（水文学及水资源专业论文）黄河宁蒙段冰情中长期预报研究.pdf

摘要 冰冻是寒冷地区普遍存在的一种自然现象，而凌汛则是河道里的冰凌对水流 的阻力作用而引起的一种涨水现象。河流中的冰凌不仅直接影响到冬季的航运、 交通、给排水等水利工程建设事业，而且当冰凌严重阻塞河道时，往往会导致凌 洪泛滥成灾，给人民生命财产带来重大损失。黄河上游宁夏内蒙古( 简称宁蒙) 河段，由于其所处的地理位置及河道条件等因素，冬季冰情严重，为黄河上重点 防凌河段之一。近几年来气温、人类活动、河床冲淤等流域环境的变化，使得凌 汛的威胁不仅依然存在，而且发生冰情的河段有所增加，影响范围日渐扩大。 黄河宁蒙段几乎每年产生凌汛，这是由其特殊的地理位置、水文气象条件、 河道特性决定的。首先，宁蒙段地处黄河流域最北端，海拔高程千米以上，河道 流向自南向北，其上游甘肃、宁夏段温度高，内蒙段温度低，故河道流凌由内蒙 段溯源向上，解冻开河则由甘肃、宁夏段逐渐向下发展；第二，宁蒙段成“几” 字型大弯曲，其间浅滩弯道叠出，坡度变缓，逶迤曲折，河中多夹心滩和分流窜 沟，解冻开河时，常在河道的曲湾或由宽变窄的狭窄段产生凌汛。 论文对冰凌灾害严重的黄河宁蒙河段的冰情预报进行研究。首先阐述了国内 外有关研究现状，然后对影响黄河宁蒙段凌汛的三大因素( 热力因素、动力因素、 河势因素) 进行了理论分析，在此基础上分别对流凌日期、封河日期和开河日期 研制了偏最小二乘回归模型、改进人工神经网络模型和支持向量机模型，试预报 结果表明，所建立模型精度高，预报结果令人满意。 关键词：黄河宁蒙段；中长期预报；冰情；偏最小二乘回归 遗传算法；人工神经网络；支持向量机 a b s t r a c t f r e e z i n gi sag e n e r a lp h e n o m e n o ni nt h ec o l da r e a k ef l o o di sar i s eo fw a t e rw h e ni c ei s h i n d e r e di nt i v 盯c o u t s e i c ew i n o to n l yi n n u e n c es h i p p i n 岛t r a n s p o r t a l i o na n ds e w a g e ，b u ta l s o 1 e a dt oi c e 丑o o dw h e ni c ec o n d i t i o ni ss c v e 珲w h i c hc a u s eb u g ej o s s e s b e c a u s eo ft 王1 el o c a t j o n 卸dr i v e rc h a r a c t 嘶s t i c s ，i nw i nc e t h ei c en 0 0 di sv e r ys e r i o u sa n do f t e nc a u s ei c en o o dd i s a s t e r f nn i n g ) ( i aa i l dh l n e rm o n g o l i a ( f o rs h o n ：n i n g m e n 酚r e a c ho ft l l ey c u o wr i ve t ，s oi ti s0 n eo f t h em o s ti m p o r t a n tr c a c h e so fp r e v e n t j n gi c e 日o o d 1 r e c e n ly e a r s ，i c ef l o o di sm o r es e v e r e b e c a u s eo ft e 巾p e r a t l l r ec b a g e s ，m a l l l ( i n da c v i t i e s ，s c o u r i n ga n ds n t i i 增 1 1 l e s p e d a lg e o g r a p h i c a lp o s i t i o n ， h y d r 0m e t e o r o l o g i c a lc o n d i i i o n ， r i v e rc o u r s e c h a r a c t e r i s t 虹a r em a i nf e a s o nf o fi c en o o d f 硫t l y n i n g m e n gr e a c h1 i e si nt h et o pn o n l lo ft h e y e u o wr i v e l 】tn o w sf r o ms o u t ht on o r t h t b ei e m p e f a t i l r co fu p p e rr e a c hi sh i g h e rt h a nt h a to f l o w e rr e a c b ，t h e r e f o r e ，t h ei i v c rf r e e z e su pf r o ml o w e rr e a c ht 0u p p e rr e a c ha n db r e a