黃河流域河湖冰科研現狀及意義

史小紅

隨著黃河冰情研究、探索河冰的生消演變和輸移機理的開展，分析冰蓋、冰壩、冰塞的形成、發展過程，提出有效的防凌減災措施，對保護人民生命、財產安全，保障地區經濟發展起著至關重要的作用。

河冰、湖冰是高緯度地區河流、湖泊冬季典型的自然現象，在寒區水資源開發、利用及水環境管理中是重點考慮的因素之一。河流結冰形成的冰塞、冰壩可能會導致凌汛洪水的發生，危害河道及周邊安全，同樣也會危害河工建筑物安全及影響水電站的正常運行，在有通航要求的河道上也會影響通航條件。河冰的存在會改變河道的水力條件，進而影響河道中泥沙輸移并導致河道形態改變，對河道的水質變化、魚類的生存條件及河道生態都會產生影響。對于湖冰而言，以我國蒙新高原湖區、東北平原與山地湖區、青藏高原湖區的三大湖區為例，每年大約12月左右進入湖泊結冰期，翌年1月、2月達到穩定冰封狀態，3月中旬到4月左右開始融化，到5月基本進入完全融化狀態，冰封期長達半年左右，冰層厚達0.4～1.2m。湖泊水環境特征在冰封期和非冰封期會表現出非常大的差異，由凍融作用而形成寒區湖泊污染物獨特的遷移特征，對于寒區高鹽堿湖泊環境變化具有重要意義。

一、黃河流域冰情概述

黃河流域東西跨越23個經度、南北相隔10個緯度，冬春季受西伯利亞和蒙古一帶冷空氣的影響，導致黃河流域中、上游地區冰期往往持續時間長（4～5個月）、冰情復雜且嚴重。冰情的存在除對河道交通、供水、發電和水工建筑物有直接影響外，同時，河道冰蓋的形成增加了河道糙率及濕周，降低過流能力，使得同流量情況下冬季河道水位較平時增加1～1.5m。尤其是凌汛期河道中形成的冰壩、冰塞會顯著減小過流斷面面積，雍高上游河道水位，造成凌汛洪水決堤而泛濫成災。

黃河上游的寧蒙河段和下游的河南、山東河段受特殊的河道走向及地理位置影響而成為凌汛災害嚴重的兩個河段。近些年，受氣候變暖和人工控導工程的修建（三門峽水庫、小浪底水庫等），黃河下游河南、山東河段冰凌問題已經基本消除，未造成嚴重的凌汛災害。而寧蒙河段，尤其是黃河內蒙古段依然是冰情嚴重、凌災頻發的地區之一。據統計，黃河內蒙古段1950—1968年間（劉家峽水庫運用前）開河結壩達236處，平均每年13處，“文開河”、“武開河”及“半文半武開河”年份各占1/3。1968—1990年，由于水庫控制運用，開河結壩共84處，平均每年4處，“文開河”年份占68%，“武開河”及“半文半武開河”占32%（馮國華，2009）。1990—2010年開河結壩36處，平均每年1.8處。總的來看，由于上游上庫、水閘等控導工程作用，凌洪災害有所減輕，但防凌形勢依然嚴峻，較大范圍的凌災淹沒損失平均2年1次，特別是有些年份個別河段的凌洪災害仍相當嚴重。例如，2008年3月20日黃河內蒙古段三湖河口彎道附近的獨貴塔拉鎮發生了一場幾十年未遇的黃河凌災。受災面積106平方千米，受災群眾3885戶、10241人，水利、交通、通信等公共基礎設備損毀嚴重，直接經濟損失達69120萬元。國家和內蒙古自治區每年花費大量的人力、物力和財力用于黃河內蒙古段的防凌減災。

二、黃河流域河冰研究動態

關于黃河河冰的研究，最早《老殘游記》小說中就精彩描述了黃河河冰的形態與輸移、堆積過程。中國的冰凌問題在黃河，而黃河的冰凌問題在內蒙。尤其是上世紀80年代以后，黃河上游龍羊峽、青銅峽、鹽鍋峽等各大、中型水庫運行及周邊環境惡化，黃河內蒙古段來流量減少，河道淤積嚴重，使得河床抬升，黃河內蒙古段已成“懸河”之勢，凌汛災害亟需引起重視。

上世紀中后期，黃河的觀測和研究更加系統和全面，相繼在黃河寧夏、內蒙古段和下游開展了預報，最初主要采用指標法，逐步建立了大量的相關圖和關系式。除繼續進行專項觀測研究外，對已研究的成果，結合有關資料進行了系統整理分析，編寫各種專著。90年代后，黃河水利委員會先后在與芬蘭Atri-Reiter公司、美國Clankson大學的Hung Tao Shen合作的基礎上，建立了適用于黃河下游的預報模型，這對黃河防凌工作具有至關重要的作用（陳贊廷，1994）。氣溫是影響河冰過程及特征的重要因素，康玲玲（2001）等根據1951—1998年黃河下游代表站冬季氣溫資料，統計分析了近30年平均氣溫和氣溫過程變化特點及其對凌情的影響，并在分析負氣溫演變特點及其凌情關系的基礎上，建立了氣溫-凌情相關關系式，同時利用70年代以來氣溫、凌情資料，計算分析了氣溫變化和其他因素對凌情的影響。可素娟（2000，2001，2002）對黃河內蒙古段河冰過程進行了大量分析，建立了預報封河的一維數學模型，從水力條件、熱力條件及河道邊界條件三方面研究冰塞的形成原因、條件和機理。陳守煜和冀鴻蘭（2002，2004，2005，2008）通過分析近幾十年的氣溫、流量及冰情資料，總結了黃河內蒙古段影響冰情的主要因素。建立了基于模糊優選神經網絡冰凌預報系統，通過已有的水文、氣象資料對模型中的預報因子進行率定。并根據黃河內蒙古河段上巴彥高勒、三湖河口、頭道拐三個水文站的冰期數據對模型進行驗證。結果表明，模型可以較好地預報封河、開河日期。

