田福昌 王艷鵬 王秀杰

摘 要：針對(duì)黃河寧蒙段凌汛災(zāi)害頻繁發(fā)生、災(zāi)害損失嚴(yán)重、風(fēng)險(xiǎn)防控困難等問題，通過歷史凌汛災(zāi)害資料分析與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研考察，研究了黃河寧蒙段凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)分類及其分布特征。凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)主要分為壅水漫灘風(fēng)險(xiǎn)、穿堤溝渠凌洪倒灌風(fēng)險(xiǎn)、凌洪漫潰堤風(fēng)險(xiǎn)和工程設(shè)施破壞風(fēng)險(xiǎn)，三湖河口至頭道拐河段的冰塞冰壩壅水漫灘風(fēng)險(xiǎn)與凌洪漫潰堤風(fēng)險(xiǎn)比較大，寧夏段穿堤溝渠凌洪倒灌風(fēng)險(xiǎn)大于內(nèi)蒙古段的，不同類別凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)的分布具有險(xiǎn)點(diǎn)多、險(xiǎn)段長(zhǎng)、影響范圍廣等特征。

關(guān)鍵詞：凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn);壅水漫灘;溝渠倒灌;凌洪漫潰堤;冰塞冰壩;黃河寧蒙段

Abstract：Aiming at the frequent occurrence of ice flood disasters， serious disaster losses and difficulties in risk prevention and control in the Ningxia-Inner Mongolia Reach of the Yellow River （NMRYR）， the classification and distribution characteristics of ice flood risk in the NMRYR were studied through disaster data analysis and field investigation. The results show that the ice flood risk is mainly divided into the risk of riverbank inundation caused by backwater， the risk of backward flow in dike-through drainage ditches， the risk of overflow and levee-breach ice flood and the risk of damage to engineering facilities. The risk of riverbank inundation caused by backwater and overflow and levee-breach ice flood in the reach of Sanhuhekou-Toudaoguai is higher than other reaches. The risk of backward flow in dike-through drainage ditches in Ningxia section of the Yellow River is greater than that in Inner Mongolia section. The ice flood risk distribution has the characteristics of many danger points， long danger section and wide influence range.

Key words： ice flood risk; riverbank inundation caused by backwater; backward flow in dike-through drainage ditches; overflow and levee-breach ice flood; ice jam and ice dam; Ningxia-Inner Mongolia reach of Upper Yellow River

凌汛是冰凌堆積堵塞產(chǎn)生水流阻力引起江河水位明顯上漲的一種水文現(xiàn)象，“伏汛易搶、凌汛難防，凌汛決口、河官無(wú)罪”道出了黃河凌汛為災(zāi)害防御難度之最。黃河寧蒙段地處黃河流域最北端，河段全長(zhǎng)1 203.8 km，整體呈Γ字形大河灣，受特殊的地理位置和水文氣象條件影響，黃河寧蒙段凌汛災(zāi)害頻繁發(fā)生并造成嚴(yán)重?fù)p失，凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)的科學(xué)防控困難但至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)冰凌演變機(jī)理與凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)分析方法開展了大量研究工作，取得了較為豐富的研究成果。Shen等[1-2]通過冰蓋生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了表面冰輸移受阻形成冰塞冰壩過程的模擬;Beltaos[3-4]提出了冰塞洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，并根據(jù)冰塞洪水前后的觀測(cè)資料量化了氣候變化和水庫(kù)調(diào)節(jié)對(duì)冰塞洪水發(fā)生頻率的影響;茅澤育等[5]總結(jié)了河冰形成、演變、輸移、堆積、消融和破碎沖蝕等的研究現(xiàn)狀;郜國(guó)明等[6-7]梳理了國(guó)內(nèi)外河冰基礎(chǔ)理論、冰凌原型觀測(cè)和凌情預(yù)報(bào)等方面的研究現(xiàn)狀，總結(jié)分析了黃河近年來洪水特點(diǎn)及水庫(kù)運(yùn)用實(shí)踐;郭立兵等[8]根據(jù)歷年凌汛期實(shí)測(cè)凌情數(shù)據(jù)與災(zāi)害統(tǒng)計(jì)信息，分析研究了黃河寧蒙段凌汛致災(zāi)影響因素及災(zāi)害演變的特點(diǎn);楊開林等[9]根據(jù)冰塞演變機(jī)理，利用實(shí)測(cè)資料模擬了冰塞的形成發(fā)展過程;王軍等[10-11]梳理了河流冰塞數(shù)值模擬與冰水力學(xué)研究進(jìn)展，提出了較為系統(tǒng)的河冰數(shù)值模型理論;李超等[12-13]通過河冰野外觀測(cè)，研究了河道冰凌生消演變特性，并利用DynaRICE模型模擬了三湖河口彎道河冰生長(zhǎng)、輸移、堆積及冰蓋發(fā)展的過程;苑希民等[14-17]系統(tǒng)研究了河道-泛區(qū)一二維耦合與全二維水動(dòng)力耦合模型，分析了黃河寧蒙段凌汛災(zāi)害的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，并提出了冰塞險(xiǎn)情診斷、凌汛堤防險(xiǎn)工段評(píng)價(jià)與凌洪潰堤風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等系列方法。綜合國(guó)內(nèi)外研究成果，目前鮮有學(xué)者系統(tǒng)研究黃河寧蒙段凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)分類及其分布特征。因此，筆者根據(jù)歷史凌汛災(zāi)害資料與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研考察結(jié)果，分析黃河寧蒙段凌汛災(zāi)害的主要成因，并在此基礎(chǔ)上分析凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)類別，重點(diǎn)研究黃河寧蒙段冰塞冰壩壅水漫灘、穿堤溝渠凌洪倒灌與凌洪漫潰堤淹沒風(fēng)險(xiǎn)的分布特征，以期為黃河凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估與防凌減災(zāi)方案的制定提供支持。