k su pf r o m u p p 盱f e a c ht 01 0 w e rr e a c h s e c o n d l y ，血e r ea r em a i i yr i v 盯b e n d sa n ds h o a l si nt h en i n 曲l e n g r e a c h i c en o o dw i l lo c c u ii nt h e s ep l a c e sa tt h eb r e a k - u pt i m e 1 飞em e s i sr e v i e w st h ec o n c e r n e ds t u d ys t a t u so fd o m e s i j ca n do v e r s e a sf i r s t ，t h e nm a k e f a c t o ra n a j 笋i sf o rj c e o o d ，p a n i a ll e a s t - s q u a r em o d e l ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t 、v o r kb a s e do n g e n c d c 舢9 0 r i t h mm o d e l ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n c m o d e lf o ri c ed r i f t ，i c eh t e z ea n di c eb t e a ka t e e s t a b l i s h e d t h ei e s u l t s 盯cr e a s o n a b l ea n dp r e c 融 l 【e yw o r d s ：n i g x i aa n di n e rm o n g o l i ar e 芒c ho ft h ey e o wr i v e r ；m e d i u ma n d j o g - t e r mi c ef o r e c a s t i n g ，j c er e 酉m e ：p a r t i a - i e a s t 巧q u a r er e g r e s s ；g e n e t c a 】g o r i t h m ； a r t 墒c i a ln e u r a l e t w o r k ； s u p p o r tv e c t o rm a c h i n 。 附录d ： 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者! 篷童) ：j 盗扛玉兰，_ 址 2 0 0 6 年月厂。日 ( 注：手写亲笔签名) 。 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ： 9 士重。毫 2 0 0 6 年f 月产日 ( 注：手写亲笔签名) 。 第一章绪论 1 1宁蒙河段冰情预报研究背景 冰凌是冬季的一种水文现象，具有发生、发展及消失的复杂过程。不同的河 段由于所处的地理位置及影响因素不同，冰凌的形成和演变特点也不相同，其演 变过程及规律取决于热力因素、水力因素及河道形态特点等，人类活动在不同程 度上也能改变冰凌的演变规律【l 】o 黄河由于其所处的地理位置和河流走向，再加上河道冲淤多变，冬季上、中、 下游都可产生冰凌，然而由于各河段的河道条件及所处纬度差异，易造成凌汛灾 害的河段主要是上游的宁夏、内蒙古河段和下游的山东、河南以及北干流部分河 段。这些河段的冰期一般为3 5 个月，在冰凌演变过程中往往会发生冰塞、冰 坝等各种冰凌灾害，轻者淹没滩地村庄，妨碍引水工程、水电站正常运行：重者 破坏桥梁、水工建筑物，甚至破坏堤防，决溢成灾。 产生黄河上、下游凌汛的自然条件是【2 l 【3 】： f 1 1 上段河道的气温较下段河道高。在黄河上游兰州至河口镇段和下游花园 口至河口段，流向都是由西南到东北，即从低纬流向高纬，因气温上游高，下游 低，造成封河时往往是下段河道早于上段河道，开河时下段河道则晚于上段河道， 且一般下段河道的冰盖厚度大于上段河道，因此每当上游开河时，冰块随水漂向 下游，不仅使尚未解冻河段水位上升，而且增加了开河的水力作用，从而形成了 来势凶猛的凌汛。 f 2 ) 河道上宽下窄。黄河下游两岸大堤的堤距，从河南段的1 0 2 0 七m ，逐渐 减小到山东河段的1 2 m ，最窄处尚不到0 5 七m ，而河流的主槽也相应地是上宽 下窄，因而容易产生凌汛。 ( 3 ) 上游来水的不稳定。有时黄河下游在一个凌汛期会发生几封、几开的严 重凌汛情况，这除了因气温多次大幅度升降以外，上游来水的不稳定也是原因之 一。流量小时河道封河，流量增大后，河道被迫开河，而当时的气温又不足以彻 底开通到入河口，从而造成严重阻水，形成凌汛。 本文主要对冰凌灾害严重的黄河上游宁夏一内蒙古( 简称宁蒙) 河段冰情预 报进行研究。 宁蒙河段冰情预报研究背景是f l 】1 3 】【4 】【5 】： ( 1 ) 现有宁蒙河段冰情预报方法滞后。