韓璞璞，丁志宏，2，叢娜

（1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津300222；2.天津市中水科技咨詢有限責(zé)任公司，天津300170）

黃河寧蒙河段防凌形勢與對策措施芻議

韓璞璞1，丁志宏1，2，叢娜1

（1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津300222；2.天津市中水科技咨詢有限責(zé)任公司，天津300170）

由于特殊的地理位置和氣候條件，黃河寧蒙河段凌汛災(zāi)害威脅嚴(yán)重。在分析黃河寧蒙河段防凌形勢的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的對策措施，探討了其中的若干技術(shù)問題，以期為有關(guān)方面開展黃河寧蒙河段凌汛災(zāi)害的預(yù)防和處置工作提供技術(shù)參考。

黃河；寧蒙河段；凌汛；防災(zāi)減災(zāi)；泥沙；工程調(diào)度；冰凌模型

黃河寧蒙河段是指起自寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)縣南長灘、終至內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗馬柵鄉(xiāng)的黃河干流，全長1 203.8 km，其中峽谷段239.8 km、庫區(qū)段94.5 km、有治理任務(wù)的河段869.5 km，流經(jīng)25個市、縣（旗、區(qū)），地處黃河上游的最下段，海拔1 000—1 400 m，整體流向為自西南向東北流。寧蒙河段近年來的較大凌汛災(zāi)害主要發(fā)生在1988年12月的磴口縣糧臺鄉(xiāng)段、1990年2月的達拉特旗大樹灣段、1993年2月的烏前旗金星鄉(xiāng)白土圪卜段、1996年3月的烏海市黃柏茨灣段、2001年12月的烏達鐵路橋段、2003年9月的毛不浪孔兌段、2008年3月的杭錦旗獨貴特拉奎素段、2015年12月的清水河縣喇嘛灣段等。

寧蒙河段兩岸是我國西北地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模較大、灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展較為突出的區(qū)域之一，涉及耕地78.33萬hm2、人口356萬，寧夏回族自治區(qū)75%以上的糧食產(chǎn)量和90%以上的工業(yè)產(chǎn)值均來源于黃河左岸的引黃灌區(qū)，內(nèi)蒙古自治區(qū)最大的河套灌區(qū)、重要的工業(yè)基地和交通干線等均位于黃河兩岸，該地區(qū)的防凌安全直接關(guān)系到區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

1 防凌形勢

目前，寧蒙河段凌汛及其災(zāi)損情況主要表現(xiàn)在以下4個方面。

1.1 中水河槽萎縮嚴(yán)重，冰下過流能力急劇下降，凌災(zāi)加劇

寧蒙河段主流擺動劇烈，游蕩性河段較長，大部分屬于沖積性河道。20世紀(jì)80年代中期以來，龍羊峽、劉家峽等水庫群的聯(lián)合運用在很大程度上改變了該河段的天然徑流過程，水沙關(guān)系趨于不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致內(nèi)蒙古河段的中水河槽嚴(yán)重淤積萎縮，平灘流量由1986年前的3500～4 000 m3/s普遍降至1 500 m3/s左右，局部河段不足1 000 m3/s。在中水河槽萎縮的同時，冰下過流能力也不斷下降，致使槽蓄水增量不斷增加。槽蓄水增量在無水庫調(diào)節(jié)時的1950—1968年期間為7.3億m3，在劉家峽水庫單獨調(diào)節(jié)時的1968—1986年期間為9.4億m3，在龍羊峽、劉家峽兩庫調(diào)節(jié)后的1986—1995年期間為12.3億m3、1995—2000年期間為13.2億m3、2000—2008年期間為14.2億m3。槽蓄水增量的增加導(dǎo)致河道長時間在高水位運行，一旦氣溫回升幅度較大將使槽蓄水增量急劇釋放而極易造成冰塞、冰壩壅水水位升高而致使凌災(zāi)加劇。

1.2 防凌工程體系不完善，難以有效控制冰凌洪水

現(xiàn)狀寧蒙河段的防凌主要依靠上游的龍羊峽和劉家峽水庫、沿河兩岸的堤防工程、局部防凌應(yīng)急分洪工程等工程措施。

與寧蒙河段防凌有關(guān)的大型水庫是龍羊峽水庫、劉家峽水庫和海勃灣水庫。在內(nèi)蒙古河段開河期適當(dāng)減小劉家峽水庫泄量，可減輕防凌壓力。通過控制劉家峽水庫凌汛期下泄水量，使得寧蒙河段凌汛特點發(fā)生較為顯著的變化。劉家峽水庫的運用有效改善了凌汛熱力條件、動力條件，部分改變了河道邊界條件，對凌汛期防凌工作具有一定的積極作用。現(xiàn)狀，在調(diào)度運用方面的主要問題表現(xiàn)為防凌調(diào)度與發(fā)電、供水、灌溉等目標(biāo)之間的矛盾突出，龍羊峽、劉家峽兩庫不能對上游來水及槽蓄水增量實施有效控制。

