黃河冰凌近期研究簡述與展望

郜國明，鄧 宇，田治宗，李書霞，張寶森

（1.黃河水利科學研究院，河南鄭州450003；2.水利部堤防安全與病害防治工程技術研究中心，河南鄭州450003；3.水利部黃河泥沙重點實驗室，河南鄭州450003）

1 前 言

黃河流域東西跨越23個經度，南北覆蓋10個緯度，地形和地貌相差懸殊，徑流量變幅也較大。特殊的地理位置和氣候條件，導致黃河上游寧蒙河段、中游北干流河段及下游河段冰凌在演變過程中常常會形成冰塞、冰壩，壅高水位，引發凌汛災害。黃河凌汛已成為我國冬春季節大江大河中最突出、最主要的汛情之一。中華人民共和國成立前，黃河凌災頻繁，給兩岸人民帶來了深重的災難。黃河下游自1855年改道走現行流路至1949年前，平均每5 a就有2 a發生凌汛決堤災害，黃河寧蒙河段平均2 a就發生一次較大的凌汛災害。中華人民共和國成立以后，不斷完善防凌工程措施和非工程措施，大大降低了凌災發生的頻率。但黃河凌汛孕災環境復雜、突發鏈發性強，防御困難，加之部分河段淤積嚴重，排洪泄凌能力銳減，黃河下游于1951年、1955年分別在山東省利津縣王莊、武莊發生堤防決口，受災人口共計27.5萬人，受災面積8.6萬hm2。黃河內蒙古河段自1986年以來，已發生多次凌汛決口。2008年3月，黃河內蒙古段杭錦旗獨貴塔拉奎素段發生的凌汛決口，受災面積106 km2，受災群眾10 241人，直接經濟損失達6.9億元。黃河冰凌日益成為黃河治理開發的突出問題和薄弱環節。

近些年來，對黃河冰凌的研究得到了越來越多學者的關注，相關基礎研究和應用研究取得了進展，歸納總結黃河冰凌研究的脈絡及進展，進而探討其未來發展趨勢，對提升黃河防凌能力，保障沿黃地區防凌安全，具有科學價值和經濟、社會意義。

2 黃河冰凌研究進展

2.1 河冰基礎理論

河冰的形成、發展和消融過程涉及水力學、熱力學、河道邊界條件和氣象等多種因素的影響和制約，使得對河冰基礎理論的研究變得非常困難。Pariset和Hausser在 1961年提出了水面冰堆積理論［1］，Tatinclaux［2］、Beltaos［3］在前人的基礎上對這一理論進行了擴展和完善。 此外，Ashton［4］、Beltaos［5］對河冰的生消演變過程也進行過詳細的闡述。

對黃河冰凌問題的研究可追溯到20世紀50年代初，當時主要是河冰的原型觀測研究。陳贊廷［6］較早對黃河冰凌觀測理論進行了概述；孫肇初等［7］總結了黃河上游河流冰蓋糙率系數隨時間變化的規律，并根據黃河河曲的觀測數據，提出了冰塞糙率系數、河床糙率系數和弗勞德數的經驗公式；隋覺義等［8-9］通過對黃河河曲段的大型河冰原型觀測，首次建立了冰塞厚度與流冰量、水力條件相關的數學模型。通過原型觀測，掌握了黃河冰凌的一些定性規律，得到了一些經驗關系式，可用于解決特定條件下的冰凌問題。但原型觀測的局限性導致一些重要的實測數據難以獲得，而借助室內試驗研究河冰的若干問題，不僅可總結一般性的規律，還可揭示相關機理，建立相應的理論體系。王軍等［10-13］通過水槽試驗研究，得到了初始冰塞厚度與水流條件和冰流量等因素的相互關系；郜國明等［14］建立了冰下層流計算公式，分析了冰下流速的變化規律；顧李華［15］通過多元指數回歸模型，發現改進的累積負氣溫法能夠較為準確地預測冰蓋厚度；隋覺義等［16］在孫肇初研究成果的基礎上，用石蠟作為模型冰，通過模型試驗得到了冰塞糙率系數、河床糙率系數、弗勞德數和水流含冰率的函數關系。

隨著計算機技術的發展及對河冰形成、發展、消失全過程認知的加深，運用數學計算方法對河冰凍結過程進行模擬越來越普及。大家較為熟知的模型是Shen等［17-19］提出的二維河冰輸移模型DynaRICE。與國外相比，我國在河冰數值模擬方面的研究成果也很豐碩，其中：蔡琳等［20］建立了黃河水庫防凌調度模型；張學成等［21］建立了黃河初始冰蓋形成后冰蓋厚度演變的數學模型；楊開林等［22］根據冰塞形成發展的機理，提出了冰塞形成發展方程；茅澤育等［23-25］建立了河道水內冰形成及演變的垂向二維紊流數學模型，包括流速場、水溫、水內冰濃度、面冰輸移、冰蓋下冰的輸移、堆積和沖蝕等；王軍等［26-29］基于兩相流理論建立了歐拉-拉格朗日模型，對水內冰花顆粒的運動軌跡和初始冰塞頭部的推進過程進行了仿真模擬；張防修等［30］建立了河冰動力學模型；于國卿等［31］提出了基于數據挖掘技術和LSSVM預測河道開河的方法；陳守煜等［32］采用模糊優選神經網絡BP方法成功預報了黃河內蒙古段封河、開河日期。

