萬(wàn)家寨水利樞紐庫(kù)尾凌情特征及變化

吳金峰，牟獻(xiàn)友

萬(wàn)家寨水利樞紐庫(kù)尾凌情特征及變化

吳金峰，牟獻(xiàn)友

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010018）

萬(wàn)家寨水利樞紐位于黃河中游，其庫(kù)區(qū)狹窄多彎，由于河道斷面寬度和河床比降變化大等特殊地形條件，每年進(jìn)入冬季的封開(kāi)河關(guān)鍵期容易形成冰塞、冰壩，出現(xiàn)凌汛災(zāi)害。對(duì)萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)1998年以來(lái)近15年的冰情資料進(jìn)行分析，并對(duì)庫(kù)區(qū)的冰凌進(jìn)行測(cè)量，分析總結(jié)庫(kù)區(qū)段流凌期、封凍期和開(kāi)河期的凌情特征及變化，以制定出更好的防凌方案。

冰壩；開(kāi)河；封河；壅水；萬(wàn)家寨水利樞紐

1　庫(kù)區(qū)概況

萬(wàn)家寨水利樞紐是我國(guó)重要水利樞紐之一，位于黃河中游上端，上距黃河上游與中游的分界處河口鎮(zhèn)104 km。壩址左岸為山西省忻州市偏關(guān)縣，右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗。萬(wàn)家寨水庫(kù)是一座峽谷型水庫(kù)，庫(kù)區(qū)狹窄多彎，許多斷面呈“U”形，且兩岸陡峻［1］，尤其是在牛龍灣處河床比降大，加上有渾河入口和鐵路橋等特殊地形條件，冰凌在此下泄不暢，極易卡冰結(jié)壩，造成嚴(yán)重壅水。

2　庫(kù)尾凌情

2.1庫(kù)區(qū)河道斷面位置

萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)河道研究范圍為壩前碼頭至頭道拐，即自WD01～WD70斷面，總長(zhǎng)為92 km［2］。萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)河道斷面位置見(jiàn)表1。

2.2庫(kù)尾凌情特征分析

2.2.1凌期特征

黃河內(nèi)蒙古河段冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)。一般把黃河的冰凌演變分為3個(gè)時(shí)期，即結(jié)冰期、封凍期和解凍期。對(duì)于黃河內(nèi)蒙古段來(lái)說(shuō)，進(jìn)入11月份，冷空氣不斷南侵，氣溫漸趨下降，河水溫度也隨之下降，當(dāng)溫度達(dá)到0℃以下，在河流岸邊出現(xiàn)薄冰［3］。由于水流的紊動(dòng)作用，河水失熱降溫是在整個(gè)水流各個(gè)部位同時(shí)進(jìn)行的，因此會(huì)形成冰花。隨著氣溫越來(lái)越低，冰花的數(shù)量也愈來(lái)愈多，當(dāng)密集的流冰在急彎、淺灘、窄細(xì)處卡堵后，后續(xù)的流冰便在該處以上河段形成封凍冰蓋，這時(shí)該河段便進(jìn)入了封凍期［4］。河流封凍后，因濕周的增加和冰蓋下冰花的堆積，水流阻力明顯增大，過(guò)水?dāng)嗝骘@著減小。因此，河道內(nèi)槽蓄水量必然增大，比暢流期同流量下的水位要高，槽蓄水量的多少將影響開(kāi)河形式。開(kāi)河的形式分為文開(kāi)河、武開(kāi)河和半文半武開(kāi)河。黃河岔河口冰情站冰情日期見(jiàn)表2。