宁蒙河段冰情预报现有的方法主要为 用经验相关建立的预报方案图或预报关系式以及经验与理论相结合的冰情模拟 数学模型。这些预报方案有定的理论基础，但是精度不稳定，一定程度上不能 满足防凌的需要。对已有的冰情预报方案评价是：考虑因素不全。由于受预报 手段以及冰凌研究水平的约束，普遍存在进行预报时因素考虑不全的现象，要么 没有考虑热力因素考虑，要么没有考虑水力因素，这样就导致了精度不够，有些 年份误差较大。属于静态预报。由于冰情演变比较复杂，每年情况差别很大， 处于动态变化之中，所以用这种方法进行预报可能会出现预见期短、相关因素代 表性差及一些年份误差大的问题。预报方法比较落后。有些预报方案不方便建 立相关式，预报时只能通过查相关图来进行预报。应用条件受到限制。这些经 验相关法普遍是8 0 年代中期以前建立的，距现在已有将近2 0 年时间，气候以及 河道条件等都发生了很大变化，如由于8 0 年代中期以来持续暖冬，封河日期普 遍推迟，开河日期普遍提前。再如近期小浪底、万家寨等水利枢纽的全面运用， 使河道条件和水力条件都发生较大变化等等，所以以前所建立的预报方案是否适 用? 一些指标是否需要修正，参数是否需要调整等，应用时都需要分析验证。 ( 2 ) 水文、气象和河道等条件变化的客观要求。经济的飞速发展，使宁蒙灌 区引水量发生了很大变化，从1 9 9 1 以0 0 0 年，由于灌溉面积逐年增加引黄水量也 逐年增加。增加灌溉面积8 1 万 m 2 ，1 9 9 9 年比1 9 9 1 年增加引黄水量9 0 2 亿腕3 。 宁蒙河段引水量的增加，汛期宁蒙河段基本上常年小于1 0 0 0 m 弧，而且常常有很 长时间处于1 0 0 3 0 0 m 3 s 的流量水平，导致河道淤积严重，同流量下水位抬高 明显，另外宁蒙境内的季节性河流在夏季发生的高含沙洪水挟带大量泥沙汇入黄 河，在黄河干流形成沙坝，也使河床明显抬高。全球气候变温，持续暖冬，使封 河日期普遍推迟，开河日期普遍提前。水利枢纽的运用，在封开河期通过控制泄 流来进行水库防凌，改变了天然情况下的流量过程，使得冰期河道流量增大，所 有这些使河道条件和水力条件都发生了很大变化。 ( 3 ) 黄河水资源统一管理的要求。黄河是我国西北和华北地区的重要水源。 随着沿黄地区工农业生产和经济的迅速发展，黄河水资源供需矛盾日益突出。尤 其是进入九十年代以来，黄河下游断流形势日趋严重，呈现出首次断流提前、断 流时间增加、断流河段不断上延等特点。1 9 9 7 年黄河下游利津水文站断流达2 2 6 天，河口近3 0 0 天无水入流，断流河段长达7 0 0 多觅m 。为了加强黄河水资源的 统一管理，有效缓解水资源供需矛盾，1 9 9 8 年国务院批准了“黄河可供水量年 度分配及干流水量调度方案”和“黄河水量调度管理方法”，授权黄河水利委员 会负责黄河水量的统一调度。气象、水文水资源情报预报是黄河水资源统一管理、 调度的重要依据。水库在黄河防凌中的作用已经充分得到了展示，但水库有限的 水资源还要承担供给沿黄地区工农业生产和经济发展所用水量的重任。因此黄河 水资源统一管理的开展，凌汛期黄河上游的水量调度既要保证防凌安全，又要充 分利用有限的水资源，因此对冰情预报无论在预报内容、预报时效和预报精度方 面都提出了更高的要求。 1 2 宁蒙河段冰情预报研究意义 ( 1 ) 防凌减灾。宁蒙河段位于黄河流域最北端，冬季气温低，负气温持续时 间长，最低气温可达一3 5 ，气温在o 以下的时间可持续4 5 个月。河段流向 自低纬度到高纬度，故流凌封冻由内蒙古河段下部溯源而上，解冻开河则从宁夏 河段由上到下，河槽蓄水量逐段释放，开河最大流量逐渐增大，再加上不利的河 道条件，极易在每年的封开河期间形成凌汛灾害。黄河凌汛洪水有以下三个特点： 一是峰值小，水位高。一般而言，凌汛洪峰流量只有暴雨洪水的0 2 0 6 ，但凌 汛期冰块下积聚了大量冰花，加大了对水流的影响，水位比无冰期大大抬高，甚 至高于暴雨洪水的最高水位。二是凌汛洪水在上中游传播沿程增大，下游花园口 以下受宽浅河道调蓄影响，洪峰沿程减小。三是在弯道、狭窄河段，流冰受阻频 繁，主要出现在艾山以下河道。 建国初，宁蒙河段两岸人口稀少，经济不发达，所以凌汛造成的损失相对较 小。进入八十年代，随着改革开放的深入，国民经济迅猛发展，黄河上游的工农 业生产也日渐发达，凌汛灾害造成的损失也逐渐增大。目前，随着开发大西北步 伐的加快，黄河上游两卑经济开始了第二次腾飞，防治凌汛灾害对于经济稳定发 展也更加重要。 ( 2 ) 水资源统一管理。冰情预报是进行防凌指挥、调度、决策的重要科学依 据。宁蒙河段准确的冰情预报与及时采取水利枢纽调节流量是防治该河段凌汛灾 害的有效措施。根据气温、流量和河道边界条件在凌汛过程的发展和变化规律， 目前人们还无法控制气温变化和改变河道的地理位置及边界条件，但是可以利用 上游已建的水库，按照水力因素和冰情形态演变之间的关系，调整冬季洞道流速 的变化过程。充分发挥水力因素在控制河冰危害方面的作用，应是解决凌汛问题 减轻冰凌危害的合理措施之一。