黑龍江干流呼瑪縣冰凌災害調查及成因研究

李麗文

( 大連金州新區水利管理服務中心，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］，凌汛是我國北方寒冷地區的一種常見的水文現象，其變化規律取決于各種有關熱量和水力的變化，及河道形態、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鎮村屯和大面積良田，曾先后多次遭到凌汛重災的襲擊，災情特重的為1958、1960、1971、1985年，尤其1985年凌汛產生的冰壩，由于黑龍江上游特定的自然條件，形成了“倒開江”的形勢，出現了史所未見的特大凌汛。不但在上游段內疊起多處，而且下延至中游段的孫吳、遜克兩縣境內，給沿江各地帶來巨大損失。

1 冰凌災害

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

根據俄羅斯和中國一方水文觀測記載，黑龍江上游春季開始行凌，一般壅水高度＜6 m的卡塞型冰壩，幾乎每年都有出現，但構成災害較少; 壅水高度＞6 m造成一般性災害的冰壩，共發生22 a，平均3 ～4 a一次; 壅水高度＞8 m災害較重的冰壩發生16 a，平均4 ～5 a一次; 壅水高度＞9 m的重災冰壩發生8 a，平均近10 a一次; 上游段內帶普遍性，且呈梯級形成重災的大型冰壩共發生4 a，平均每20 a左右即有一次［4］。

呼瑪縣內江段大型冰壩常出現在龍站島、曙光、老卡、三合站、新街基和呼瑪鎮上下游一帶，易形成大型冰壩的江段總長度為150 km 左右，冰壩疊高水頭一般在6 ～8 m，最高達到15.81 m，每處冰壩堵塞的江段長度為5 ～15 km，最長達到42 km。有的年份冰壩分段接連形成，如同梯級水庫。冰壩持續時間一般為2 ～5 d，最長達12 d。在達到一定程度時多屬自然潰決，個別的也有人為的將其解體。

1985年凌汛冰壩是有記載以來最嚴重的一次，在905 km的上游段江道上，形成13 處超過一般的冰壩，呼瑪縣內新街基的冰壩最為嚴重。水頭高達15.81 m，水位超過新中國建立以來最高的1958年夏汛特大洪水位1.8 m，持續288 h 后才漸次解體潰決。

據事后察勘與調查統計，全村房屋建筑，除坡崗與高埠處部份，其它所剩無幾，被冰排洪水沖倒帶走的計8.5 萬m2; 耕地被沖毀0.19 萬hm2，耕作層被剝去10 ～20 cm深，流砂、卵石溝豁遍布，失去了種植農作物的基礎條件; 砌石護岸與砌石堵口鎖壩等水利工程，破壞嚴重，成為亂石灘難以維修，只能重建;其它未來得及轉移的糧食124 萬kg、牲畜禽類6 200多頭( 只) 、農機具9 400多臺( 件) 、居民家俱55 000多件和群眾家用等物資設備，只呼瑪縣初步統計凌汛損失價值折合人民幣當時價在1 090萬元以上，占全縣總損失價值的79%。

2 冰壩成因分析

黑龍江上游易形成冰壩的因果關系有諸多方面，概括來說主要是河流地理位置及河流走向、河道形態、熱力因素和水流動力因素。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在水力機械作用的大小并與熱力有關，若熱力因子的氣溫升高，可促使積雪融化，降雪轉為降水，形成雪水徑流，成為水流動力因素，極利于冰壩形成。但只對江冰來講，氣溫高，熱力因素大，可促進冰層解體消融，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1 660 km，集流面積20.09 萬km2，自西南流向東北，南北跨過5個緯度，緯距在560 km左右。南源額爾古納河長1 542 km，集水面積16.97 萬km2，由南向北流，南北跨過7個緯度，緯距784 km。

兩河在洛古河村上游9 km處匯流始稱黑龍江，先呈西東流向，后漸次轉向南下，由高緯度向低緯度蜿蜒穿行于大興安嶺東坡谷底，又跨過4個緯度，緯距400 km，至黑河市對岸的結雅河口，全長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，構成一個南部未封閉的半圓形式，恰似向北凸進的馬啼狀，左右兩側流向相悖，正北方在53°線以北流向又幾乎平行于緯度。而且沿途河系發達，狀似蛛網，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“倒開江”及冰凌卡塞的決定因素。