黃河內(nèi)蒙古河段流冰日期一般在11月下旬。1998年～2013年，最早的是11月12日（1998年），最晚12月3日（2011年）。2012年11月中旬氣溫驟降，日最高氣溫降低7℃，日均氣溫降低5℃。11 月14日，庫(kù)尾開(kāi)始流凌，流凌密度不足10%。11 月21日后因氣溫略有回升，庫(kù)尾流凌現(xiàn)象曾一度消失。24日起受再次降溫的影響，庫(kù)尾及以上內(nèi)蒙河道再次出現(xiàn)流凌，流凌密度不足10%。每年凌期一到，流凌首日，冰凌就會(huì)在萬(wàn)家寨水庫(kù)庫(kù)尾回水區(qū)范圍內(nèi)某處停止，冰凌就會(huì)向上游延伸并形成堆積，且在庫(kù)尾豐準(zhǔn)鐵路橋至水泥廠一帶不斷堆積、緊冰，直到黃河內(nèi)蒙古河段封河，頭道拐流量減小后，封河才會(huì)向水泥廠、曹家灣以上河段發(fā)展。自1998年冬天以來(lái)，萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)總是在頭道拐流凌開(kāi)始日就開(kāi)始形成冰凌堆積，黃河內(nèi)蒙古河段首封日總是晚于萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)冰凌堆積日。

2.2.2封開(kāi)河期水位

萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)河道流凌期壅水最高水位見(jiàn)表3。從表3可以看出，近年庫(kù)尾各斷面水位較前些年有所提高，但頭道拐及其他水文站也都比較高。尤其是2004年～2005年封河前壅冰段的WD62、WD63斷面比2003年～2004年高3 m，開(kāi)河時(shí)水位也比其他年份的水位高，在水庫(kù)庫(kù)尾河段多處公路和村莊被淹。沿黃公路三道塔村柏油路路面過(guò)水后路面水痕和冰塊見(jiàn)圖1。

表1　萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)河道斷面位置

表2　黃河岔河口冰情站冰情日期　月-日

表3　流凌期壅水最高水位　m

圖1　路面水痕和冰塊

萬(wàn)家寨水庫(kù)庫(kù)尾河段大多是立封河段，凌汛開(kāi)河期形勢(shì)嚴(yán)峻。2008年，三湖河口出現(xiàn)歷史最高水位，巴彥高勒到頭道拐河段最大槽蓄水量達(dá)13.40 億m3，給開(kāi)河帶來(lái)不利。自2008年3月11日庫(kù)尾出現(xiàn)大面積清溝至2008年3月18日庫(kù)尾河段主槽全部開(kāi)通，麻地壕、蒲灘拐、喇嘛灣均出現(xiàn)了較高的水位，分別為989.15、987.54 m和986.28 m。其中，喇嘛灣水位離水庫(kù)最高移民高程僅0.72 m［5-6］。

3　凌情的影響因素及變化

影響凌情的主要因素有動(dòng)力因素（流量、水位、流速、風(fēng)力、波浪等）、熱力因素（氣溫、水溫、太陽(yáng)輻射等）、河道形態(tài)（河道的平面位置、河道走向、河道邊界特征等）、人類活動(dòng)等。本文主要從氣溫、流量、河道條件和水庫(kù)影響等幾個(gè)方面分析黃河萬(wàn)家寨水庫(kù)庫(kù)尾凌情變化情況。

黃河內(nèi)蒙古河段多年平均氣溫在0℃的天數(shù)為123 d，最大冰厚0.9 m。氣溫從11月份到二月中旬一直在0℃以下，從二月中旬氣溫開(kāi)始上升，冰凌開(kāi)始融化，到三月份進(jìn)入開(kāi)河期。

3.1氣溫

氣溫是影響冰情演變的主要熱力因素，導(dǎo)致冰量和冰質(zhì)的變化，決定封凍日期、封凍長(zhǎng)度、冰厚等。2013年～2014年凌汛期神泉日平均氣溫過(guò)程線見(jiàn)圖2。從圖2可知，2013年～2014年，從11月27日開(kāi)始流凌，12月9日開(kāi)始降溫，至12月14日封河，歷時(shí)18 d。同往年相比，流凌開(kāi)始時(shí)間晚、持續(xù)時(shí)間短、封河速度快。2013年12月24日～2014 年1月13日，對(duì)喇嘛灣公路橋、神泉高壓線進(jìn)行了3次典型斷面冰厚測(cè)量，同時(shí)對(duì)蒲灘拐、神泉泵站、郝家窯、張家圪旦進(jìn)行了一次典型斷面冰厚測(cè)量。最大河心冰厚（WD54斷面）0.78 m，最大岸邊冰厚（WD57斷面）0.86 m。斷面WD50～WD72冰花量2 256萬(wàn)m3，冰量1 064萬(wàn)m3堆冰總量2 256萬(wàn)m3。

