黃河寧蒙河段２０１１—２０２０ 年凌情演變規(guī)律分析

胡一棟 郭衛(wèi)寧 張毅 沈延青 韓作強(qiáng)

摘 要：凌汛是黃河冬春季最突出、最主要的汛情，其中寧蒙河段是黃河防凌的重點(diǎn)河段。２０１１—２０２０ 年黃河寧蒙河段凌情出現(xiàn)了一系列新規(guī)律、新特點(diǎn)，主要呈現(xiàn)流凌封河日期推遲、開河日期提前、封凍歷時(shí)和封河長度縮短、最大冰厚變薄、槽蓄水增量減小、開河歷時(shí)變長、開河凌峰及最大１０ ｄ 水量減小等特征。從熱力因素、水流動(dòng)力因素、河道邊界條件和水庫調(diào)度影響等方面分析２０１１—２０２０ 年凌情演變的主要驅(qū)動(dòng)因素，結(jié)果表明：氣溫整體偏高且上下游溫差增大是寧蒙河段流凌封河日期推遲、開河日期提前、封凍歷時(shí)和封河長度縮短、最大冰厚變薄的主要原因；凌汛期來水偏多，月際分配發(fā)生明顯變化，在一定程度上造成了流凌封河日期推遲、開河歷時(shí)變長、開河凌峰及最大１０ ｄ 水量減??；河道條件明顯改善，有利于冰下過流能力的恢復(fù)，造成槽蓄水增量近年來呈減小趨勢；海勃灣水庫的投入運(yùn)用在一定程度上改變了壩址以下河段的冰凌演變規(guī)律，同時(shí)科學(xué)合理的水庫調(diào)度也為平穩(wěn)封開河創(chuàng)造了有利條件。

關(guān)鍵詞：凌汛；氣溫；流量；過流能力；水庫調(diào)度；寧蒙河段；黃河

中圖分類號(hào)：Ｐ３３９；ＴＶ１１；ＴＶ８８２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０１０

引用格式：胡一棟，郭衛(wèi)寧，張毅，等．黃河寧蒙河段２０１１—２０２０ 年凌情演變規(guī)律分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（７）：５２－５７．

凌汛是黃河冬春季最突出、最主要的汛情，其中以寧蒙河段最為嚴(yán)重。寧蒙河段是黃河防凌的重點(diǎn)河段，這是由它特殊的地理位置、水文氣象條件和河道特性決定的［１］ 。黃河寧蒙河段位于黃河上游的下段，地處黃河流域最北端，自寧夏中衛(wèi)市南長灘至內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗馬柵鎮(zhèn)，全長１ ２０３．８ ｋｍ，約占黃河總長的１／５［２］ 。受兩岸地形控制，寧蒙河段峽谷河段與寬河段相間出現(xiàn)，游蕩型河段較長，主流擺動(dòng)劇烈、變化頻繁［３］ 。寧蒙河段流向自西南向東北，河流流向?yàn)橛傻途暥攘飨蚋呔暥龋郏矗?，在楊蓋補(bǔ)隆轉(zhuǎn)向東南。凌汛期氣溫上游高、下游低，流凌封凍由下游溯源而上，解凍開河則由上而下，結(jié)冰期長３～４ 個(gè)月，封、開河期受河道邊界條件、氣溫變化和流量變化影響，容易形成冰塞、冰壩，發(fā)生凌汛災(zāi)害［５］ 。

１９８６ 年龍羊峽、劉家峽水庫聯(lián)合運(yùn)用后，寧蒙河段汛期來水持續(xù)偏枯，年內(nèi)徑流分配發(fā)生顯著變化，加之工農(nóng)業(yè)用水不斷增加，寧蒙河段河道淤積嚴(yán)重，主槽萎縮，河道過流能力不斷下降。２０１１ 年以來，黃河上游來水總體偏多，寧蒙河段來水轉(zhuǎn)豐，２０１２ 年汛期黃河上游出現(xiàn)了２ 個(gè)多月的洪水過程，２０１８—２０２０ 年黃河上游汛期發(fā)生持續(xù)性洪水，寧蒙河段出現(xiàn)了較長歷時(shí)的大流量過程，河道邊界條件發(fā)生了顯著變化。受全球氣候變暖影響，黃河流域氣溫呈顯著上升趨勢，上游地區(qū)氣溫上升趨勢尤其顯著，升溫速率為０．３９ ℃ ／１０ ａ，明顯高于中下游地區(qū)的升溫速率［６］ 。受多方面因素綜合影響，寧蒙河段凌情出現(xiàn)了一系列新規(guī)律、新特點(diǎn)，防凌工作面臨新形勢。本文分析２０１１—２０２０ 年寧蒙河段凌情特征，并對(duì)其成因進(jìn)行分析，以掌握凌情演變規(guī)律，為防凌指揮調(diào)度工作提供參考。