1 黃河凌汛災(zāi)害主要成因

黃河寧蒙段冬季流凌、封河一般首先發(fā)生在三湖河口至頭道拐河段，受氣溫驟降影響，自下游至上游逐漸封河，河道內(nèi)儲(chǔ)蓄一定流冰和積冰，流冰、冰蓋和水流多相流相互作用，阻塞河道，從而導(dǎo)致上游來水下泄不暢，河槽蓄水量增加;之后隨著氣溫逐漸回升，自上游至下游順次開河，在上游來水、河槽釋放蓄水以及融冰水作用下下游冰蓋受力開裂，產(chǎn)生的凌汛洪水挾帶著大量冰塊，流經(jīng)狹窄彎曲河道時(shí)易形成冰塞冰壩，造成凌汛災(zāi)害。

通過凌汛災(zāi)害形成及其演變過程分析認(rèn)為，凌汛災(zāi)害主要成因包括熱力環(huán)境、動(dòng)力因素、邊界條件和人類活動(dòng)等。其中：熱力環(huán)境主要表現(xiàn)為太陽(yáng)輻射、氣溫與水溫變化等，氣溫變化受太陽(yáng)輻射影響，太陽(yáng)輻射和氣溫影響河道水溫的變化，因此氣溫是凌汛災(zāi)害演變的主要熱力因素;動(dòng)力因素包括流量、水位、流速及槽蓄水增量等，流速影響冰蓋的輸移、下潛和卡塞等過程，水位的漲落則與封開河形勢(shì)密切相關(guān)，若水位平穩(wěn)則易形成“平封”和“文開河”，若水位漲落強(qiáng)度較大則易形成“立封”和“武開河”，槽蓄水增量是開河期凌峰流量的主要影響因素，凌汛期流量變化和凌峰流量大小對(duì)凌汛災(zāi)害形成與演變具有重要影響;邊界條件包括河道的平面位置、走向、比降、縱橫斷面特征等，河道邊界條件影響河冰輸移過程，是冰塞冰壩形成及演變的主要影響因素;人類活動(dòng)主要包括水庫(kù)調(diào)度、堤防與河道整治工程、分凌區(qū)聯(lián)合調(diào)控等，黃河上游龍羊峽、劉家峽等水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，黃河寧蒙段河道整治工程的實(shí)施以及分凌區(qū)應(yīng)急調(diào)控，是凌汛災(zāi)害防御與應(yīng)急搶險(xiǎn)的重要措施。