2.2 冰凌原型觀測

20世紀80年代前后，國外學者相續開展了河流冰情的原型觀測， Parkinson［33］、Marsh 等［34］對封河期冰蓋下和開河期河道的水溫進行了有效觀測，Gerard等［35］對河冰的開裂過程進行了觀測。近些年來，為確保觀測人員的人身安全，一些新的觀測技術隨之出現，如Ford等［36］采用冰塞厚度測量儀對冰厚進行了觀測，Brian等［37］使用ADCP測量了浮冰流速、特定點的冰蓋厚度，Jasek等［38］使用SWIPS系統測量了冰蓋的生長和消融速度。

針對黃河冰凌觀測，傳統的冰凌觀測技術以人工為主，如冰厚的測量采用人工穿孔、量冰尺量測的方式。這種方式不僅效率低，而且測量區域受限，無法實現實時觀測。隨著新技術的發展，采用聲波、電磁波、電阻率等物理方法測量冰凌的方法不斷涌現。秦建敏等［39-41］基于氣、冰、水物理特性差異原理實現了對冰、水情的采集，但這種接觸式設備極易受靜冰擠壓和流凌撞擊而損壞。李志軍等［42］總結了現行冰厚度變化過程監測方法的適用范圍和優缺點，發展了新的冰厚度變化過程監測方法，包括直接探測冰層界面位置的接觸設備法和利用氣、冰、水電導率差異的標尺法。張寶森等［43］通過現場試驗研制出了黃河河道冰、水情數據與圖像遠程連續自動監測系統。另外，采用無人機航拍應急監測也越來越普遍［44-46］。

2.3 冰凌預報

在冰凌預報方面，蘇聯從20世紀30年代就開始了相關研究，到20世紀50年代，河道冰情預報技術開始廣泛應用［47］。 Bilello［48］在 1964 年提出了河流和湖泊冰體形成的預報方法，Poulin等［49］在1971年開發了一種水文和封凍日期的概率預報方法。1976年，Adams［50］在Poulin研究成果的基礎上，開發了封凍預報模型。隨著計算機技術和數學模型研究的不斷發展，Shen 等［19，51］先后提出了一維和二維河冰數學模型，為依據水力學、熱力學和水文學等理論研究冰凌預報打下了基礎。

黃河冰凌預報研究開始于20世紀50年代，采用的方法從最初簡單的指標法、經驗相關法，到后來的神經網絡方法。指標法主要是選取冰凌要素的幾個指標，預報凌情發生的具體時間。經驗相關法是在指標法的基礎上，建立相關的經驗模型來預報流凌、封開河日期等冰凌要素［52］。經驗相關預報方法能夠反映冰凌變化的基本規律，有一定的物理成因基礎。1994年，黃委水文局建立了黃河下游實用冰情預報模型，主要包括水溫、流凌、封河、冰蓋厚度、開河五部分［53］。1997年，張遂業［54］研發了黃河上游河段冰凌預報模型。1998年，黃委水文局建立了黃河上游實用冰情預報模型，增加了冰塞和冰壩數量的預報功能［55］。2002年，可素娟［56］、冀鴻蘭［57］提出了黃河內蒙古河段預報模型。2004年5月至2006年7月，黃委水文局聯合中國水科院，研究建立了以神經網絡模型為基礎的黃河寧蒙河段冰情預報系統，可預報流凌、封開河日期及開河洪峰流量、最大10 d水量等冰情要素［58］。此外，王慧明［59］基于灰色理論方法、李亞偉等［60］基于支持向量機方法對黃河的冰情預報做了相關研究。2012年，黃委水文局采用經驗與理論相結合的方法開發了冰凌預報系統，提高了冰凌預報精度和時效性，在冰凌預報實踐中發揮了重要作用［61-62］。

2.4 防凌減災技術

世界上普遍采用的防凌減災技術多以破冰為主，其中包括破冰船破冰、定點爆破及飛機、大炮轟炸等。早在1946年，美國就對用炸藥除掉密蘇里河的冰壩進行了試驗研究。俄羅斯、加拿大等國家主要利用破冰船進行破冰防凌，1977年俄羅斯的核動力破冰船曾經到達北極。此外，芬蘭和加拿大制造的動力破冰機已廣泛應用于北歐、加拿大和美國［63］。