2014年建成的海勃灣水庫對內(nèi)蒙古河段的防凌作用主要體現(xiàn)在以下2個方面：①在劉家峽水庫防凌調(diào)度的基礎(chǔ)上，進一步減小開河期進入內(nèi)蒙古河段的流量，降低冰塞冰壩的壅水水位，消除寧夏灌區(qū)引、退水造成的內(nèi)蒙古河段流量過程的不穩(wěn)定；②當(dāng)內(nèi)蒙古河段發(fā)生重大凌汛災(zāi)害時，海勃灣水庫可以應(yīng)急滯洪，減少凌災(zāi)損失，一旦堤防決口，可以減小下泄流量，為下游防凌贏得時間。但是，總體而言，海勃灣水庫由于庫容有限，目前尚難以從根本上解決內(nèi)蒙古河段凌汛期的防凌安全問題。

《黃河內(nèi)蒙古防凌應(yīng)急分洪工程可行性研究報告》提出在內(nèi)蒙古河段左右岸設(shè)置烏蘭布和、河套灌區(qū)及烏梁素海、杭錦淖爾、蒲圪卜、昭君墳、小白河6個分洪區(qū)，設(shè)計總分洪庫容為4.59億m3，但相應(yīng)的退水設(shè)施不完善，使得大部分分洪水量無法退入黃河，影響黃河水資源配置與調(diào)度。總體來說，目前寧蒙河段的水庫、堤防和分洪設(shè)施的聯(lián)合防凌調(diào)度機制尚未形成。

1.3 堤防工程標(biāo)準(zhǔn)低，洪凌災(zāi)害隱患多、風(fēng)險大

寧蒙河段干流堤防大部分是在20世紀(jì)50年代開始建設(shè)的，后雖經(jīng)多次加高、培厚，但干流堤防河長中仍有71%高度不足、62%寬度不足，堤防質(zhì)量差、布局欠合理，主流擺動劇烈且游蕩性強的問題未能得到有效控制，中常洪水極有可能沖決大堤；加之堤防上遍布1 000余座穿堤建筑物，導(dǎo)致防凌工程存在諸多安全隱患。整體來看，河防工程標(biāo)準(zhǔn)仍然較低，防凌風(fēng)險依然較大。

1.4 凌情監(jiān)控預(yù)報手段不完善，冰凌預(yù)報技術(shù)有待提高

寧蒙河段現(xiàn)狀水文測報設(shè)施自動化程度不高，水文測站數(shù)量少，河道大斷面測驗頻次不高，冬季氣溫預(yù)報的項目、精度和時效不能滿足冰情預(yù)報工作的需要。近年來，受氣候變化、人類活動等多方面的影響，寧蒙河段的凌情特點發(fā)生了明顯變化，出現(xiàn)了許多新的特點；同時，寧蒙河段的冰情規(guī)律也發(fā)生了明顯變化，凌汛對于沿河的災(zāi)害威脅日益增大，防凌的任務(wù)越來越重，防凌調(diào)度、搶險保安的要求越來越高，需要更有效的冰凌預(yù)報系統(tǒng)的支持?，F(xiàn)有冰凌預(yù)報模型尚不能客觀地反映黃河冰凌的變化特點尤其是冰凌變化的物理過程，因而其預(yù)報精度不高，不能滿足黃河防凌的實際需要。

2 對策措施

基于上述寧蒙河段現(xiàn)狀防凌情勢，根據(jù)《黃河流域綜合規(guī)劃（2012—2030年）》，按照“上控、中分、下排”的寧蒙河段防凌對策總體思路，應(yīng)進一步完善寧蒙河段的防凌工程體系，提出龍羊峽、劉家峽、海勃灣等干流水庫的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方式，開展水利工程防凌聯(lián)合運用、冰凌預(yù)報數(shù)學(xué)模型、應(yīng)急破冰技術(shù)研究，以期恢復(fù)或維持內(nèi)蒙古河段中水河槽的行洪能力，實現(xiàn)減輕寧蒙河段凌汛災(zāi)害的目標(biāo)。相應(yīng)的對策措施可簡要闡述如下。

