黃河寧蒙河段防凌形勢(shì)與對(duì)策措施芻議

韓璞璞，丁志宏，2，叢娜

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)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(shì)與對(duì)策措施芻議

韓璞璞1，丁志宏1，2，叢娜1

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)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(shì)的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)1 203.8 km，其中峽谷段239.8 km、庫(kù)區(qū)段94.5 km、有治理任務(wù)的河段869.5 km，流經(jīng)25個(gè)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?yàn)樽晕髂舷驏|北流。寧蒙河段近年來(lái)的較大凌汛災(zāi)害主要發(fā)生在1988年12月的磴口縣糧臺(tái)鄉(xiāng)段、1990年2月的達(dá)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(dá)鐵路橋段、2003年9月的毛不浪孔兌段、2008年3月的杭錦旗獨(dú)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(guó)西北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(wàn)hm2、人口356萬(wàn)，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(lái)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(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 防凌形勢(shì)

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(gè)方面。

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

寧蒙河段主流擺動(dòng)劇烈，游蕩性河段較長(zhǎng)，大部分屬于沖積性河道。20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，龍羊峽、劉家峽等水庫(kù)群的聯(lián)合運(yùn)用在很大程度上改變了該河段的天然徑流過(guò)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(shí)，冰下過(guò)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(wú)水庫(kù)調(diào)節(jié)時(shí)的1950—1968年期間為7.3億m3，在劉家峽水庫(kù)單獨(dú)調(diào)節(jié)時(shí)的1968—1986年期間為9.4億m3，在龍羊峽、劉家峽兩庫(kù)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(zhǎng)時(shí)間在高水位運(yùn)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(kù)、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(kù)是龍羊峽水庫(kù)、劉家峽水庫(kù)和海勃灣水庫(kù)。在內(nèi)蒙古河段開河期適當(dāng)減小劉家峽水庫(kù)泄量，可減輕防凌壓力。通過(guò)控制劉家峽水庫(kù)凌汛期下泄水量，使得寧蒙河段凌汛特點(diǎn)發(fā)生較為顯著的變化。劉家峽水庫(kù)的運(yùn)用有效改善了凌汛熱力條件、動(dòng)力條件，部分改變了河道邊界條件，對(duì)凌汛期防凌工作具有一定的積極作用。現(xiàn)狀，在調(diào)度運(yùn)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(kù)不能對(duì)上游來(lái)水及槽蓄水增量實(shí)施有效控制。

2014年建成的海勃灣水庫(kù)對(duì)內(nèi)蒙古河段的防凌作用主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：①在劉家峽水庫(kù)防凌調(diào)度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減小開河期進(jìn)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(guò)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(shí)，海勃灣水庫(kù)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(shí)間。但是，總體而言，海勃灣水庫(kù)由于庫(kù)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(bào)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(gè)分洪區(qū)，設(shè)計(jì)總分洪庫(kù)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(wú)法退入黃河，影響黃河水資源配置與調(diào)度。總體來(lái)說(shuō)，目前寧蒙河段的水庫(kù)、堤防和分洪設(shè)施的聯(lián)合防凌調(diào)度機(jī)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(xiǎn)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(zhǎng)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(dòng)劇烈且游蕩性強(qiáng)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(lái)看，河防工程標(biāo)準(zhǔn)仍然較低，防凌風(fēng)險(xiǎn)依然較大。

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

寧蒙河段現(xiàn)狀水文測(cè)報(bào)設(shè)施自動(dòng)化程度不高，水文測(cè)站數(shù)量少，河道大斷面測(cè)驗(yàn)頻次不高，冬季氣溫預(yù)報(bào)的項(xiàng)目、精度和時(shí)效不能滿足冰情預(yù)報(bào)工作的需要。近年來(lái)，受氣候變化、人類活動(dòng)等多方面的影響，寧蒙河段的凌情特點(diǎn)發(fā)生了明顯變化，出現(xiàn)了許多新的特點(diǎn)；同時(shí)，寧蒙河段的冰情規(guī)律也發(fā)生了明顯變化，凌汛對(duì)于沿河的災(zāi)害威脅日益增大，防凌的任務(wù)越來(lái)越重，防凌調(diào)度、搶險(xiǎn)保安的要求越來(lái)越高，需要更有效的冰凌預(yù)報(bào)系統(tǒng)的支持。現(xiàn)有冰凌預(yù)報(bào)模型尚不能客觀地反映黃河冰凌的變化特點(diǎn)尤其是冰凌變化的物理過(guò)程，因而其預(yù)報(bào)精度不高，不能滿足黃河防凌的實(shí)際需要。

