基于黑龍江烏云站凌汛洪水預(yù)報方法

郭 鋒

(黑河水文局，黑龍江 黑河164300)

冰凍是寒冷地區(qū)普遍存在的一種自然現(xiàn)象，冰情是指河流從初冬季節(jié)出現(xiàn)浮冰、形成冰蓋至結(jié)冰體消融全過程的水文情勢［1］。凌汛是指河道里的冰凌對水流的阻力和春季降雨、融雪共同作用而出現(xiàn)的漲水現(xiàn)象。河流中的冰凌不僅直接影響到航運、交通、發(fā)電、給排水等水利工程建設(shè)，而且當冰凌嚴重阻塞河道時，往往會導(dǎo)致洪水泛濫成災(zāi)，給人民生命財產(chǎn)帶來重大損失。黑龍江干流面臨兩類洪水的威脅，即暴雨洪水和凌汛洪水。凌汛洪水突發(fā)性較強、漲勢猛、而且冰凌運行規(guī)律較難掌握，產(chǎn)生的災(zāi)害有時更甚于暴雨洪水。因此，加強對凌汛洪水的研究，做好凌汛期洪水預(yù)報，為當?shù)胤懒?、防汛提供及時準確的信息服務(wù)具有重要意義。

1 測站概況和冰情特征

1.1 測站概況

烏云站為黑龍江干流中游水位控制站，位于黑龍江右岸嘉蔭縣烏云鎮(zhèn)。該站斷面以上河長1 199 km，至河口距離1 641 km，集水面積8.38 ×104km2。測站上游左岸25 km處有布列亞江匯入，右岸80 km處有庫爾濱河匯入，下游右岸50 km處有烏云河匯入，河流左岸在俄羅斯境內(nèi)。該站屬大陸性季風氣候，特點是春天較晚多大風，夏季較短而濕熱，秋季降溫快、霜來早，冬季嚴寒而漫長，歷年平均氣溫為－1.3 ℃，平均無霜期115 d。

1.2 冰情特征

該站處于中高緯度地區(qū)，受氣候影響，河流每年出現(xiàn)明顯的冰情現(xiàn)象。烏云站斷面河流初冰期在10月下旬;秋季流冰期約25 d;封河期在12月上旬;全年封凍天數(shù)約140 d;解凍期為4月下旬; 春季流冰期約10 d; 終冰( 暢流)日期在5月上旬。該站實測最大岸邊冰厚1.61 m; 最大冰上雪深0.55 m; 實 測 最 大 面 積 流 冰 塊 長 40 m，寬 25 m，冰速0.85 m/s。

2 凌汛洪水特征與成因分析

黑龍江烏云站凌汛洪水過程一般在4月下旬—5月下旬，凌汛期洪水可分為3 種類型，即: 融冰、融雪洪水，冰塞洪水和冰壩洪水。融冰、融雪洪水常因上游河段河水溶解，槽蓄水量釋放，引起沿程洪峰不斷增大而形成的洪水。冰塞洪水是指在河流封凍期冰花和碎冰塊局部堵塞冰蓋下面的過水斷面，使上游水位雍高而形成的洪水。冰壩洪水是指河道在流冰期流冰體遇阻堆積形成冰壩以后，嚴重阻塞河道過水斷面，使上游水位抬高而形成的洪水。冰塞和冰壩洪水的大小主要取決于冰塞程度和冰壩體積的大小以及維持時間的長短。一般來講冰塞洪水歷時較長，冰壩洪水漲率較大。凌汛期災(zāi)害性洪水總體成因主要有以下3個方面:

2.1 氣溫影響

由于氣溫的作用有時會導(dǎo)致開河時上游段對比下游段氣溫偏高，由于上游冰層溶解較快，下游冰層溶解較慢，下游河段就有可能出現(xiàn)來水量過大無法及時下泄，而在部分河段出現(xiàn)冰塞或冰壩的現(xiàn)象，雍高水位形成凌汛洪水。

2.2 河道形態(tài)影響

河道內(nèi)如存在多處上寬下窄的形態(tài)，就容易引起槽蓄水量的上多下少和排洪能力的上大下小，河水極易遇阻成災(zāi)。在河道的淺灘地段，較大冰塊可能因遇阻而攔截水流，逐漸堆積形成冰塞甚至冰壩，導(dǎo)致洪水漫溢成災(zāi)。該站自有監(jiān)測記錄以來，并無較大規(guī)模冰塞、冰壩冰情現(xiàn)象發(fā)生，因此冰塞、冰壩引起的凌汛洪水對該地區(qū)威脅較小。