我國的防凌工作主要采用水庫調度、工程控制、機械破冰、爆破破冰等多種手段。針對黃河防凌，郜國明等［64］較早提出了黃河防凌減災綜合措施。目前，黃河上游水庫防凌調度側重于龍羊峽、劉家峽的聯合調度，以及海勃灣水庫和分凌區的應急調度運用［65-66］，但尚未開展龍羊峽、劉家峽、海勃灣、萬家寨等水庫與分凌區聯合防凌研究。炸冰是快速解除冰塞冰壩險情的應急防控手段，從20世紀50年代起，空軍炸冰在歷年的黃河防凌中一直發揮著作用［67］。除了常用的飛機投彈、炮擊，黃河炸冰也不斷涌現新的技術手段［68］，如氣墊船運載炸藥和新型聚能彈［69］、破冰爆破帶［70-71］等破冰裝備。這些新式裝備的出現為黃河防凌提供了新的破冰手段，但均不同程度地存在安全性低、精度差、時效性差和費用高等問題。

3 黃河冰凌研究趨勢

為保障黃河防凌安全，提升黃河凌汛災害監測與防范能力，當前亟需在黃河凌汛洪水致災成災過程及演化機理，重要凌情的精準實時監測，凌汛險情災情的準確及高效預警預報，重點防凌河段水庫群的精細化及智能化調度，實施便捷、響應靈敏、安全高效的破冰排凌減災技術裝備和具有時效性及安全性的凌汛險情災情搶護技術等方面開展研究，并構建覆蓋凌汛災害監測預警、風險管理、調控決策和效果評估全過程的防凌決策支持平臺以及高效科學的凌汛災害綜合防治技術體系，創新和突破凌汛監測與災害防控的關鍵技術。

3.1 黃河冰凌致災成災過程及演化機理

近幾十年來，黃河冰凌基礎理論研究取得了很大進展，但由于黃河凌汛孕災環境的復雜性及對凌災演變機理和伴生效應認知的局限性，尚有許多問題有待進一步研究，如極端天氣和強人類活動影響下黃河各河段凌災變化特點、易發凌災河段冰水輸移規律、封凍期及暢流期洪水的水沙輸移特點對比分析、冰凌生消演變機理、冰塞冰壩與冰凌洪水致災成災機理等。

3.2 水-陸-空全天候冰凌實時監測

全面構建多維度、多要素冰凌信息動態感知體系是實現冰凌災害高效科學防控的前提。目前，黃河冰凌監測存在冰下凌情信息獲取難、冰凌要素信息時態不連續及凌汛險情診斷智能化程度低等問題。針對黃河河床易變、水流挾沙挾冰的特殊監測環境，突破不同介質的準確捕捉技術和冰凌圖像智能解譯技術，實現冰厚、流凌密度、流凌速度等關鍵凌情要素的全天候實時監測和冰塞冰壩險情的快速識別與診斷，將是黃河冰凌原型觀測的發展趨勢。

3.3 凌汛災害預警預報

黃河凌汛災害突發鏈發性強、防控難度大，預警預報及風險動態評估是凌災高效科學防控的重要環節。目前，開展較多的是冰凌封開河日期的預報，而冰塞冰壩形成及其誘發災害的預警預報研究相對較少，凌災風險評估技術指標體系有待進一步充實和完善。因此，建立凌汛災害預警預報指標體系，開發冰塞冰壩預報模型、冰壩壅水過程與凌洪潰決模型，研究凌汛災害預警預報及風險動態評估技術，將是該領域具有發展前景的研究方向。

3.4 黃河防凌減災技術及對策

在黃河防凌減災技術研究方面，現有的研究成果尚不能完全滿足國家建立科學高效凌汛災害防治體系的要求。突破安全高效凌災防控技術，進一步開展水庫防凌運用方式優化調度、冰凌條件下堤防險情的搶護技術、冰塞和冰壩的破除技術及基于云計算和人工智能技術的黃河防凌應急管理平臺等方面的研究，將成為黃河凌汛災害防控研究的發展趨勢。

4 結 語

黃河冰凌研究是一項現代科學和工程技術高度融合的系統工程，已呈現出多學科理論、方法、技術、手段相互滲透與有機結合的發展趨勢。研究內容涉及凌災基礎理論、凌情原型觀測、預警預報及風險評估和凌災防控等多個方面。目前，黃河冰凌研究仍處于探索和發展階段，相關科學水平和技術手段仍有提高空間。為促進黃河冰凌研究領域的學科建設，全面提升黃河冰凌防控能力，需要轉變防凌觀念、創新防凌手段，變被動應急搶險救災為主動有序防險消災，揭示凌災演化機理，研發凌汛要素快速采集、凌災預警預報及快速防控技術，構建凌汛災害綜合防治技術與決策支持平臺，為建立與經濟社會發展需求相適應的防凌減災體系提供理論與技術支撐。