参照黄河防凌的经验，利用水库防凌的主要作用 是“1 ：在河道封冻前夕，适当提高流速，加大水体搬运冰体的能力，避免浮流冰 块受阻而滞蓄于河中，争取推迟封冻和不封冻：一旦发生封冻现象时，及时降 低流速，争取“平封”，防止“立封”和产生冰塞，尽量减少河道里的储冰量： 在不致产生冰塞和开河高水位的前提下，适当提高冰盖下的流速，加大冰下过流 能力，减少河槽蓄水量，以削减开河期的凌峰流量，避免大流冰量的发生，达到“文 开河”的目的。 凌汛期黄河上游的水量调度既要保证防凌安全，又要充分利用有限的水资 源，如果能提供准确的冰情预报，根据冰情特点利用水库控制泄流，这对于黄河 水资源的统一管理具有重要的意义。 1 3国内外冰情预报研究进展 1 3 1 国外冰情预报研究进展 计算河流冰情有三种基本途径”。其一是经验相关或数理统计途径；其二是 求解冰情数学物理方程的途径；其三是介于以上两者之间的半理论半经验途径。 基于上述第二或第三种途径的冰情计算方法统称为河流冰情数学模拟，它一般由 两部分耦合而成：其一是水流模型；其二是冰凌模型。 在冰凌模型研究方面【8 】1 9 8 1 年佩蒂克( p e t y k ) 建立了适用于稳定流的冰凌模 型，但适用于不稳定流的冰凌模型直到1 9 9 0 年才出现，由沈洪道( s h e nh u n gt a o ) 提出，建立的s t ，l a w r e n c e 河冰凌模型，将不稳定流与封河过程结合在一起进行 模拟，被认为是冰情数学模拟的开拓性研究工作。1 9 9 1 年，费里奇( f e i c h ) 在 c o n n e t i c u t 河的冰情研究中成功地模拟了解冻。同年，贝尔泰斯( b e l t a o s ) 还做了 冰坝的模拟。此外，在瑞典还研制了流冰和岸冰的数学模型。从1 9 8 5 年开始芬 兰实施了一项旨在将一维不稳定水流模型与水温、流凌、冰盖和封冻模拟结合在 一起的河流冰情数学模型的研究，该模型定名为j j t m o d e l 。h 锄m a r 和s h e n 应用二维紊动模型，考虑热力增长、二次结晶和絮凝，对渠道中冰晶的演变发展 进行了分析研究。 国外科研人员，根据实验资料，提出了许多有益的实际法则1 9 】1 1 1 1 【1 2 】。 m a t o u s e c 通过分析o h i o 河道现场观测资料，提出了浮洋和水内冰形成的经验差 别法则。静状冰一般指生成于河道缓流区或岸边，冰晶在过冷却表层形成并停滞 在水面以缓慢的方式生成演变的岸冰。m i c h e l 等通过对s t a n n e 河道冰情的观测， 认为影响岸冰产生及发展有五个基本因素，即局部热交换、岸边流速、浮冰密度、 河段几何形状及水深，并提出了计算岸冰增长的经验公式。当断面平均流速超过 某一临界值，岸冰宽度增长将停止。m a t o u s e k 等经现场观测研究，发现这一临界流 速值为0 4 l i l s 左右。s v e s s o n 等对岸冰形成增长的二维数学模型进行了研究，并 通过与h l e a 河道现场量测资料相比较，提出了岸冰形成的经验公式。p a r i s e t 和 h a u s s e r 最先就冰盖前缘的水动力条件与流冰在冰盖前缘的聚集类型进行了研 究，后来其他研究工作者对p a r i s t 和h a u s s e r 的研究成果进行了进一步的完善和 拓展，他们的研究结果表明，若冰盖前缘的水流f r 数小于第一临界佛汝德数f 即 来冰在冰盖前缘向下旋转并潜没的临界佛汝德数) ，则产生平封冰盖，冰盖以并 置积聚形式向上游推进，其推进速度由质量守恒原理确定。s h e n 等建议以断面 最大佛汝德数代替断面平均佛汝德数，野外现场观察结果表明这一值约为o 0 9 ； 如果水流佛汝德数超过第二临界佛汝德数，冰盖前缘将不再向上游发展，这时， 上游冰花将潜入冰盖以下，并流向下游，直到水流速度较小的河段，满足冰花上 浮的要求。s h e n 等对河冰动态输移过程进行了一些研究，并通过野外观察数据 和室内模型实验数据进行了初步验证指出：初始冰塞一般在流冰密度较高和冰流 量集中的地方形成。 1 3 2 国内冰情预报研究进展 国内冰情预报的研究，虽然起步较晚，但目前研究水平基本上与国际先进水 平保持同步：结合中国河流的特殊情况，国内研究人员还提出了许多有创新的预 报方法，并将新理论、新方法引入到冰情预报中，拓宽了冰情预报的思路。 由于冰凌情况发生的特殊性，中国的冰情研究主要是在寒区进行的。黄河流 域冰情研究非常活跃，1 9 8 9 年黄委会水文局李若宏等主编的黄河流域实用水 文预报方案f ”】，其中的冰情预报方案一直在防凌作业中应用，在防凌预报中 发挥了很大的作用；2 0 世纪9 0 年代以来【1 】【”，学习国外的冰情模拟技术，在黄 河上建立冰情预报数学模型，先是与芬兰a t r i r e i t e r 公司合作，在芬兰研制的 冰情预报数学模型的基础上进行改进，建立了黄河下游冰情数学模型，接着又与 美国c l a r k s o n 大学沈洪道教授合作，进一步研制了黄河下游冰情数学模型。可 素娟等于1 9 9 8 年建立了黄河上游实用冰情数学模型，这两个冰情预报数学模型 采用经验与理论相结合的方法，结合黄河的实际情况，经运用证明精度较高，且 应用方便，至今仍在黄河防凌中发挥着作用。 