１ 寧蒙河段２０１１—２０２０ 年凌情特征

寧蒙河段自上而下建有下河沿、青銅峽、石嘴山、巴彥高勒、三湖河口、包頭、頭道拐７ 個(gè)水文站，下河沿、青銅峽２ 個(gè)站基本無凌情，對(duì)凌情特征變化分析主要采用石嘴山、巴彥高勒、三湖河口、包頭、頭道拐５ 個(gè)水文站的水情、凌情數(shù)據(jù)。氣溫資料采用寧蒙河段流凌封河關(guān)鍵區(qū)域４ 個(gè)氣象站的實(shí)測數(shù)據(jù)，自上而下分別為惠農(nóng)、磴口、包頭和托克托氣象站。除建站較晚的包頭水文站外，其余各站均采用１９７１—２０２０ 年系列資料。

１．１ 封河日期推遲、開河日期提前，封凍歷時(shí)縮短

寧蒙河段通常于１１ 月中下旬開始流凌，１２ 月上中旬封河，翌年３ 月中下旬開河。與１９７１—２０１０ 年相比，２０１１—２０２０ 年寧蒙河段平均首凌日期推遲６ ｄ，首封日期推遲３ ｄ，開河日期提前４ ｄ，封凍歷時(shí)縮短７ ｄ，見表１。具體到各水文斷面，流凌日期普遍推遲６～９ｄ，封河日期除頭道拐水文斷面提前２ ｄ 外，其他水文斷面推遲２～１２ ｄ，開河日期提前４～１０ ｄ。巴彥高勒站變化最明顯，流凌、封河推遲９～１２ ｄ，開河日期提前１０ ｄ，封凍歷時(shí)縮短２２ ｄ。

２０１１—２０２０ 年，在全球氣候變暖的大背景下，寧蒙河段極端氣候事件增多， 凌情極值頻繁出現(xiàn)。２０１１—２０１２ 年度、２０１８—２０１９ 年度凌汛期，寧蒙河段于１２ 月４ 日才出現(xiàn)首凌，為歷史最晚，較之前的最晚首凌日１１ 月３０ 日推遲了４ ｄ。２０１６—２０１７ 年度凌汛期巴彥高勒水文斷面于１ 月１３ 日封凍，為該站歷史最晚封凍日。２０１９—２０２０ 年度凌汛期巴彥高勒水文斷面于２ 月２０ 日解凍開河，２０２０—２０２１ 年度凌汛期三湖河口水文斷面于３ 月５ 日解凍開河，分別為兩水文斷面歷史最早開河日。

１．２ 封河長度縮短，各水文斷面最大冰厚變薄

１９９１—２０２０ 年寧蒙河段歷年封河長度見圖１，２０１１—２０２０ 年平均封河長度為７７５ ｋｍ，較１９９１—２０１０年的７９９ ｋｍ 縮短２４ ｋｍ，且歷年封河長度較短的４ ａ均發(fā)生在２０１１ 年之后。２０１９—２０２０ 年度寧蒙河段封河長度僅６３６ ｋｍ，為１９９１ 年有統(tǒng)計(jì)資料以來最短封河長度。

寧蒙河段主要水文斷面不同時(shí)段最大冰厚見表２。與１９７１—２０１０ 年相比，２０１１—２０２０ 年各水文斷面最大冰厚總體呈變薄趨勢。寧蒙河段上游冰厚變薄更明顯，２０１１—２０２０ 年石嘴山、巴彥高勒水文斷面最大冰厚分別較１９７１—２０１０ 年?。保丁ⅲ保?ｃｍ，三湖河口水文斷面最大冰厚變?。?ｃｍ，頭道拐水文斷面最大冰厚略有增厚。