2.1 防凌工程調(diào)度研究

2.1.1 水庫群防凌調(diào)度研究

開展水庫防凌調(diào)度是緩解和改善目前寧蒙河段防凌問題的主要途徑，通過分析凌汛變化規(guī)律，研究龍羊峽水庫、劉家峽水庫、海勃灣水庫的聯(lián)合防凌調(diào)度技術(shù)，進而制定科學(xué)合理的水庫群防凌調(diào)度運用方式，主要研究內(nèi)容包括：①收集和整理龍羊峽、劉家峽兩庫以及海勃灣水庫建成以來的防凌調(diào)度基本資料和數(shù)據(jù)，重點總結(jié)龍羊峽、劉家峽兩庫近40 a來的防凌調(diào)度經(jīng)驗，分析龍羊峽、劉家峽兩庫防凌調(diào)度中存在的問題，分析海勃灣水庫建成以后的新形勢下的水庫群防凌調(diào)度優(yōu)化運用的可行性；②研究上游水庫群防凌調(diào)度的防凌庫容、調(diào)度方式、控泄流量、控泄時機等關(guān)鍵技術(shù)，充分挖掘水庫群防凌優(yōu)化調(diào)度的潛力；③根據(jù)凌汛期不同階段的凌汛特點，考慮不同的工程條件組合，研究減少槽蓄水增量的調(diào)度運用方式及其影響；④考慮必要的應(yīng)急調(diào)度措施，結(jié)合典型年分析，提出不同頻率和條件下的凌汛洪水的合理安排方案意見。

2.1.2 防凌應(yīng)急分洪工程調(diào)度研究

結(jié)合黃河寧蒙河段凌災(zāi)特點及地形與河道堤防條件，確定烏蘭布和、河套灌區(qū)及烏梁素海、杭錦淖爾、蒲圪卜、昭君墳、小白河6個防凌應(yīng)急分洪工程的調(diào)度原則，研究其運用方式，分析防凌分洪工程與上游水庫的防凌調(diào)度運用之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。

2.1.3 防凌工程系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度研究

基于水庫、分洪區(qū)、堤防等不同功能類型的防凌工程，結(jié)合其空間布局，考慮不同頻率和條件下的凌情特點，提出防凌工程系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案。

2.2 冰凌數(shù)學(xué)模型研究

目前，寧蒙河段冰凌預(yù)報模型主要是基于相關(guān)性分析的統(tǒng)計模型，包括統(tǒng)計相關(guān)預(yù)報模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報模型，預(yù)報的主要內(nèi)容有流凌日期、封河日期、開河日期、開河洪峰流量、最大十日水量等項目。統(tǒng)計模型只能用于對特征要素的預(yù)報且不確定性較大，由于涉及到水動力學(xué)、熱力學(xué)等物理機制，冰厚、冰塞、冰壩、槽蓄水增量等凌情過程與要素的預(yù)報是難以采用統(tǒng)計分析模型來加以開展的。在防凌調(diào)度越來越趨于實時化的發(fā)展態(tài)勢下，目前的冰凌預(yù)報現(xiàn)狀已日益不能滿足黃河防凌工作的實際需要。

寧蒙河段冬季的氣溫預(yù)報是冰情預(yù)報的主要參數(shù)之一。氣象部門僅能提供常規(guī)的預(yù)報內(nèi)容，其預(yù)報項目、精度和時效均遠不能滿足冰情預(yù)報的需要。寧蒙河段的冰情預(yù)報要求具有7～10 d的預(yù)見期，以便于上游水庫的防凌調(diào)度，而氣象部門目前尚不能提供此項預(yù)報服務(wù)。冰情的滾動預(yù)報要求有滾動的氣溫預(yù)報作為輸入，若等待氣象部門的氣溫預(yù)報，則在時效上不能滿足冰情預(yù)報需要。

開展冰凌數(shù)學(xué)模型研究工作，需要進行冰情專項監(jiān)測、建立河道地形模型、開發(fā)數(shù)學(xué)模型等工作。

2.2.1 冰情專項監(jiān)測

目前，冰情監(jiān)測項目僅有沿河水文站的一般冰情觀測，各水文站控制河長較長，可達數(shù)百公里，河道冰情要素信息獲取的時間頻次和空間頻次均較小，特別是在發(fā)生如河道內(nèi)冰塞、冰壩的形成、變化和消失等特殊冰情現(xiàn)象時，均不能及時獲得其信息，而這些信息的缺乏使得冰凌模型無法反映河道內(nèi)冰凌的沿程變化情況。因此，為了構(gòu)建有效的冰凌預(yù)報模型，有必要采取增加凌情觀測站點和加強巡測相結(jié)合的方式，并根據(jù)模型率定的需要，增設(shè)特殊凌情的觀測項目，以便為冰凌模型的開發(fā)和率定提供基本輸入和邊界數(shù)據(jù)。所需開展的專項冰情監(jiān)測項目主要有冰塞、冰壩的觀測，包括冰塞、冰壩的發(fā)生位置、時間、流量、壅水位、災(zāi)情以及冰塞、冰壩體的范圍、體積及厚度，冰塞、冰壩下過流能力，冰質(zhì)和冰孔隙率，冰情圖測繪等。