茅泽育【8 】等对河道中冰的形成、演变发展、输移、积聚堆积、消融和破碎冲 蚀等各种冰情现象及其研究现状进行了分析总结，并对国外的最近研究成果进行 了重点介绍。哈焕文【1 4 l 通过建立动力一随机模型模拟在某一概率流量情况下的最 高冰塞、冰坝水位。用水动力学及随机函数的相关理论两种方法论证了动力一随 机模型解的收敛性。建议用数学期望作为边界断面的时均值，用均方差口作为边 界断面上的随机值。在最大流量概率密度服从对数正态分布的假设下，通过将实 际最大流量系列进行一定的转换，可求出相应于某一概率的流量。将此流量及其 随时间的变化过程作为边界条件代入己有的动力模型，可求出相应于某一概率的 最大冰塞、冰坝水位。杨开林，刘之平，李桂芬【1 5 】等研究了河道冰塞的模拟， 根据冰塞的形成发展的机理，提出描述冰塞形成的发展包括：( 1 ) 非恒定流基本 方程；( 2 ) 水流的热扩散方程；( 3 ) 冰花的扩散方程；( 4 ) 水面浮冰的输运方程；( 5 ) 冰盖和冰块厚度的发展方程；( 6 ) 冰塞下冰花含量和冰塞厚度的计算：( 7 ) 冰盖的 形成发展方程等。 新技术、新方法的运用，为冰情预报开拓了一个新的领域。陈守煜，冀鸿兰 【1 6 】在分析影响凌汛成因因素的基础上，选取合适的预报因子，基于模糊优选神 经网络b p 模型，提出冰凌预报方法，应用于黄河内蒙段封河、开河日期的预报。 杨晓华，杨志峰，郦建强【1 7 】利用自相关技术分析了海洋冰情时序的延迟特性， 据此确定径向基函数( 彻f ) 网络的输入、输出向量，给出的删皿卅口环境下的 海洋冰情预测的高精度r j 盯神经网络的结构、设计、仿真函数和图形结果的输 出方法，建立了海洋冰情预测的高精度艘f 网络模型。张遂业【1 8 】根据黄河上游 大型水库运用后宁蒙河段水文、气象等方面的实际预测资料，按照冰凌的物理成 因，系统分析上游河段冰凌的变化特点及生消演变规律，选取与预报因子有密切 关系的各种因素进行统计分析，以热量平衡、水量平衡原理为基础，采用数理统 计多元线性回归分析的方法进行分析计算，分别建立了黄河上游河段封冻、解冻、 解冻最高水位、解冻最大凌峰流量等预报统计模型。齐铁珊，潘辉学【1 9 】用概率 统计中因子组合方法来预测开河日期，编制开河日期预报方案。张学成【加】利用 均值生成函数，经过主成分分析建立了时间序列模拟与预测的数学模型，应用于 黄河下游利津河段封河日期序列的模拟和预报。结果表明，1 9 5 0 1 9 8 1 年度序列 按拟合的平均相对误差为9 5 ，1 9 8 1 1 9 9 1 年度序列预报的合格率达到8 5 以 上，并且得出均值生成函数模型应用于黄河下游封冻日期长期预报是完全可行的 结论。 在冰情分析方面，王云璋，康玲玲，陈发中等根据1 9 5 1 1 9 9 8 年黄河下 游代表站冬季气温资料，统计分析了近3 0 年平均气温和气温过程变化特点及其 对凌情的影响，并在分析负气温演变特点及其凌情关系的基础上，建立了气温 凌情相关关系式，同时利用7 0 年代以来气温、凌情资料，计算分析了气温变化 和其它因素对凌情的影响。 水库的运用，改变了河道本身的自然特性，在封开河期间，水库通过控制泄 流从而可以防止凌灾发生。在水库防凌研究方面，蔡琳【6 】等系统分析了影响凌汛 的因素，水库防凌调度机理，运用方式等，建立了水库防凌调度数学模型。陈赞 廷，可素娟 4 j 根据热量平衡原理及水力学理论，结合实际经验，建立冰情数学模型， 用来进行冰情预报和优化三门峡水库防凌调度。李晓新【2 2 】阐述了万家寨水库的 运用对黄河山西河段凌情的影响并对水库调度提出了建议。翟家瑞1 2 3 】等就万家 寨水库蓄水对上下游河段防凌的影响及库区冰塞和冰坝壅水等进行了系统研究， 提出了凌期不同阶段的水库防凌主调度模型和调度方案，经实际验证，方法可行， 精度较高。 1 4 冰凌演变和冰情变化因素分析 1 4 1 冰凌演变分析 根据黄河的实际情况，习惯上把冰凌演变分为三个时期，即结冰期、封冻期、 解冻期i lj 。河流中的水形成冰，冰随着水流动，直至流冰在局部断面受阻封冻为 止，称这时期称为结冰期。在结冰期期间，既有冰的生成，又有冰的运动。冰 在水面或水体中随水流动称为流凌。在大河上流凌出现的时间各不相同，流凌起 始日期取决于气温。气温有地带性，高纬度地区气温比低纬度地区气温低，故处 在高纬度的河流起始流凌日期早。如黄河上游内蒙古河段位于黄河最北端，冬季 气温转负时间要比下游的山东河段早一个月左右，故内蒙古流凌时间要比山东河 段亦要提早一个月左右。对于同一河段，流凌起始日期不仅取决于气象因素，而 且取决于河道走向。如果河流是东西走向和地理纬向一致，则全河段可能同时开 始流凌，或者在很短的1 2 天内全河段流凌。 河道封冻是指某河段内出现横跨两岸的稳定冰盖，其敞露水面面积小于河段 总面积的2 0 左右。河道封冻多数不是在全河段同时发生，它有一个封冻发展的 过程，初始封冻可能先在某一断面或几个断面发生，然后向上、下游发展，逐渐 形成全河段封冻。起始封冻日期一般指的是河段内某断面首次出现封冻现象的日 期。全河段封冻后，表示进入稳定封冻期，稳定封冻期是冬季最冷的季节，冰盖 替代水面，水与大气的热交换转变为固体热传导形式，水内冰亦基本停止产生。 