隨著河冰理論和數值模擬的不斷發展，研究者已經能夠模擬河冰形成、輸移及堆積過程（李超，2015），并對初始卡冰位置、原因及機理過程進行了詳細的分析，指出岸冰的生長導致彎道頂下方河道變窄區域最易形成卡冰（李超，2015;李紅芳，2016）。綜合河冰的熱力過程，模擬冰蓋熱力增厚、衰減及預報文開河日期（史新娟，2013;朱欽博，2015）。建立了基于GIS、RS、GPS等“3S”技術為基礎的河冰觀測方法及體系，實現了河冰過程大尺度、長序列的特性分析及規律研究（李超，2016;趙水霞，2017），對于黃河冰情的監測及模擬技術逐漸智能化及數字化（牟獻友，2020）。

三、黃河流域湖冰研究簡述

我國寒區的湖泊，不僅是歷史氣候變遷的重要指示器和研究的切入點，而且是區域水分循環的重要環節和不可缺失的構成部分。它對區域生態與環境變化有直接影響并起著重大生態調節作用。關于湖冰環境研究，目前國內外學者多集中于氣候變化對長期湖泊水位與面積動態變化（馬龍，2010;Michael Emann，1999），及湖面結冰期的影響（Benson BJ，2012），湖泊淡水冰熱力學過程、湖冰光學性質分析（楊清華，2013），湖冰冰厚及測量（李志軍，2013），并已建立出冰蓋熱力生長及消退模型（Ayumi Fujisaki，2012）。關于冰、水介質間化學物質遷移研究在天然水體中，僅見在海洋結冰過程中鹽分由冰向水析出的研究報道。如新形成的冰含有10～15‰的鹽，1～2m厚的冰含有5～8‰的鹽，多年形成的冰僅含有0.1～3.0‰的鹽分（姜東生，2014）。而在人工環境下，結冰過程中化學物質的析出研究，多集中用于化學分析、食品、醫藥、化工等領域（葉正偉，2013）。近些年有利用冷凍技術對某污染成分進行提純、分離等方面的研究，Muller（2011）等應用漸進冷凍法處理廢水，以總有機碳（TOC）、COD、氨氮和電導率為指標，對生活廢水處理時，其純化率可高達99%，對高濃度工業廢水處理其純化率可達91%。于濤、馬軍等人（2006）應用兩級冷凍分離法處理空間站尿液，試驗結果表明，冷凍法對其中各種雜質均有良好的去除效果，可去除原尿液97%以上的氨氮和有機物及91%以上的鹽。高峰等（2005）將冷凍分離法用以處理大豆乳清廢水，大大降低了廢水中的COD值，減少了對環境的污染。

黃河流域湖冰研究，以烏梁素海湖冰研究為例。烏梁素海是黃河流域干旱、半干旱地區最大的湖泊，也是我國八大淡水湖之一，內蒙古自治區第二大湖泊，屬于世界范圍內干旱、半干旱地區極為少見的具有很高生態價值的大型多功能湖泊濕地，生物多樣性表現典型，地理區位重要。是我國北方干旱、半干旱地區農田-荒漠-草原-森林復合植被區系帶生態系統的典型湖泊濕地。四季分明，湖泊每年有5個月左右處于冰封狀態，具有寒區湖泊生態環境的典型特征。目前關于烏梁素海湖冰研究內容主要包括：湖泊冰封期水環境野外監測、模擬、試驗;冰封期湖泊環境特征指標及污染物空間分異規律，集中在冰封期湖泊污染物在冰-水-沉積物中的分異規律及冰封期湖泊冰蓋組構特征對污染物分布的影響;凍融過程中污染物的多介質遷移轉化機制，例如：污染物在冰-水介質中的微觀結構模型及遷移機理、污染物在冰-水-沉積物多介質中的遷移模擬、不同凍結條件對冰中污染物排出的影響等;凍融作用對湖泊環境變化影響效應，例如：凍融作用污染物遷移量估算、冰蓋生消過程模擬、冰封期水環境營養鹽負荷模型等;冰封期湖泊光、熱特性及溶解氧特征;湖冰環境中真光層深度及初級生產力模擬研究等。

四、黃河流域河湖冰科學研究意義

隨著黃河冰情研究、探索河冰的生消演變和輸移機理的開展，分析冰蓋、冰壩、冰塞的形成、發展過程，提出有效的防凌減災措施，對保護人民生命、財產安全，保障地區經濟發展起著至關重要的作用。對于湖泊而言，在寒旱區生態環境本就脆弱，加上人類對湖泊水資源的不合理利用，將大量的農田退水、工業廢水和生活廢水排入湖泊，致使湖泊污染加劇，富營養化問題突出，生物多樣性銳減，危及湖濱帶生態系統，水環境安全的形勢極為嚴峻。明確凍結與融化作用對各種污染物質遷移的貢獻值，可為湖泊環境保護、治理的最佳時間與方案制定提供科學依據。開展黃河流域河湖冰科學研究，對于推動黃河流域高質量發展具有重要的科學價值與意義。