2 凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)分類

根據(jù)黃河寧蒙段歷史凌情及凌汛災(zāi)害發(fā)生情況，黃河內(nèi)蒙古段（長(zhǎng)680 km）基本年年封河，而黃河寧夏段存在不穩(wěn)定封河河段，寧夏河段歷史最大封河長(zhǎng)度為260 km，青銅峽庫(kù)尾以及葉盛黃河大橋至萬(wàn)家寨庫(kù)尾河段（長(zhǎng)度約940 km）屬于凌汛災(zāi)害易發(fā)區(qū)域，冰塞冰壩災(zāi)害多發(fā)生在三湖河口至頭道拐河段，見圖1。凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)一般分為4類，即凌汛壅水漫灘風(fēng)險(xiǎn)、穿堤溝渠淩洪倒灌風(fēng)險(xiǎn)、凌洪漫潰堤風(fēng)險(xiǎn)和工程設(shè)施破壞風(fēng)險(xiǎn)。其中：凌汛壅水漫灘風(fēng)險(xiǎn)主要是冰塞冰壩降低了河槽過流能力，因凌汛水位升高而淹沒灘地，造成灘區(qū)居民受災(zāi)與農(nóng)田經(jīng)濟(jì)損失;穿堤溝渠凌洪倒灌風(fēng)險(xiǎn)是指黃河凌汛水位壅高，使得凌汛洪水倒灌兩岸灌區(qū)穿堤排水溝渠尤其是無(wú)閘控溝渠，淹沒灌區(qū)耕地，同時(shí)造成穿堤溝渠護(hù)坡護(hù)岸等工程凍脹破壞;凌洪漫潰堤風(fēng)險(xiǎn)屬于極端條件下發(fā)生的重大凌汛風(fēng)險(xiǎn)，冰塞冰壩壅水長(zhǎng)時(shí)間偎堤淘刷，冰壩潰決或開河期凌洪流速與水位陡漲陡落等均可能加劇堤防漫潰決險(xiǎn)情，從而造成重大凌災(zāi)損失;工程設(shè)施破壞風(fēng)險(xiǎn)主要包括凌汛洪水影響下的水閘與橋墩等工程設(shè)施凍脹破壞、堤防滲透與邊坡滑塌、丁壩與人字垛沉降等。不同類別凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)的分布具有險(xiǎn)點(diǎn)多、險(xiǎn)段長(zhǎng)、影響范圍廣等特征。

3 凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)分布特征

3.1 冰塞冰壩壅水漫灘風(fēng)險(xiǎn)分布特征

據(jù)歷史資料記載，黃河寧蒙段封開河期間基本年年發(fā)生凌汛壅水漫灘事件，如遭遇冰塞冰壩，壅水漫灘風(fēng)險(xiǎn)更加嚴(yán)峻，常造成灘區(qū)房屋進(jìn)水、農(nóng)田淹沒、堤防偎水、工程設(shè)施冰凍破壞等。1993—1994年度凌汛期黃河內(nèi)蒙古段80%河灘地遭受凌洪淹沒，壅水偎堤長(zhǎng)度占堤防總長(zhǎng)的86%;2007—2008年度凌汛期黃河寧夏段河灘地淹沒約1.33萬(wàn)hm2，塌毀嚴(yán)重。基于黃河寧蒙段2012年伏汛后的遙感影像數(shù)據(jù)提取河槽與灘區(qū)信息，見圖2。黃河寧夏段與內(nèi)蒙古段灘區(qū)面積分別約為300、1 500 km2，其中內(nèi)蒙古下游河段灘區(qū)有居民長(zhǎng)期居住，凌汛冰塞冰壩壅水漫灘將淹沒大量農(nóng)田，嚴(yán)重威脅灘區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

3.2 穿堤溝渠凌洪倒灌風(fēng)險(xiǎn)分布特征

黃河寧蒙段冰塞冰壩壅水導(dǎo)致穿堤溝渠凌洪倒灌現(xiàn)象頻繁發(fā)生，比如黃河寧夏段，2004—2007年凌汛期穿堤建筑物嚴(yán)重?fù)p壞數(shù)量分別為60、18、34座，水利工程設(shè)施損害嚴(yán)重。穿堤建筑物尤其是無(wú)閘控堤段常遭受流凌撞擊與冰凍破壞，造成閘槽凍裂變形、閘門漏水、溝渠堤防或護(hù)坡護(hù)岸工程發(fā)生冰水凍脹破壞，同時(shí)穿堤建筑物破壞了堤防的完整性，涵洞洞身與堤防滲徑縮短，遭遇大洪水時(shí)易滲水塌毀。據(jù)統(tǒng)計(jì)，黃河寧蒙段兩岸共建有穿堤建筑物1 215座[18]（見表1），為了減少穿堤建筑物凌洪安全隱患，黃河寧蒙段近期防洪工程建設(shè)中規(guī)劃合并后的穿堤建筑物數(shù)量為633座。該河段兩岸灌溉溝渠、取水口與水閘分布情況見圖3。由表1、圖3可知，寧夏段穿堤建筑物數(shù)量明顯多于內(nèi)蒙古段的，且多為無(wú)閘控的穿堤渠涵、溝涵和橋涵，內(nèi)蒙古段穿堤溝渠均有水閘控制，寧夏段穿堤溝渠凌洪倒灌風(fēng)險(xiǎn)更大。當(dāng)遭遇突發(fā)性極端天氣時(shí)，冰塞冰壩將大幅壅高水位，加劇穿堤溝渠凌洪倒灌風(fēng)險(xiǎn)，造成嚴(yán)重凌汛災(zāi)害損失。