在黄河上把河段封冻过程分为两个阶段：即先在一个或几个断面开始封冻，发展 到河段8 0 以上的水面封冻称为初始封冻期；当河段达到8 0 以上封冻到开始 融冰解冻称为稳定封冻期。习惯上常常把某河段初始封冻日至全河段解冻开通日 所经历的时间称为封冻历时。 气温转暖，河道冰盖开始融化、破裂、流动，直到全河段水面贯通、冰块全 部消融的过程称解冻期。河道冰盖解冻时固热力和水力作用的先后比重不同，出 现的开河形势也不同，一般可分为文开河、武开河和半文半武开河三种开河形势。 解冻期同样也可分为两个阶段，即融冰阶段和开河阶段。 河段从冰盖开始融化到5 0 左右的冰盖破裂移动，称融冰期。融冰是指冰层 吸收的热量足以破坏结晶之间的联结，冰盖的热量平衡成为正值，冰的强度逐渐 减弱，冰盖开始融化、破裂。 河段从5 0 左右的冰盖破碎到河段全部开通、冰块基本消融为止为开河阶 段。开河是在融冰的基础上，水力作用促使冰盖破裂流动，直到残冰、流冰全部 消融。开河时水流的曳引力和抬升力对冰盖的拉力和剪力等阻抗力起着破坏的作 用，当这些破坏力大于冰的阻抗力时，冰盖就会破裂或脱岸滑动。 1 4 2 冰情变化因素分析 影响河流冰情的主要因素有热力因素、动力( 水力) 因素、河道形态以及人类 活动等。热力因素包括太阳辐射( 含散射辐射) 、气温、水温等。太阳辐射和地面 反射决定大气温度，气温又影响着水温和冰温。因此，气温是影响冰情变化的热 力因素的集中表现，气温的高低决定着冰量和冰质，是影响河道结冰、封冻和解 冻开河的主要因素，因此可以用气温作为表征热力状况及其变化的基本要素。 动力因素包括流量、水位、流速、风力、波浪等。流量的动力作用反映在水 流速度的大小和水位涨落的机械作用上，流速大小直接影响结冰条件和影响冰凌 的输移、下潜、卡塞等，水位的升降与开河形势关系比较密切，水位平稳能使大 部分冻冰就地消融形成“文开河”形势，水位急骤上涨能使水鼓冰裂形成“武开 河”形势。水位和流速的变化常取决于流量的变化，水位、流速和流量之间具有 一定的关系。因此，可以用流量的大小作为冰情演变的动力因素。另外，流量本 身能反映热能量，在水温相同时，流量越大，水体储存热量越多，流量越大，水 流动力作用越大，在同样的气温条件下，结冰越晚。 河道形态包括河道的平面位置、走向及河道的边界特征等。河道的地理位置 和走向又与热力因素联系在一起，气温一般随地理纬度的增加而降低，故处于高 纬度河流的气温低于处于低纬度河流的气温，由南向北流向的河段，上游气温高 于下游气温。河道边界特征主要指局部河段的宽窄、深浅、比降、弯曲、分叉等。 河道边界特征通过改变水流条件反映出来，故和水力因素联系密切。在气温和流 量变化不大的情况下，在缩窄、弯曲、浅滩、分又及回水末端等局部河段易发生 流冰卡堵、堆积、封冻、结坝现象。 人类活动影响主要指在河道上修建水库、分滞洪区、引水渠和控导工程等。 水库调节能改变原河道的流量分配过程，同时又增加了水温，水库对冰情的影响 反映在水力因素的热力因素上，河道上修建控导工程能改变局部河段的边界条 件，因此也改变了水流的流势和流速分布，对冰情的影响主要反映在水力因素上。 大河流的封冻，除了少数河道流向和纬度一致，且在强寒流袭击下能全河段 同时封冻外，多数河流的起始封冻是在水力、热力及河道边界条件的综合影响下 先在某一个断面封冻，也可能在几个断面处先后封冻，然后再延伸至全河流断面 封冻。黄河下游河段和上游宁蒙河段，河道走向是西南东北向，即河段的下游 处于高纬度低气温地区，故首封断面都发生在河段下游处，然后向河段上游发展， 或者在河段下游的几个断面处先后封冻形成梯级封冻段。 如果把河道边界条件作为稳定不变的常量考虑，则河段的封冻和流冰的疏密 度、冰的几何特征，冰的孔隙率、气温、水深、流速、冰与河岸间的摩擦阻力等 有关。流冰的疏密度、冰的孔隙率、几何特征等是气温的函数，水深、流速等是 流量的函数，这样，河道的卡封条件变成主要和气温及流量有关，因此在作封冻 日期预报时，可以用气温、流量作为预报因子与封冻开始日期建立关系。水流的 破坏力( 只) 和流量( 缈的大小及槽蓄水增量( 4 有关，即只= 一04 动， 而冰盖的阻抗力( 厅) 和冰的厚度( 冉) 及冰的强度( j ) 有关， 即只= ，( 且， 占) ，当只只时，即预示着河道要开始解冻开河”2 ”。 由于河道水文条件、边界条件不同和冰的厚度、强度差异，开河期的冰情现 象也不同。根据黄河的特点，习惯上将开河形势分为文开河、武开河和半文半武 开河三种形式【”。文开河：以热力作用为主，水力作用为次的开河形势。解冻 开河前，太阳辐射增强，气温很快转正上升，封冻冰盖逐渐变色，冰晶聚合体分 解、冰表面和内部融化、冰盖强度很快减弱，岸冰脱岸，河心冰盖相继融化、破 碎、移动，槽蓄水增量缓慢释放，水位平稳，冰块在水面上保持单层分布流动， 敞露水面上下游贯通而无阻塞现象，形成的凌峰很小，整个解冻开河历时较长， 一般不会产生灾害。武开河：以水力作用为主、热力作用为次的开河形势。开 河时气温较低，当上游下泄的水量突然增加时，水位猛涨，遇到下游的冰盖时， 在水力作用下导致水鼓冰裂。流冰块在水流作用下若再遇到冰厚质坚的冰盖时会 挤压、堆积形成冰坝。