１．３ 槽蓄水增量呈減小趨勢

槽蓄水增量是指凌汛期受封凍冰蓋等影響滯留在河道中的水量，是造成開河期凌災(zāi)的最主要原因［７］ 。內(nèi)蒙古巴彥高勒至頭道拐河段歷年最大槽蓄水增量見圖２。總體上看，１９９０ 年前內(nèi)蒙古河段最大槽蓄水增量年際變化較??；１９９１—２０１０ 年最大槽蓄水增量較之前明顯增大，最大槽蓄水增量均值為１２．３ 億ｍ３，較１９７１—１９９０ 年均值（７．６ 億ｍ３ ）大６２％；２０１１—２０２０ 年平均槽蓄水增量為１０．７ 億ｍ３，雖仍較１９７１—２０１０ 年的均值１０．０ 億ｍ３ 略大，但較槽蓄水增量偏大的１９９１—２０１０ 年均值?。保常?；２０１４—２０２０ 年內(nèi)蒙古河段槽蓄水增量總體呈減小趨勢，尤其是２０１７ 年后普遍偏小。

１．４ 開河歷時(shí)變長，開河凌峰及最大１０ ｄ 水量減小

內(nèi)蒙古河段開河關(guān)鍵期（開河發(fā)展至三盛公水利樞紐）至全河段開通特征值見表３。２０１１—２０２０ 年開河歷時(shí)均值為２０ ｄ，較１９７１—２０１０ 年均值延長６ ｄ。頭道拐水文站作為寧蒙河段最下游的水文站，受自上而下開河影響，凌峰流量及最大１０ ｄ 水量均為各站最大，代表著寧蒙河段開河期整體水量釋放程度，２０１１—２０２０ 年頭道拐水文斷面開河凌峰、最大１０ ｄ 水量明顯減小， 分別較１９７１—２０１０ 年均值偏少３９％、３０％。１９５０ 年有實(shí)測資料以來，開河凌峰流量最小的１０ ａ 中有５ ａ 出現(xiàn)在２０１１—２０２０ 年， ２０１６—２０１７ 年度、２０１４—２０１５ 年度、２０１９—２０２０ 年度凌汛期頭道拐斷面開河凌峰分別為８０６、９２０、９５０ ｍ３ ／ ｓ，為歷史前三小，見圖３。

２ 成因分析

凌情的發(fā)生、發(fā)展及演變?nèi)Q于河道走向與形態(tài)、水文條件和氣象條件等，影響河流凌情的主要因素有熱力條件、水流動(dòng)力條件、河道邊界條件以及人類活動(dòng)等［８］ 。

１）２０１１—２０２０ 年凌汛期氣溫總體偏高，年內(nèi)氣溫波動(dòng)大，上下游溫差大。熱力條件是影響黃河凌情的重要因素之一，寧蒙河段地處流域最北端，受地形和冷空氣路徑影響，河段東、西部氣溫差異較大。由表４可知，１９７１ 年以來，寧蒙河段凌汛期平均氣溫呈顯著上升趨勢，冬季平均氣溫從１９７１—１９８０ 年的－５．２ ℃上升到了２０１１—２０２０ 年的－３．２ ℃，升溫幅度為２．０℃，其中位于河段上游的惠農(nóng)、磴口氣象站升溫最明顯，升溫幅度分別為３．１、２．０ ℃，包頭、托克托氣象站升溫幅度分別為１．３、１．２ ℃。２００１ 年以來，寧蒙河段凌汛期平均氣溫呈現(xiàn)西升東降態(tài)勢，惠農(nóng)、磴口氣象站凌汛期平均氣溫傾向率分別為０．６９、０．６２ ℃ ／１０ ａ，包頭、托克托氣象站凌汛期平均氣溫傾向率分別為－０．５６、－０．３４ ℃ ／１０ ａ。

寧蒙河段凌汛期不同時(shí)段逐月氣溫變化見表５，各月平均氣溫均不同程度升高，以開河期３ 月升溫幅度最大，由１９７１—１９８０ 年的１．０ ℃上升到了２０１１—２０２０年的４．３ ℃，２ 月次之，１２ 月升溫幅度最小，為０．９ ℃。

氣溫整體升高，是寧蒙河段２０１１—２０２０ 年凌汛期封河日期推遲、開河日期提前、封凍歷時(shí)縮短、最大冰厚變薄的主要原因。河段上下游升溫幅度差異大，上下游溫差進(jìn)一步增大，造成寧蒙河段上段封河發(fā)展緩慢，封河長度較２０１０ 年之前縮短?；蒉r(nóng)、磴口氣象站升溫幅度大，相應(yīng)的巴彥高勒水文站特征日期及最大冰厚變化最明顯，而下游包頭、托克托氣象站氣溫近年來略降，導(dǎo)致頭道拐水文站封河日期略有提前、最大冰厚略有增厚，與整個(gè)河段的變化趨勢相反。