2.2 河道形態

微觀江道的局部區段，則千差萬別，變化多端，U字型、S 型、環狀型的流向形態，淺灘多、島嶼多、岔流多的江道特征，較為典型突出。不少江道急彎轉折處都＜90°，有名的40 里灣和80 里灣子，江道都是迂回環行狀，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，因山勢阻隔而環繞幾十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數。僅縣轄區385 km的江道中就有島嶼105個單島、淺灘阻流50 多處，大小急灣與長短狹谷170 余處，灣與谷累計長度占全縣江道總長的85%以上，其余沿山腳與較開闊地段上的漫灣環狀江道也隨處可見。河道彎曲，寬窄相間，河道紊亂，島嶼串聯，多河心島和汊流，水深沿程變化急劇，比降落差大，復雜的江道形態特征，凌汛期也孕育了冰凌卡塞或促成冰壩的必然趨勢。

2.3 熱力因素

在漫長的冬季，江河受西伯利亞冷空氣高低壓控制，封凍期長達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，凍結厚度過強。如1957、1958、1960年，前冬低溫曾達－45 ℃以下，開江時冰塊大且厚，不易暢通，形成冰壩。

2) 臨界開江期氣溫升降變化急劇，溫差變幅過大，易于徑流匯集后的壓力澎漲沖開堅硬的冰層。如1960年春4月流域區內氣溫曾回升到25 ℃，又下降至零下10 ℃，升降變幅達35 ℃以上，促成上游10多處卡塞，發展為梯級型冰壩。

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

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，開闊地大于狹谷，朝陽面大于背陰面，融冰脫解時，也有很大差異。如每年都出現的冰凌卡塞，這種現象較普遍。

2.4 動力條件

水量與冰量在冰壩形成中占主導地位。根據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年春發生大范圍冰壩時，前冬的封江水位曾比正常年份高出1.50 m以上，結冰厚度也較常年增加0.10 m左右。

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

3) 臨近開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，地面還處于凍結狀態，形成不透水層，造成雨雪徑流與融雪徑流集中的良好條件。增大江中水流的機械動力，引發冰層的被動突變，致使冰壩產生。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1.50 m，接著是氣溫突變轉暖，當下游還在漸暖之時，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，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

冰壩成因中動力條件和熱力因素是可變的，根據呼瑪縣凌汛資料分析，對可變因素歸結為6 種規律性概念指標。

1) 上年秋末江河封凍水位超過歷年同期均值＞0.5 m。

2) 江河解凍前流域區內有大范圍降雨( 雪) 量＞30 ～50 mm。

3) 最上游的洛古河與漠河等地春季江水位穩定回升幅度≥3.5 m。

4) 江之兩源約38 萬km2區內，4月中旬前后出現強暖脊氣團。長時間控制、日平均氣溫穩定轉正10 d左右、其中5 ℃穩定通過5 ～7 d以上。

5) 冰層厚度在1.5 m左右，超規律提前開江，冰塊體積大強度硬，無潰散跡象。

6) 時間在4月25日之前，上游即發生斷續脫節滑動。

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

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，從20 世紀60年代開始，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。這種人為的社會生產活動，改變了原有的生態平衡，破壞了森林地這座“天然水庫”與地表良性植被的貯水功能，使地表產流速度加劇、徑流匯集急促，豐富的水量在單位時間內傾泄于江、形成勢猛的水動力。在“倒開江”發生冰壩的時間上，50年代之前，絕大多數都在5月初旬，50年代末期開始，基本上都提前至4月下旬。這種時間規律的演變，也存在漸變的間接因素。當然此一點也不能排除“溫室內效應”現象的出現和“全球氣候轉暖”的事實說法。據此種種，便是成為黑龍江上游多發性歷史冰壩生成的根本原因。

4 結 論

當河道出現冰壩時，縮窄了過流斷面，增加了水流阻力，形成冬季特點的河床演變［5］。以上分析4個成因中可以歸納為地理位置、河流形態為固定邊界條件，即具有較高的冰蓋潛在阻力河段的存在以及河槽過冰能力不足的河段; 熱力因素和動力條件是可變因素，冰量條件，即上游河段必須有足夠數量和強度的來冰量; 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量源，即上游河段流速必須達到某個范圍，才能攜帶大量冰塊向下游輸送。

［1］高霈生，靳國厚. 中國北方寒冷地區河冰災害調查與分析［J］. 中國水利水電科學研究學報，2003，01( 02) :159－164.

［2］崔泰昌，王景堂，吳村玲. 萬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］內蒙古自治區防凌指揮部，水文總站. 內蒙古自治區黃河凌汛基本資料［Z］. 呼和浩特:內蒙古自治區防凌指揮部，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大隊，1988.

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

［6］王軍，聶杰. 河流冰期水位研究［J］. 南京林業大學學報:自然科學版，2002，26 (02) :69 －72.