武开河多发生在自上而下开河的河段，多发生在冬季寒冷， 冰厚质坚，上游来水或槽蓄水增量多的年份。开河时上游水量增多的原因可能是 上游气温回升快，先融雪融冰增加水量或上游先解冻开河释放大量槽蓄水增量， 形成较大凌峰向下推进，或者是水库调度加大了下泄量。武开河的特点是水位变 化迅猛，流冰量多而集中。当流冰遇到冰质坚固未破裂的冰盖时或遇到河道缩窄、 弯曲、浅滩时会发生冰块受阻、堆积形成冰坝，冰坝的形成使断面的过冰过水能 力大大减小，冰坝上游水位壅高，当壅水位达到一定高度时，在强大的冰水压力 作用下，使冰坝失去平衡而发生溃决，溃决的冰水快速下泄，在下游如果再遇到 类似的阻力又会形成新的冰坝。开河时沿程释放的槽蓄水增量越集越多使凌峰流 量越来越大，整个解冻开河历时较短。因此武开河的形势对防洪安全十分不利。 半文半武开河：先以热力作用为主，后以水力作用为主的开河方式，其开河形 势介于文开河与武开河之间。即在热力作用下冰盖融化，冰质变酥，强度减弱。 以后又在水力的作用下使冰盖很快破碎流动。即使有较大的流量或水位有较大的 变化，因冰盖很脆弱，很容易破碎，或者即使有部分河段卡冰结坝，其规模也不 会很大，不会造成严重灾害。 初冬气温开始转负，负气温累积的多少影响水体的总失热量，累积负气温与 流凌密度、冰厚的增长等有较好相关关系，黄河下游一般在1 2 月前后封河，可 以建立1 2 月的负气温累积值与封河日期经验关系：开春气温开始转正，累积正 气温与融冰厚度( 速度) 也有较好的关系，可以建立2 月的正气温累积数与开河 日期经验关系。解冻开河时气温的高低，不仅影响开河的速度，同时也能改变开 河的形势，可以延缓或促成冰坝的生长、溃决等，所以气温对动力作用有着一定 的制约作用。此外，黄河冬季1 2 2 月或最冷的1 月平均气温的多少是决定凌情 严重与否的重要因素，冬季气温的高低决定封冻的冰量和冰厚的多少。气温高的 年份冰盖层薄，气温低的年份冰盖层厚。 黄河冬季流凌和封冻很大程度受西北部寒流冷空气的影响，冷空气的袭击可 以使气温大幅度下降。黄河流域寒流入侵的路径主要来自北方、西北方和西方， 以北方来的寒流降温最多，从西北向来的寒流次数最多。据统计，冬季侵入黄河 流域的较强冷空气平均每年约3 5 次，最多可达7 8 次。寒流最早发生在1 1 月 份，以元月份次数最多。 气温骤降是寒流的最大特点，如郑州站和北镇站，在历史上因寒流影响的极 端最低气温可达一1 8 和一2 5 。在内蒙古最低气温可达3 0 以下，尤其是强寒流 的连续侵袭，易促成河流早封冻。所以冷空气来得早，可以早封冻，来得晚则延 迟封冻，如黄河下游封冻最早为1 2 月1 2 日，最晚在2 月1 6 日，相差2 个多月。 在整个冬季，冷空气的次数和强度不同，对封冻长度、冰厚度、冰量等都有很大 差别。如黄河下游封冻长度最长的可达7 0 0 多公里，最短的只有2 4 公里，最多 冰量有1 4 亿m 3 ，最少的只有几十万立方米。如果寒流少而弱，气温偏高，下 游甚至整个冬季可以不封冻。 寒流过后气温大幅度回升，这也是寒流的特点。寒流的降升温持续时间一般 要一个多星期，长的可达2 0 天左右。若寒流过后升温很高，可以使刚封冻的冰 盖很快融解甚至开通。例如在1 9 6 8 1 9 6 9 年度，黄河下游发生四次连续降温和升 温，气温变幅在1 4 2 2 之间，形成在一个冬季内发生三次封河三次开河的特 殊现象。该年1 2 月中旬第一次冷空气侵入，山东段普遍流冰花，1 2 月底第二次 冷空气袭侵黄河中下游，山东北镇站元月1 日平均气温降到一1 1 ，累积负气温 达5 4 ，2 日恳利义和庄首封，封河时利津流量为3 0 0 m 弧左右，至1 5 日封冻 长2 4 5 k m ，1 7 日气温回升，北镇站日均气温达3 ，至2 0 日有大部分封冻河段 开通。1 月2 4 日和2 月1 2 日又来两次冷空气，分别形成第二、第三次严重封冻， 最上封至郑州铁桥，封冻长7 0 4 k m ，总冰量1 0 3 亿m 3 ，开河时由于气温回升和 河槽蓄水量大，三次开河均形成较大凌峰，并在李陵和方家形成冰坝，坝上壅水 漫滩，直至3 月1 8 日全河开通。 黄河冬季流量主要来自地下径流，冬季地下径流量少而稳定，但是一旦经过 水库调节或封、开河冰情演变的影响，河道流量也会引起较大的变化。如黄河下 游冬季来水，因受上游内蒙古河段流凌封冻的影响，呈前后大、中间小的变化过 程。内蒙古河段每年平均在1 1 月中、下旬流凌，1 2 月上旬封冻，比下游分别提 前一个月左右。内蒙古河段结冰、封冻使一部分水变成冰滞留在原河道内，形成 封冻冰盖和冰塞后增加水流阻力，又将一部分流量蓄在河槽内，使封冻河段以下 的流量明显减少。内蒙古河段在流凌封冻前的流量一般在4 0 0 5 0 0 m 3 s ，封冻后 减少到2 0 0 m 3 s 左右。当进入稳封期后，因水流对冰盖的冲刷作用，使冰下过流 能力增加，内蒙古下泄的流量也逐渐增大到3 0 0 m 3 ，s 左右。其问的小流量过程约 有半个月左右时间。如1 9 7 0 年1 1 月上旬内蒙古头道拐站流量均大于5 0 0 m 3 s ， 中旬流冰花，流量降至3 7 0 m 3 s ，下旬开始封冻，流量再降至1 2 5 m 3 s ，至1 2 月 中旬流量又回升到3 0 0 i i l 3 s 左右。