２）凌汛期來水偏多，月際分配發(fā)生明顯變化。２０１１—２０２０ 年寧蒙河段凌汛期來水情況（見表６），石嘴山水文斷面凌汛期年均來水總量８３．８８ 億ｍ３，較１９７１—２０１０ 年均值偏多１１％。２０１１—２０２０ 年巴彥高勒、三湖河口、頭道拐水文斷面來水較１９７１—２０１０ 年略偏多，凌汛期各月來水情況變化較大，主要表現(xiàn)為流凌封河期（１１—１２ 月）偏大１０％左右，開河期（３ 月）偏?。玻埃プ笥摇Ａ髁璺夂悠谳^大的流量過程，導(dǎo)致流凌、封河所要求的負(fù)積溫更低、降溫幅度更大，在一定程度上造成了流凌、封河日期推遲，而較小的開河期流量大大降低了開河動(dòng)力，使開河歷時(shí)延長，開河凌峰流量及最大１０ ｄ 水量明顯減小。

３）汛期大流量過程歷時(shí)長，河道條件明顯改善，凌汛期過流能力增強(qiáng)。２０１１ 年以來，黃河來水總體偏豐，２０１２ 年、２０１８ 年、２０１９ 年、２０２０ 年黃河上游多次發(fā)生編號(hào)洪水，龍羊峽水庫２０１８—２０２０ 年連續(xù)３ ａ 蓄至正常蓄水位２ ６００ ｍ，寧蒙河段連續(xù)３ ａ 汛期出現(xiàn)較長歷時(shí)大流量過程，各主要水文斷面均發(fā)生了不同程度的沖刷，河道過流能力明顯增強(qiáng)。寧蒙河段多年平均封河流量為６２６ ｍ３ ／ ｓ，２０１１—２０２０ 年封河流量明顯增大，均值為７３７ ｍ３ ／ ｓ。

巴彥高勒、三湖河口、包頭和頭道拐４ 個(gè)水文站２０１８ 年汛前、２０２０ 年汛后和２０２１ 年汛后大斷面套繪見圖４?？梢钥闯?，與２０１８ 年汛前相比，經(jīng)過３ 個(gè)汛期大水的沖刷，２０２０ 年汛后巴彥高勒、三湖河口和包頭３ 個(gè)水文斷面均受到有效沖刷，２０２１ 年汛期未出現(xiàn)大流量過程，３ 個(gè)水文斷面較２０２０ 年略有淤積，但仍較２０１８ 年汛前有較大沖刷。頭道拐水文斷面２０２０ 年汛后較２０１８ 年汛前主流兩側(cè)沖刷，主槽淤積，過流面積變化不大，２０２１ 年汛后有所淤積，過流面積略有減小。

從巴彥高勒、三湖河口、包頭和頭道拐４ 個(gè)水文站的水位與流量關(guān)系（見圖５）看，與２０１７ 年汛期相比，２０２０ 年、２０２１ 年巴彥高勒、三湖河口和包頭３ 個(gè)水文斷面汛期相同流量條件下，水位均明顯下降，其中巴彥高勒水文斷面同流量條件下水位下降約２ ｍ；頭道拐水文斷面水位與流量關(guān)系變化不大。隨著河道條件改善，內(nèi)蒙古河段過流能力明顯增強(qiáng)，加之較大的封河流量可在一定程度上形成較高的封凍期冰蓋，增大冰下過流面積，有利于河段封凍后過流能力的恢復(fù)和冰水的順利下泄，不利于形成較大的槽蓄水增量，主要體現(xiàn)為２０１７ 年后內(nèi)蒙古河段槽蓄水增量普遍偏小。