3.3 凌洪漫潰堤淹沒風(fēng)險(xiǎn)分布特征

據(jù)歷史凌汛災(zāi)害資料記載，1986年以來，黃河寧蒙段封開河期間至少發(fā)生12次堤防決口事件，主要發(fā)生于1990年2月、1993年12月、1994年3月、1996年3月、2001年12月和2008年3月，歷史潰口位置分布在達(dá)拉特旗大樹灣段、三盛公攔河閘下游河段、達(dá)拉特旗烏蘭段、蒲圪卜段、烏達(dá)公路橋上游河段、達(dá)拉特旗烏蘭鄉(xiāng)萬(wàn)新林場(chǎng)段、杭錦旗獨(dú)貴特拉奎素段等，潰口寬度為30～100 m，歷史上凌汛潰堤均造成了嚴(yán)重的淹沒影響與災(zāi)害損失，潰口位置與凌洪淹沒范圍見圖4。極端天氣條件下，黃河寧夏段可能遭受凌洪漫堤淹沒風(fēng)險(xiǎn)，但潰堤概率較小，而黃河內(nèi)蒙古段凌洪堤防漫決或潰決風(fēng)險(xiǎn)均較大，堤防險(xiǎn)段或防凌薄弱點(diǎn)較多且呈空間非連續(xù)性分布。

受凌汛期冰塞冰壩壅水影響，凌洪漫灘導(dǎo)致堤防長(zhǎng)期偎水，比如2019—2020年度凌汛期黃河內(nèi)蒙古段堤防最大偎水長(zhǎng)度327.90 km（見表2），凌洪對(duì)堤防的沖刷淘蝕與長(zhǎng)時(shí)間浸泡，增大了堤防漫潰決風(fēng)險(xiǎn)。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研考察結(jié)果，確定可能的潰（漫）堤位置及凌洪淹沒范圍，見圖4。分析可知，黃河內(nèi)蒙古段凌洪漫潰堤風(fēng)險(xiǎn)明顯大于寧夏段的，尤其三湖河口至頭道拐河段凌汛堤防險(xiǎn)段較多、潰堤淹沒風(fēng)險(xiǎn)大。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于黃河寧蒙段歷史凌情及凌汛災(zāi)害資料，系統(tǒng)分析了黃河寧蒙段凌汛形成過程及凌汛災(zāi)害主要成因，研究了封開河期間冰塞冰壩壅水引起的凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)類別，并在此基礎(chǔ)上分析了黃河寧蒙段凌汛壅水漫灘、穿堤溝渠凌洪倒灌與凌洪漫潰堤淹沒風(fēng)險(xiǎn)的整體分布特征，結(jié)果表明：黃河青銅峽水庫(kù)庫(kù)尾以及葉盛黃河大橋至萬(wàn)家寨水庫(kù)庫(kù)尾河段屬于凌汛災(zāi)害易發(fā)區(qū)域，長(zhǎng)度約940 km，凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)分布具有險(xiǎn)點(diǎn)多、險(xiǎn)段長(zhǎng)、影響范圍廣等特征;黃河寧蒙段冰塞冰壩壅水漫灘風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積約為1 800 km2，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域多位于三湖河口至頭道拐河段;黃河寧夏段穿堤溝渠凌洪倒灌風(fēng)險(xiǎn)大于內(nèi)蒙古段的，而內(nèi)蒙古段凌洪漫潰堤風(fēng)險(xiǎn)明顯大于寧夏段的，尤其三湖河口至頭道拐河段凌汛堤防險(xiǎn)段較多、潰堤風(fēng)險(xiǎn)更大，且凌汛堤防險(xiǎn)段或防凌薄弱點(diǎn)多呈空間非連續(xù)性分布。

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