有一次［4］。

呼瑪縣內(nèi)江段大型冰壩常出現(xiàn)在龍站島、曙光、老卡、三合站、新街基和呼瑪鎮(zhèn)上下游一帶，易形成大型冰壩的江段總長(zhǎng)度為150 km 左右，冰壩疊高水頭一般在6 ～8 m，最高達(dá)到15.81 m，每處冰壩堵塞的江段長(zhǎng)度為5 ～15 km，最長(zhǎng)達(dá)到42 km。有的年份冰壩分段接連形成，如同梯級(jí)水庫(kù)。冰壩持續(xù)時(shí)間一般為2 ～5 d，最長(zhǎng)達(dá)12 d。在達(dá)到一定程度時(shí)多屬自然潰決，個(gè)別的也有人為的將其解體。

1985年凌汛冰壩是有記載以來(lái)最嚴(yán)重的一次，在905 km的上游段江道上，形成13 處超過(guò)一般的冰壩，呼瑪縣內(nèi)新街基的冰壩最為嚴(yán)重。水頭高達(dá)15.81 m，水位超過(guò)新中國(guó)建立以來(lái)最高的1958年夏汛特大洪水位1.8 m，持續(xù)288 h 后才漸次解體潰決。

據(jù)事后察勘與調(diào)查統(tǒng)計(jì)，全村房屋建筑，除坡崗與高埠處部份，其它所剩無(wú)幾，被冰排洪水沖倒帶走的計(jì)8.5 萬(wàn)m2; 耕地被沖毀0.19 萬(wàn)hm2，耕作層被剝?nèi)?0 ～20 cm深，流砂、卵石溝豁遍布，失去了種植農(nóng)作物的基礎(chǔ)條件; 砌石護(hù)岸與砌石堵口鎖壩等水利工程，破壞嚴(yán)重，成為亂石灘難以維修，只能重建;其它未來(lái)得及轉(zhuǎn)移的糧食124 萬(wàn)kg、牲畜禽類(lèi)6 200多頭( 只) 、農(nóng)機(jī)具9 400多臺(tái)( 件) 、居民家俱55 000多件和群眾家用等物資設(shè)備，只呼瑪縣初步統(tǒng)計(jì)凌汛損失價(jià)值折合人民幣當(dāng)時(shí)價(jià)在1 090萬(wàn)元以上，占全縣總損失價(jià)值的79%。

2 冰壩成因分析

黑龍江上游易形成冰壩的因果關(guān)系有諸多方面，概括來(lái)說(shuō)主要是河流地理位置及河流走向、河道形態(tài)、熱力因素和水流動(dòng)力因素。而一定的冰量和水量則是形成冰壩最主要的因素，大氣降水以及冰和水的量變表現(xiàn)在水力機(jī)械作用的大小并與熱力有關(guān)，若熱力因子的氣溫升高，可促使積雪融化，降雪轉(zhuǎn)為降水，形成雪水徑流，成為水流動(dòng)力因素，極利于冰壩形成。但只對(duì)江冰來(lái)講，氣溫高，熱力因素大，可促進(jìn)冰層解體消融，冰壩則不易于形成。

黑龍江上游的冰壩多屬河床阻塞型，形成冰壩的主要原因有:

2.1 地理位置

呼瑪縣是位于N47°以北的寒溫帶河流，北源石勒喀河長(zhǎng)1 660 km，集流面積20.09 萬(wàn)km2，自西南流向東北，南北跨過(guò)5個(gè)緯度，緯距在560 km左右。南源額爾古納河長(zhǎng)1 542 km，集水面積16.97 萬(wàn)km2，由南向北流，南北跨過(guò)7個(gè)緯度，緯距784 km。

兩河在洛古河村上游9 km處匯流始稱(chēng)黑龍江，先呈西東流向，后漸次轉(zhuǎn)向南下，由高緯度向低緯度蜿蜒穿行于大興安嶺東坡谷底，又跨過(guò)4個(gè)緯度，緯距400 km，至黑河市對(duì)岸的結(jié)雅河口，全長(zhǎng)905 km為江之上游，呼瑪縣即位于此段之中。

宏觀兩源與江道的流向布局，構(gòu)成一個(gè)南部未封閉的半圓形式，恰似向北凸進(jìn)的馬啼狀，左右兩側(cè)流向相悖，正北方在53°線(xiàn)以北流向又幾乎平行于緯度。而且沿途河系發(fā)達(dá)，狀似蛛網(wǎng)，入江匯流甚多。亦即，本河段由低緯度流向高緯度又流向低緯度，從寒溫帶流到亞寒溫帶后又流向寒溫帶，這是造成黑龍江上游歷年“倒開(kāi)江”及冰凌卡塞的決定因素。

2.2 河道形態(tài)