４）海勃灣水庫的運(yùn)用改變壩址以下河段冰凌規(guī)律。海勃灣水庫于２０１４ 年投入運(yùn)用后，寧蒙河段流量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，封河流量控制得更加精準(zhǔn)，開河關(guān)鍵期通過控制下泄流量，使寧蒙河段開河期上游來水較少，開河動(dòng)力明顯不足，開河以“文開河”為主，開河歷時(shí)較長，避免了槽蓄水增量的集中釋放，使凌峰流量和開河最大１０ ｄ 水量顯著減小，降低了“武開河”風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)受出庫水溫影響，海勃灣至巴彥高勒河段由建庫前的穩(wěn)定封凍河段變?yōu)椴环€(wěn)定封凍河段［９］ ，隨著出庫水溫升高以及海勃灣水庫對(duì)壩址上游冰凌的攔蓄，壩址以下河段冰量明顯減少，內(nèi)蒙古河段流凌和封河條件發(fā)生變化，在同等水流動(dòng)力及河道邊界條件下，首凌、首封所要求的負(fù)積溫更低，降溫幅度更大［１０］ ，在一定程度上造成了巴彥高勒水文斷面流凌、封河日期明顯偏晚，開河日期明顯偏早，冰厚顯著變薄。

５）水庫調(diào)度科學(xué)合理，為平穩(wěn)封開河創(chuàng)造了有利條件。２０１１—２０２０ 年，黃河上游水庫的調(diào)度思路在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了精細(xì)化調(diào)整，凌汛期劉家峽水庫不同時(shí)段逐日平均出庫流量見圖６。流凌前適當(dāng)加大下泄流量，滿足寧蒙河段灌溉引水需求的同時(shí)降低劉家峽水庫水位，２０１１—２０２０ 年的１１ 月上旬平均出庫流量較之前時(shí)段偏大１００～３００ ｍ３ ／ ｓ，中旬采用逐步壓減劉家峽水庫出庫流量的方式，每日壓減１００～２００ ｍ３ ／ ｓ，逐漸降至５００ ～ ６００ ｍ３ ／ ｓ，與封河期出庫流量平穩(wěn)銜接。２０１１—２０２０ 年封河期出庫流量過程明顯較其他時(shí)段平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)，較２０００—２０１０ 年出庫流量整體偏大５０ ｍ３ ／ ｓ 左右，同時(shí)通過海勃灣水庫調(diào)度塑造預(yù)設(shè)封河流量過程，既保持了封河期流量穩(wěn)定，避免發(fā)生冰塞、冰壩等，又提高了冰下過流能力，避免槽蓄水增量過大及過快增長。近幾年開河期延續(xù)了２００３ 年以后的壓減流量調(diào)度方式，一般從２ 月下旬開始?jí)簻p流量，但隨著調(diào)度方式的精細(xì)化，壓減流量的結(jié)束時(shí)間略有提前，同時(shí)受益于近些年較大的封河流量和較強(qiáng)的冰下過流能力，壓減流量的幅度有所減小，２０１７—２０１８ 年度后，開河期最小壓減流量均在３５０ｍ３ ／ ｓ 以上，較之前的３００ ｍ３ ／ ｓ 左右提高了５０ ｍ３ ／ ｓ，同時(shí)采取應(yīng)急分凌措施減小開河動(dòng)力，為槽蓄水增量平穩(wěn)釋放創(chuàng)造有利條件。

３ 結(jié)論

２０１１—２０２０ 年，在氣溫、上游來水、河道條件及水庫調(diào)度等因素影響下，寧蒙河段凌情形勢總體平穩(wěn)，主要呈現(xiàn)流凌封河日期推遲、開河日期提前、封凍歷時(shí)和封河長度縮短、水文斷面最大冰厚變薄、槽蓄水增量減小、開河歷時(shí)變長、開河凌峰及最大１０ ｄ 水量減小、凌情極值頻繁出現(xiàn)等特點(diǎn)。氣溫整體偏高且上下游溫差增大是寧蒙河段２０１１—２０２０ 年流凌封河日期推遲、開河日期提前、封凍歷時(shí)和封河長度縮短、最大冰厚變薄的主要原因。凌汛期來水偏多，月際分配發(fā)生明顯變化，在一定程度上造成了流凌封河日期推遲、開河歷時(shí)變長、開河凌峰及最大１０ ｄ 水量減小。河道條件明顯改善，為大流量封河創(chuàng)造了有利條件，有利于冰下過流能力的恢復(fù)，在一定程度上抑制了槽蓄水增量的增大，造成槽蓄水增量近年來呈減小趨勢。水利工程建設(shè)及運(yùn)用是影響凌情的重要因素，海勃灣水庫的投入運(yùn)用在一定程度上改變了壩址以下河段的冰凌演變規(guī)律，同時(shí)科學(xué)合理的水庫調(diào)度也為平穩(wěn)封開河創(chuàng)造了有利條件。

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