圖2　2013年～2014年凌汛期神泉日平均氣溫過(guò)程線

3.2流量

對(duì)不穩(wěn)定封凍河段，氣溫是影響河段封凍的主要因素之一，在低氣溫下會(huì)引起封凍，而在高氣溫下河段不會(huì)封凍，但在氣溫不是很低的情況下，河道流量是河道封凍或不封凍的重要因素。在河道解凍開(kāi)河期氣溫是河道解凍開(kāi)河的主要因素，但小流量可以延長(zhǎng)解凍時(shí)間形成文開(kāi)河，大流量會(huì)加速解凍時(shí)間形成武開(kāi)河。

3.3河道條件

河道形態(tài)影響排凌、封河開(kāi)河的形勢(shì)。若河道的坡降過(guò)大或上寬下窄就會(huì)極易卡冰而形成冰壩。萬(wàn)家寨水利樞紐是一座峽谷型水庫(kù)，庫(kù)區(qū)兩岸陡峻，河道大部分?jǐn)嗝娉省癠”形。2010年12月23日，在巨合灘大橋上出現(xiàn)卡冰導(dǎo)致排凌受阻，起初為冰凌堆積，后來(lái)形成冰塞，導(dǎo)致水位上漲最高，到24日02∶15時(shí)潰決下泄，兩岸留有大量殘留冰。由于上游大量的流冰，致使該段嚴(yán)重冰塞段進(jìn)一步堆加，水位大幅上壅，冰塞推移至斷面WD53～WD59之間，形成嚴(yán)重的冰塞段，水位上升很高，斷面WD57水位979.90 m、下塔水泥廠自記水位981.20 m。在各種作用力的推動(dòng)下，25日11∶00時(shí)冰塞段開(kāi)始潰決，推動(dòng)下游基本未動(dòng)的冰面一次性進(jìn)入庫(kù)區(qū)即下城灣以下，水位大幅下跌4.0 m以上，下泄后的河槽兩岸仍留有大量殘留冰。潰決過(guò)程中，流冰通過(guò)岔河口大橋時(shí)順利通過(guò)，無(wú)有阻冰現(xiàn)象。2010年3月25日，頭道拐上10 km以下全部開(kāi)河，在渾河口以下屬于武開(kāi)河。

3.4水庫(kù)

在河道上修建水庫(kù)影響下游河段的熱力因素和水力因素，進(jìn)而影響庫(kù)區(qū)的凌情變化。黃河上游修建的龍羊峽水庫(kù)和劉家峽水庫(kù)對(duì)萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)的凌情有一定的影響。劉家峽水庫(kù)在內(nèi)蒙古河段的封開(kāi)河期增加下泄流量，并要求流量過(guò)程平穩(wěn)，大大改善了黃河內(nèi)蒙古河段的冰凌情勢(shì)。

4　凌情變化

1998年～2013年近15年的凌情與歷史凌情相比，萬(wàn)家寨水庫(kù)冰期氣溫、封凍天數(shù)、開(kāi)河流量等都有變化。萬(wàn)家寨水庫(kù)運(yùn)用后，沒(méi)有上游的來(lái)冰，且提高了大壩底孔泄流水溫，致使萬(wàn)家寨水庫(kù)庫(kù)尾河段的初封日期、穩(wěn)封日期明顯推遲，封河長(zhǎng)度也會(huì)明顯縮短。

萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)的冰期氣溫在近15年呈上升趨勢(shì)。但在2000年1月和2009年1月遭遇低氣溫天氣和寒流侵襲。在鄂爾多斯市達(dá)拉特旗烏蘭段首先出現(xiàn)流凌，之后，隨著沿河地區(qū)氣溫的下降，流凌密度增加，流凌河段加長(zhǎng)。從內(nèi)蒙古巴彥淖爾市磴口縣三盛公站至頭道拐水文站之間河段流凌密度為30%～60%；頭道拐水文站至萬(wàn)家寨水庫(kù)庫(kù)尾河段流凌密度為50%～80%；壺口在2009年1月17日發(fā)生凌汛災(zāi)害，清澗灣出現(xiàn)險(xiǎn)情。壺口附近黃河凌汛現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖3。