中问小流量时间约有1 5 天左右。 从大的河道形态看，黄河下游是由西南流向东北，气温是上暖下寒，河道宽 度是上宽下窄，比降是上陡下缓，这些特点对排凌和封开河形势都是不利的。 从局部河段来说，河道弯曲度、缩窄、分叉、比降突变等对凌情都会有影响。这 些局部的河道特征会直接影响到水流形态，进而又通过水流作用影响冰凌的流 动。众所周知，对顺直河段，流冰在水面上的分布是比较均匀的，在弯曲河段， 由于横向环流的作用，流冰沿凹岸成带状移动，到了拐弯处，由于惯性作用流冰 在弯顶部位会堆挤在一起，在凸岸则有少部分流冰滞留在回流区。因此流冰在弯 道处很容易引起堵塞封冻。在河道分叉处，水流分散、流速减小也易引起排冰不 畅。从黄河下游凌情观测资料看，凌汛期发生严重险情或灾害的河段绝大多数是 发生在这些局部河段上，说明河道边界特征与凌情及其灾害关系密切。 黄河河南河段属游荡性河道，河床宽、浅、乱，冬季枯水时河道多分叉、多 沙滩、多弯道，流冰容易在这些地方搁浅和堵塞；黄河山东河段属弯曲性河道， 多弯道和狭窄河段，局部弯道有呈“l ”型，有呈“s ”型，而且两岸布满控导 工程，当流冰经过这些地方往往会卡堵、堆积、封冻。 黄河河口段常年淤积延伸，比降小，河形散乱，呈多股流入海，流冰不畅， 加上沿途引水，水量减小，经常在气温不够封冻条件下封河。据统计，黄河下游 封河有7 0 左右发生在西河口以下，除气温低的原因外，西河口以下河道宽、浅、 乱、分叉多，水流分散是一个很重要的原因。 在河道上修建水库可以改变天然条件下的水力因素和热力因桑，进而对冰凌 产生影响。水库的运用可改变水库下游河道的流量过程和水温。黄河上游共修建 了6 个大型水库，特别是龙羊峡水库和刘家峡水库的运用对宁蒙河段的凌情影响 很大。为了发电和灌溉，水库必须把汛期多余的水量蓄起来用于非汛期。如兰州 河段冰期1 1 3 月的月平均流量要比建库前增多1 0 0 1 5 0 m 3 s ，兰州河段的水温亦 均在2 4 以上，冰期流量增大和水温升高，使原来兰州河段十年有八九年封冻状 况变为既无岸冰也无冰花的常年畅流河段。兰州至青铜峡段过去是不稳定封冻 段，建库后只有青铜峡水库上游的中宁地区局部河段封冻( 距刘库4 3 0 k m ) 。因 受青铜峡水库的影响，在库以下四十公里内不荐流凌封冻，再阻下近百公里的河 段流凌日期也比过去推迟了8 1 2 天。石嘴山以上的封冻日期平均推迟了1 0 1 2 天，而开河日期提前了1 0 1 4 天。 刘家妒水库根据多年运行的经验，在保证凌汛安全同时兼顾发电原则下，在 宁蒙河段封开河期间水库下泄流量适当增加，并要求流量过程平稳，从而大大改 善了宁蒙河段的冰凌情势。据分析，宁蒙河段冰下过流能力比建库前增加了 2 0 4 0 。相应槽蓄水增量也由建库前的7 4 亿m 3 增加到建库后的1 1 8 亿m 3 ，。 到解冻开河时，由于断面过流能力大，上游控制泄流，武开河的机率大大减少。 在凌期如果水库调节不当，下泄流量过大过小或忽大忽小，不仅不能减轻凌 汛危胁，而且会出现人为的冰凌灾害。例如1 9 9 7 年由于刘家峡水库下泄流量不 稳定，加上宁蒙河段冬灌影响，造成宁蒙河段二封二开的不稳定封河局面。该年 1 1 月中旬，黄河上游突然出现强寒流，导致昭君坟、三湖河口河段于1 8 日小流 量提前封河，此时内蒙古河段的流量在2 0 0 3 5 0 m 3 s 之间，宁夏j f 在引灌。为了 缓和黄河下游断流，刘库又在封河后加大泄量向黄河下游调水，1 1 月下旬宁夏 冬灌停止，内蒙古河段流量增大到7 2 0 m s ，造成三湖河口冰上流水，水位上升 到1 2 9 4 3 m ，形势非常紧张，幸遇此时气温回升，迫使封冻冰盖融化开通。1 2 月初又一次冷空气入侵，内蒙古河段气温降至2 0 ，形成昭君坟一三湖河口河段 再次封河，刨内蒙古河段二封二开记录。又如1 9 9 3 年1 1 月中旬，内蒙古突遭强 寒潮袭击，日均气温下降2 0 左右，最低臼气温均在2 0 以下，寒流之强、降 幅之大创历史同期记录，内蒙古河段儿月1 7 日流凌，1 8 日在三湖河口附近形 成立封，几天后内蒙古境内几百公里河长全河封冻，1 2 月3 日封至巴彦高勒站。 这种快速封河形势尚属首例。由于降温封河来得突然，使上游刘家峡水库来不及 采取控制流量( 控调流量需提前十几天才能对巴站以下有效) ，刘家峡1 1 月中旬 的泄流量在8 0 0 9 0 0 m 3 s 之间，宁夏2 0 曰冬灌停止，使巴站1 1 月下旬和1 2 月 上旬的日平均流量较常年偏多1 8 和3 8 ，巴彦高勒至三湖河口河段槽蓄水增 量较常年偏多7 0 。因水量增加过多，大量流冰至巴站附近形成严重冰塞，水位 急剧上涨，至1 2 月6 目巴站水位高达1 0 5 4 4 0 m ，比千年设计洪水位还高出0 2 0 m ， 最终于7 日1 8 时在磴口县的南套子堤防溃决，共淹面积8 0 万k m 2 ，1 2 个自然 村，1 3 万人被迫搬迁，直接经济损失超过4 0 0 0 万元。 从影响冰情变化的各因素分析中可以看出，人类活动的影响是通过水力因素 和热力因素反映出来，而河道边界条件一般比较稳定，故气温