2 對(duì)策措施

基于上述寧蒙河段現(xiàn)狀防凌情勢(shì)，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(duì)策總體思路，應(yīng)進(jìn)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(kù)的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方式，開展水利工程防凌聯(lián)合運(yùn)用、冰凌預(yù)報(bào)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(shí)現(xiàn)減輕寧蒙河段凌汛災(zāi)害的目標(biāo)。相應(yīng)的對(duì)策措施可簡(jiǎn)要闡述如下。

2.1 防凌工程調(diào)度研究

2.1.1 水庫(kù)群防凌調(diào)度研究

開展水庫(kù)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(guò)分析凌汛變化規(guī)律，研究龍羊峽水庫(kù)、劉家峽水庫(kù)、海勃灣水庫(kù)的聯(lián)合防凌調(diào)度技術(shù)，進(jìn)而制定科學(xué)合理的水庫(kù)群防凌調(diào)度運(yùn)用方式，主要研究?jī)?nèi)容包括：①收集和整理龍羊峽、劉家峽兩庫(kù)以及海勃灣水庫(kù)建成以來(lái)的防凌調(diào)度基本資料和數(shù)據(jù)，重點(diǎn)總結(jié)龍羊峽、劉家峽兩庫(kù)近40 a來(lái)的防凌調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，分析龍羊峽、劉家峽兩庫(kù)防凌調(diào)度中存在的問題，分析海勃灣水庫(kù)建成以后的新形勢(shì)下的水庫(kù)群防凌調(diào)度優(yōu)化運(yùn)用的可行性；②研究上游水庫(kù)群防凌調(diào)度的防凌庫(kù)容、調(diào)度方式、控泄流量、控泄時(shí)機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)，充分挖掘水庫(kù)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(diǎn)，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(yùn)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(diǎn)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(gè)防凌應(yīng)急分洪工程的調(diào)度原則，研究其運(yùn)用方式，分析防凌分洪工程與上游水庫(kù)的防凌調(diào)度運(yùn)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(kù)、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(diǎn)，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(bào)模型主要是基于相關(guān)性分析的統(tǒng)計(jì)模型，包括統(tǒng)計(jì)相關(guān)預(yù)報(bào)模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)模型，預(yù)報(bào)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(xiàng)目。統(tǒng)計(jì)模型只能用于對(duì)特征要素的預(yù)報(bào)且不確定性較大，由于涉及到水動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等物理機(jī)制，冰厚、冰塞、冰壩、槽蓄水增量等凌情過(guò)程與要素的預(yù)報(bào)是難以采用統(tǒng)計(jì)分析模型來(lái)加以開展的。在防凌調(diào)度越來(lái)越趨于實(shí)時(shí)化的發(fā)展態(tài)勢(shì)下，目前的冰凌預(yù)報(bào)現(xiàn)狀已日益不能滿足黃河防凌工作的實(shí)際需要。

寧蒙河段冬季的氣溫預(yù)報(bào)是冰情預(yù)報(bào)的主要參數(shù)之一。氣象部門僅能提供常規(guī)的預(yù)報(bào)內(nèi)容，其預(yù)報(bào)項(xiàng)目、精度和時(shí)效均遠(yuǎn)不能滿足冰情預(yù)報(bào)的需要。寧蒙河段的冰情預(yù)報(bào)要求具有7～10 d的預(yù)見期，以便于上游水庫(kù)的防凌調(diào)度，而氣象部門目前尚不能提供此項(xiàng)預(yù)報(bào)服務(wù)。冰情的滾動(dòng)預(yù)報(bào)要求有滾動(dòng)的氣溫預(yù)報(bào)作為輸入，若等待氣象部門的氣溫預(yù)報(bào)，則在時(shí)效上不能滿足冰情預(yù)報(bào)需要。

開展冰凌數(shù)學(xué)模型研究工作，需要進(jìn)行冰情專項(xiàng)監(jiān)測(cè)、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(xiàng)監(jiān)測(cè)

目前，冰情監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)H有沿河水文站的一般冰情觀測(cè)，各水文站控制河長(zhǎng)較長(zhǎng)，可達(dá)數(shù)百公里，河道冰情要素信息獲取的時(shí)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(shí)，均不能及時(shí)獲得其信息，而這些信息的缺乏使得冰凌模型無(wú)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(bào)模型，有必要采取增加凌情觀測(cè)站點(diǎn)和加強(qiáng)巡測(cè)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(cè)項(xiàng)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(xiàng)冰情監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有冰塞、冰壩的觀測(cè)，包括冰塞、冰壩的發(fā)生位置、時(shí)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(guò)流能力，冰質(zhì)和冰孔隙率，冰情圖測(cè)繪等。