圖3　壺口附近黃河凌汛現(xiàn)場(chǎng)

近10來(lái)年，萬(wàn)家寨水庫(kù)的北干流河道流量比水庫(kù)運(yùn)行前的流量明顯減小，一般在300 m3/s。2002年，頭道拐、河曲、府谷的流量均下降，尤其在河曲段流量下降到221.99 m3/s。萬(wàn)家寨水庫(kù)庫(kù)尾一般的封凍天數(shù)是60～70 d。由于寒流侵襲，在1999年～2000年度封凍天數(shù)為101 d。近15年來(lái)，寧蒙河段冰期槽蓄水增量變化明顯。其中，2005年該河段冰期槽蓄水增量達(dá)到近20億m3，創(chuàng)下了近15年之最。

圖4　1998年～2009年凌汛期流量統(tǒng)計(jì)

5　結(jié)語(yǔ)

黃河凌汛問(wèn)題是黃河治理中的重大問(wèn)題之一。本文對(duì)黃河萬(wàn)家寨水庫(kù)庫(kù)尾凌情的影響因素和變化情況進(jìn)行了分析，隨著氣溫、流量的不同，還會(huì)有新的問(wèn)題出現(xiàn)。黃河防凌工作主要是在凌汛期，尤其在是流凌期和開(kāi)河期容易發(fā)生凌災(zāi)，流凌期冰密度過(guò)大容易形成冰塞，導(dǎo)致冰壩。在開(kāi)河期，若是武開(kāi)河，易導(dǎo)致下游的路面淹沒(méi)。只有在凌汛期加強(qiáng)防凌工作，完善防凌工程措施，并加強(qiáng)非工程措施，才能保證凌汛期的安全，把凌洪災(zāi)害降到最低。

［1］馬喜祥，熊運(yùn)阜，徐偉，等.萬(wàn)家寨水庫(kù)冰情淺談［J］.泥沙研究，2003（4）：66-72.

［2］翟家瑞，金雙彥，熊運(yùn)阜，等.黃河萬(wàn)家寨水庫(kù)防凌運(yùn)用方式研究［M］.鄭州：黃河水利出版社，2013.

［3］可素娟，王敏，饒素秋，等.黃河冰凌研究［M］.鄭州：黃河水利出版社，2002.

［4］黃河流域及西北片水旱災(zāi)害編委會(huì).黃河流域水旱災(zāi)害［M］.鄭州：黃河水利出版社，1996.

［5］鄂爾多斯市水文勘測(cè)局.岔河口冰情站2007年～2008年度黃河凌汛技術(shù)總結(jié)［R］.鄂爾多斯：鄂爾多斯市水文勘測(cè)局，2008.

［6］黃河萬(wàn)家寨水利樞紐有限公司防汛辦公室.萬(wàn)家寨水利樞紐凌汛開(kāi)河期總結(jié)［R］.鄭州：黃河水利委員會(huì)，2008.

（責(zé)任編輯楊?。?/p>

Characteristics and Changes of Ice Regime in Wanjiazhai Reservoir

WU Jinfeng，MOU Xianyou
（College of Water Conservancy and Civil Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，Inner Mongolia，China）

Wanjiazhai Water Multi-purpose Dam Project locates in the middle reaches of Yellow River which forms a narrow and multi-bending reservoir.Because of the special terrain conditions of narrow water surface and large river channel slope in Wanjiazhai Reservoir，the ice damming and ice flood disasters are easy to be appeared in ice freezing and thaw period in winter.The ice data in past 15 years since 1998 in Wanjiazhai Reservoir are analyzed and the ice conditions in river are investigated.The ice regimes in the periods of ice-run，freezing and thaw are analyzed respectively to make a better ice flood control scheme.

ice dam；river ice thaw；river ice freezing；backwater；Wanjiazhai Water Multi-purpose Dam Project

TV875（226）

A

0559-9342（2016）02-0017-04

2015-10-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51569020）；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2015MS0515）

吳金峰（1990—），女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，碩士研究生，主要從事工程水力學(xué)研究；牟獻(xiàn)友（通訊作者）.