巡測工作可由兩個巡測隊分別跟蹤觀測封河上首和下首位置處的冰情特征，并及時上報冰情；開河期同樣由兩個巡測隊跟蹤觀測開河上、下界冰情和水情特征；若發(fā)生冰塞、冰壩則成立專門觀測組，在冰塞、冰壩發(fā)生地駐測，觀測整個冰情現(xiàn)象的產(chǎn)生、發(fā)展和消亡的全過程。

2.2.2 河道數(shù)字高程模型構(gòu)建

構(gòu)建河道地形數(shù)字高程模型是為冰凌模型提供邊界條件，用于計算水流演進和槽蓄水量變化。可通過對寧蒙河段的河道地形測量成果和數(shù)字地圖進行相應(yīng)處理和加工來構(gòu)建黃河寧蒙河段的河道數(shù)字高程模型。應(yīng)用包括電子地形和衛(wèi)星影像在內(nèi)的數(shù)字地形，一是獲取寧蒙河段的河勢以用于劃分模擬河段單元，二是揭示河道灘地地形地勢。在數(shù)字地形的支持下，可以通過冰凌模型計算的槽蓄水量的變化來反映河段水位，又可以通過實測水位來推算河段的槽蓄水量。

2.2.3 冰凌數(shù)學(xué)預(yù)報模型構(gòu)建

黃河寧蒙河段冰凌數(shù)學(xué)預(yù)報模型可包括河道流量演進模塊、河道冰凌模塊以及河道流量演進模塊與河道冰凌模塊的耦合。①河道流量演進模塊，以水文學(xué)方法為基礎(chǔ)，結(jié)合寧蒙河段河道地形模型，計算槽蓄水增量的沿程變化，動態(tài)模擬凌汛期槽蓄水量變化；②河道冰凌模塊，利用熱力學(xué)方法計算各河段單元水體的輻射熱交換、對流熱交換和傳導(dǎo)熱交換以及水冰熱量平衡，動態(tài)模擬流凌、封河、開河、冰塞、冰壩等冰情的時空發(fā)展過程，具體包括流凌形成子模塊（計算各個河段流冰形成時間和流冰量）、封河過程子模塊（計算各個河段封河時間）、封河發(fā)展子模塊（計算各個河段封河期冰蓋厚度、冰蓋下冰花侵蝕與堆積過程等）、開河模擬子模塊（計算各個河段開河時間、冰凌洪水釋放等）；③河道流量演進模塊與冰凌模塊的耦合，通過上述過程，動態(tài)模擬整個凌汛期寧蒙河段水流與冰凌的相互作用、水流變化條件下的冰凌演化過程。

2.2.4 中短期氣溫預(yù)報模型構(gòu)建

中短期氣溫預(yù)報模型的開發(fā)是為了實現(xiàn)寧蒙河段沿河各氣象站10 d內(nèi)的氣溫預(yù)報。氣溫預(yù)報是以國內(nèi)外的氣象部門的天氣模型的預(yù)報產(chǎn)品為初始依據(jù)，短期氣溫預(yù)報可采用中尺度天氣預(yù)報模式，獲得未來72 h的地面氣溫過程；中期預(yù)報在國內(nèi)外主要中期天氣預(yù)報模式的天氣形勢預(yù)報成果的基礎(chǔ)上，可采用多元統(tǒng)計方法建立日氣溫預(yù)報關(guān)系。但是，原始預(yù)報成果在應(yīng)用中可能會存在較大的誤差，需要進行修正，途徑有兩個：①在短期氣溫預(yù)報中，以歷史的氣溫預(yù)報成果和實況建立修正關(guān)系，對未來的短期氣溫預(yù)報成果進行修正；②在中期預(yù)報中，以歷史的天氣形勢和天氣要素預(yù)報產(chǎn)品與歷史氣溫實況建立數(shù)量關(guān)系，以實時的天氣形勢預(yù)報為因子，做出未來氣溫預(yù)報。

3 結(jié)語

由于特殊的地理位置和氣候條件，黃河寧蒙河段與黃河流域一樣具有水沙異源、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)的特點。1986年龍羊峽水庫運用后，龍羊峽、劉家峽兩庫汛期攔蓄洪水，降低了汛期水量和輸沙能力，加上遇到連續(xù)枯水及十大孔兌高含沙洪水入黃等因素，寧蒙河段河道淤積萎縮現(xiàn)象加重，部分河段成為地上懸河，河道行洪能力顯著降低，冰塞、冰壩阻水現(xiàn)象嚴(yán)重，成為黃河凌汛最為嚴(yán)重的河段，在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析原因，探討影響，開展相應(yīng)的對策措施研究是黃河寧蒙河段防凌減災(zāi)工作的重要內(nèi)容。

TV875；TV882.1

A

1004-7328（2017）06-0046-03

2017—09—12

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201101016）

韓璞璞（1985—），女，碩士，工程師，主要從事流域水利規(guī)劃咨詢工作。

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.06.013