巡測(cè)工作可由兩個(gè)巡測(cè)隊(duì)分別跟蹤觀測(cè)封河上首和下首位置處的冰情特征，并及時(shí)上報(bào)冰情；開河期同樣由兩個(gè)巡測(cè)隊(duì)跟蹤觀測(cè)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(cè)組，在冰塞、冰壩發(fā)生地駐測(cè)，觀測(cè)整個(gè)冰情現(xiàn)象的產(chǎn)生、發(fā)展和消亡的全過(guò)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(jì)算水流演進(jìn)和槽蓄水量變化。可通過(guò)對(duì)寧蒙河段的河道地形測(cè)量成果和數(shù)字地圖進(jìn)行相應(yīng)處理和加工來(lái)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(shì)以用于劃分模擬河段單元，二是揭示河道灘地地形地勢(shì)。在數(shù)字地形的支持下，可以通過(guò)冰凌模型計(jì)算的槽蓄水量的變化來(lái)反映河段水位，又可以通過(guò)實(shí)測(cè)水位來(lái)推算河段的槽蓄水量。

2.2.3 冰凌數(shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型構(gòu)建

黃河寧蒙河段冰凌數(shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型可包括河道流量演進(jìn)模塊、河道冰凌模塊以及河道流量演進(jìn)模塊與河道冰凌模塊的耦合。①河道流量演進(jìn)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(jì)算槽蓄水增量的沿程變化，動(dòng)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(jì)算各河段單元水體的輻射熱交換、對(duì)流熱交換和傳導(dǎo)熱交換以及水冰熱量平衡，動(dòng)態(tài)模擬流凌、封河、開河、冰塞、冰壩等冰情的時(shí)空發(fā)展過(guò)程，具體包括流凌形成子模塊（計(jì)算各個(gè)河段流冰形成時(shí)間和流冰量）、封河過(guò)程子模塊（計(jì)算各個(gè)河段封河時(shí)間）、封河發(fā)展子模塊（計(jì)算各個(gè)河段封河期冰蓋厚度、冰蓋下冰花侵蝕與堆積過(guò)程等）、開河模擬子模塊（計(jì)算各個(gè)河段開河時(shí)間、冰凌洪水釋放等）；③河道流量演進(jìn)模塊與冰凌模塊的耦合，通過(guò)上述過(guò)程，動(dòng)態(tài)模擬整個(gè)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(guò)程。

2.2.4 中短期氣溫預(yù)報(bào)模型構(gòu)建

中短期氣溫預(yù)報(bào)模型的開發(fā)是為了實(shí)現(xiàn)寧蒙河段沿河各氣象站10 d內(nèi)的氣溫預(yù)報(bào)。氣溫預(yù)報(bào)是以國(guó)內(nèi)外的氣象部門的天氣模型的預(yù)報(bào)產(chǎn)品為初始依據(jù)，短期氣溫預(yù)報(bào)可采用中尺度天氣預(yù)報(bào)模式，獲得未來(lái)72 h的地面氣溫過(guò)程；中期預(yù)報(bào)在國(guó)內(nèi)外主要中期天氣預(yù)報(bào)模式的天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)成果的基礎(chǔ)上，可采用多元統(tǒng)計(jì)方法建立日氣溫預(yù)報(bào)關(guān)系。但是，原始預(yù)報(bào)成果在應(yīng)用中可能會(huì)存在較大的誤差，需要進(jìn)行修正，途徑有兩個(gè)：①在短期氣溫預(yù)報(bào)中，以歷史的氣溫預(yù)報(bào)成果和實(shí)況建立修正關(guān)系，對(duì)未來(lái)的短期氣溫預(yù)報(bào)成果進(jìn)行修正；②在中期預(yù)報(bào)中，以歷史的天氣形勢(shì)和天氣要素預(yù)報(bào)產(chǎn)品與歷史氣溫實(shí)況建立數(shù)量關(guān)系，以實(shí)時(shí)的天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)為因子，做出未來(lái)氣溫預(yù)報(bào)。

3 結(jié)語(yǔ)

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(diǎn)。1986年龍羊峽水庫(kù)運(yùn)用后，龍羊峽、劉家峽兩庫(kù)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(duì)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(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)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