微觀江道的局部區(qū)段，則千差萬(wàn)別，變化多端，U字型、S 型、環(huán)狀型的流向形態(tài)，淺灘多、島嶼多、岔流多的江道特征，較為典型突出。不少江道急彎轉(zhuǎn)折處都＜90°，有名的40 里灣和80 里灣子，江道都是迂回環(huán)行狀，若是將上下游臨近處裁灣取直，兩處的直距則分別為900 m與400 m左右，因山勢(shì)阻隔而環(huán)繞幾十km。自漠河縣的洛古河村至呼瑪縣四克金淺灘的778 km江道上，有急灣與峽谷、島嶼和淺灘上千處、支岔分流更是難以計(jì)數(shù)。僅縣轄區(qū)385 km的江道中就有島嶼105個(gè)單島、淺灘阻流50 多處，大小急灣與長(zhǎng)短狹谷170 余處，灣與谷累計(jì)長(zhǎng)度占全縣江道總長(zhǎng)的85%以上，其余沿山腳與較開(kāi)闊地段上的漫灣環(huán)狀江道也隨處可見(jiàn)。河道彎曲，寬窄相間，河道紊亂，島嶼串聯(lián)，多河心島和汊流，水深沿程變化急劇，比降落差大，復(fù)雜的江道形態(tài)特征，凌汛期也孕育了冰凌卡塞或促成冰壩的必然趨勢(shì)。

2.3 熱力因素

在漫長(zhǎng)的冬季，江河受西伯利亞冷空氣高低壓控制，封凍期長(zhǎng)達(dá)150 ～170 d，冰厚都在1.50 m左右，最厚可＞1.80 m。一般是緯度越高，氣溫越低，冰層越厚，封凍最早，開(kāi)融最晚。

氣溫變化反映在冰壩年份的具體特征為:

1) 前冬氣溫較低，促使冰層加厚，凍結(jié)厚度過(guò)強(qiáng)。如1957、1958、1960年，前冬低溫曾達(dá)－45 ℃以下，開(kāi)江時(shí)冰塊大且厚，不易暢通，形成冰壩。

2) 臨界開(kāi)江期氣溫升降變化急劇，溫差變幅過(guò)大，易于徑流匯集后的壓力澎漲沖開(kāi)堅(jiān)硬的冰層。如1960年春4月流域區(qū)內(nèi)氣溫曾回升到25 ℃，又下降至零下10 ℃，升降變幅達(dá)35 ℃以上，促成上游10多處卡塞，發(fā)展為梯級(jí)型冰壩。

3)4月中旬上游江河流域出現(xiàn)強(qiáng)暖脊氣流控制局部地區(qū)、加速積雪融化，形成大量徑流入江，促成倒開(kāi)江形勢(shì)。如1985年上游全段是自上而下逐段開(kāi)江。

4) 同樣氣溫同一光輻射的熱力條件下，受地貌條件影響，冰面受熱不均，開(kāi)闊地大于狹谷，朝陽(yáng)面大于背陰面，融冰脫解時(shí)，也有很大差異。如每年都出現(xiàn)的冰凌卡塞，這種現(xiàn)象較普遍。

2.4 動(dòng)力條件

水量與冰量在冰壩形成中占主導(dǎo)地位。根據(jù)歷次冰壩年水量與冰量的情況，都分別有其不同的具體反映，可概括為3 種形式:

1) 秋季降水量大，造成江河封凍水位較高。1960年春發(fā)生大范圍冰壩時(shí)，前冬的封江水位曾比正常年份高出1.50 m以上，結(jié)冰厚度也較常年增加0.10 m左右。

2) 冬春降雪過(guò)程多，河槽與地面蓄積量大，融雪期容易出現(xiàn)大的徑流匯入江中，加劇江面冰層局部脫節(jié)，滑動(dòng)堵塞。

3) 臨近開(kāi)江期上游有量大而普遍的降雨( 雪)后，升溫回暖的天氣接踵而至，地面還處于凍結(jié)狀態(tài)，形成不透水層，造成雨雪徑流與融雪徑流集中的良好條件。增大江中水流的機(jī)械動(dòng)力，引發(fā)冰層的被動(dòng)突變，致使冰壩產(chǎn)生。如1985年4月中上旬，在上游的N53°以北，E120° ～E126°普降大雪，俄羅斯的亞洲部份，包括石勒喀河流域，地面積雪深度達(dá)1.50 m，接著是氣溫突變轉(zhuǎn)暖，當(dāng)下游還在漸暖之時(shí)，而上游漠河一帶白天最高氣溫已升至20 ℃以上，大量的雪水徑流使江倒開(kāi)，造成大范圍冰壩13 處之多。

冰壩的成因主要決定于河槽蓄水量( 冰量) ，融雪和融凍期降雨徑流量，可用水量平衡方程表示為:

式中: W冰為冰壩凌汛總水量，m3; μ冰(水)為河槽凍結(jié)蓄冰量和蓄水量，m3; μ雪為融雪水量，m3; μ雨為融凍期降雨徑流量，m3。

寒冷地區(qū)河流的冰壩凌汛，流域融雪和降雨起決定作用。

3 冰壩形成條件分析

冰壩成因中動(dòng)力條件和熱力因素是可變的，根據(jù)呼瑪縣凌汛資料分析，對(duì)可變因素歸結(jié)為6 種規(guī)律性概念指標(biāo)。

1) 上年秋末江河封凍水位超過(guò)歷年同期均值＞0.5 m。

2) 江河解凍前流域區(qū)內(nèi)有大范圍降雨( 雪) 量＞30 ～50 mm。

3) 最上游的洛古河與漠河等地春季江水位穩(wěn)定回升幅度≥3.5 m。

4) 江之兩源約38 萬(wàn)km2區(qū)內(nèi)，4月中旬前后出現(xiàn)強(qiáng)暖脊氣團(tuán)。長(zhǎng)時(shí)間控制、日平均氣溫穩(wěn)定轉(zhuǎn)正10 d左右、其中5 ℃穩(wěn)定通過(guò)5 ～7 d以上。

5) 冰層厚度在1.5 m左右，超規(guī)律提前開(kāi)江，冰塊體積大強(qiáng)度硬，無(wú)潰散跡象。

6) 時(shí)間在4月25日之前，上游即發(fā)生斷續(xù)脫節(jié)滑動(dòng)。

逢冰壩年，該6 項(xiàng)指標(biāo)并非全部具備，也不可能單一湊效，但水是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，往往是降雨( 雪) 與氣溫影響著水量，水量與氣溫又關(guān)系到冰情，加之江道的形態(tài)特征與地理位置多方面因素的相繼影響互為作用，而出現(xiàn)束狹阻塞型、淺灘擱置型和彎道堆積型等類(lèi)型冰壩。

此外，還有一種未引起人們重視的人為漸變間接因素，尤如促凝劑，給冰壩形成雪上添霜。即: 在上游江源及沿途大小支流的深廣地區(qū)，從20 世紀(jì)60年代開(kāi)始，大面積森林被逐年采伐，部份連片處女荒被不斷墾殖變成耕地。這種人為的社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)，改變了原有的生態(tài)平衡，破壞了森林地這座“天然水庫(kù)”與地表良性植被的貯水功能，使地表產(chǎn)流速度加劇、徑流匯集急促，豐富的水量在單位時(shí)間內(nèi)傾泄于江、形成勢(shì)猛的水動(dòng)力。在“倒開(kāi)江”發(fā)生冰壩的時(shí)間上，50年代之前，絕大多數(shù)都在5月初旬，50年代末期開(kāi)始，基本上都提前至4月下旬。這種時(shí)間規(guī)律的演變，也存在漸變的間接因素。當(dāng)然此一點(diǎn)也不能排除“溫室內(nèi)效應(yīng)”現(xiàn)象的出現(xiàn)和“全球氣候轉(zhuǎn)暖”的事實(shí)說(shuō)法。據(jù)此種種，便是成為黑龍江上游多發(fā)性歷史冰壩生成的根本原因。

4 結(jié) 論

當(dāng)河道出現(xiàn)冰壩時(shí)，縮窄了過(guò)流斷面，增加了水流阻力，形成冬季特點(diǎn)的河床演變［5］。以上分析4個(gè)成因中可以歸納為地理位置、河流形態(tài)為固定邊界條件，即具有較高的冰蓋潛在阻力河段的存在以及河槽過(guò)冰能力不足的河段; 熱力因素和動(dòng)力條件是可變因素，冰量條件，即上游河段必須有足夠數(shù)量和強(qiáng)度的來(lái)冰量; 水量條件，即水流速度的大小，水位的高低，是冰凌輸移的能量和動(dòng)量源，即上游河段流速必須達(dá)到某個(gè)范圍，才能攜帶大量冰塊向下游輸送。

［1］高霈生，靳國(guó)厚. 中國(guó)北方寒冷地區(qū)河冰災(zāi)害調(diào)查與分析［J］. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究學(xué)報(bào)，2003，01( 02) :159－164.

［2］崔泰昌，王景堂，吳村玲. 萬(wàn)家寨引黃工程南干連接段汾河河道冰期輸水能力及冰情分析［J］. 山西水利科技，1999(02) :46 －49.

［3］內(nèi)蒙古自治區(qū)防凌指揮部，水文總站. 內(nèi)蒙古自治區(qū)黃河凌汛基本資料［Z］. 呼和浩特:內(nèi)蒙古自治區(qū)防凌指揮部，水文總站，1973.

［4］肖迪芳. 黑龍江中上游歷史冰壩凌汛資料匯編［G］. 黑河:黑龍江省黑河水文勘測(cè)大隊(duì)，1988.

［5］雷鳴，高治定.2007—2008年黃河寧蒙河段凌汛成因分析［J］. 黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào)，2011，02(04) :37 －42.

［6］王軍，聶杰. 河流冰期水位研究［J］. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，26 (02) :69 －72.