2.3 降雨、融雪影響

由于流域冬季土壤處于凍結(jié)狀態(tài)，春季雖稍有融化但淺層土壤內(nèi)存在大面積不透水層，此時土壤下滲能力極低，遇較強降雨時土壤含水層會迅速達到飽和狀態(tài)，流域產(chǎn)流量明顯大于暢流期。流域冬季積雪較厚，平均厚度約25 cm，春季氣溫回升時導(dǎo)致積雪融化，加上降雨影響容易形成融雪徑流，該站歷年的凌汛洪水主要由春季降雨和融雪徑流形成。

3 凌汛洪水預(yù)報方法

黑龍江在每年11月—次年3月這一時期進入冬季枯水期。冬季由于河流封凍，徑流靠地下水補給，4月以后氣溫明顯升高，流域積雪融化和河流解凍形成凌汛，形成每年一次的凌汛洪水，有時凌汛洪峰水位即為全年最高水位。本文凌汛洪水預(yù)報目標對象主要是指正常情況下由春季降雨、融雪徑流形成的洪水，預(yù)見期約30 d，屬中長期洪水預(yù)報。由冰塞和冰壩現(xiàn)象形成的凌汛洪水，因發(fā)生概率低且突發(fā)性強，目前暫無較長預(yù)見期的預(yù)報方法，主要靠及時的水文情報來預(yù)警。

由于河流冰情現(xiàn)象的復(fù)雜性和對相應(yīng)影響因素觀測手段的限制，以及預(yù)報對象與預(yù)報因子間并無確定的函數(shù)關(guān)系，所以凌汛預(yù)報主要采用經(jīng)驗相關(guān)分析法和統(tǒng)計回歸分析法［2］。本文采用建立多元線性回歸方程模型法來預(yù)報該站凌汛洪峰水位，該方法預(yù)報結(jié)果唯一，模型參數(shù)易于更新，避免了經(jīng)驗相關(guān)圖法因人而異、主觀性強、相關(guān)因子較少和數(shù)據(jù)點據(jù)更新困難等弊端。

模型數(shù)學(xué)方程參數(shù)率定和預(yù)報精度評價。凌汛洪水一般與河段去冬今春降水量、開河時上游來水、融冰、融雪徑流量、氣溫、水溫以及開河形勢有關(guān)［2］。根據(jù)黑龍江烏云站和其上游奇克站1981—2010年冰期實測數(shù)據(jù)，經(jīng)過優(yōu)選，最終選用烏云站4月份平均水溫( x1i) 、11月至次年4月烏云站與奇克站平均降雪量( x2i) 、封凍期最大河心冰厚( x3i) 和最大冰上雪深( x4i) ，奇克站4月份平均水位( x5i) 等5 項相關(guān)參數(shù)與烏云站實測凌汛最高水位( Hi) 建立線性相關(guān)關(guān)系，組成預(yù)報方程模型:

式中: a、b、c、d、e 為方程系數(shù)，f 為常數(shù)項，i 表示年份。用參數(shù)率定軟件求出方程系數(shù)和常數(shù)項，得到預(yù)報方程為:

方程歷史擬合與檢驗結(jié)果見附表。對于預(yù)報要素屬數(shù)值類型的預(yù)報結(jié)果取預(yù)報要素在預(yù)見期內(nèi)實測變幅的20%作為允許誤差標準［2］。由表1 可見，在30個點據(jù)中，合格點據(jù)有19個，合格率為63.3%，達到丙級預(yù)報方案精度標準［2］。

4 結(jié) 語

由于凌汛洪水成因復(fù)雜，影響因素較多，因資料獲取范圍和理論認識深度限制，本文所選用模型數(shù)學(xué)方程歷史擬合精度不是很高，模型參數(shù)還有待完善和增加，模型結(jié)構(gòu)也有待進一步更新。河流冰情現(xiàn)象具有較大的地域差異性，同一江河的不同河段、同一河段的不同時間內(nèi)的凌汛洪水在其類型、成因、發(fā)生時間、洪水特征等方面，均有不同表現(xiàn)。隨著江河治理與開發(fā)，將在一定程度上改變江河凌汛洪水形成的動力、熱力與邊界條件，直接影響了部分河段凌汛形成規(guī)律，甚至出現(xiàn)新的凌汛問題。因此，為適應(yīng)社會與經(jīng)濟發(fā)展需要，應(yīng)加強對凌汛形成規(guī)律和凌汛洪水預(yù)報工作的研究。

表1 黑龍江烏云站凌汛洪峰水位預(yù)報模型歷史擬合與檢驗精度統(tǒng)計表

［1］李慧瓏. 水文預(yù)報［M］. 北京:水利電力出版社，1993.

［2］水利部水利信息中心. SL250—2000 水文情報預(yù)報規(guī)范［S］. 北京:中國水利水電出版社，2000.