黑龍江防凌減災(zāi)研究進(jìn)展

彭旭明，吳煜楠，徐金鵬，路錦枝，鄒德昊，王 濤

(1.黑龍江省防汛抗旱保障中心，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.河南省南陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局； 3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

1 研究背景

黑龍江位于我國(guó)最北端，為中俄界河，在北緯41°以北的高緯度地區(qū)，冬季受西伯利亞冷空氣活動(dòng)的影響，在極地大陸氣團(tuán)和蒙古高壓控制下，氣候干燥嚴(yán)寒，日平均氣溫從10月轉(zhuǎn)入零下，次年4月回升到零上，最低氣溫(1～2月)在零下35 ℃ 以下，北部漠河可達(dá)零下50 ℃以下。河流封凍期(11月—翌年4月)長(zhǎng)達(dá)150～170 d，最大冰厚可達(dá)2.0 m，冰面積雪深度平均為20～30 cm，最大可達(dá)100 cm。

黑龍江上游支流分布和河道走勢(shì)為：額爾古納河、石勒喀河及上游南側(cè)支流額木爾河、盤(pán)古河等都是由西南流向東北，由低緯度流向高緯度，最大緯度差7 °、緯距長(zhǎng)700 km，使源頭和支流開(kāi)江早于干流，導(dǎo)致黑龍江上游江段形成“倒開(kāi)江”[1]。受特定地理位置和氣候影響，在春季開(kāi)江時(shí)形成不同程度的冰壩，產(chǎn)生凌汛。冰壩一般長(zhǎng)10～30 km，最長(zhǎng)達(dá)45 km(1985年，孫吳縣沿江鄉(xiāng)霍爾漠津冰壩)，高5～9 m，最高達(dá)15 m(1960年，漠河縣興安鎮(zhèn)連崟冰壩)。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，黑龍江局部河段卡塞幾乎年年都有，平均3 a左右形成一次具有一定規(guī)模的冰壩。

黑龍江凌汛災(zāi)害特點(diǎn)如下：①防凌戰(zhàn)線(xiàn)長(zhǎng)、難于監(jiān)測(cè)，局部山區(qū)發(fā)生凌汛冰壩最初卡塞點(diǎn)難以具體確定；②受?chē)?guó)際界河影響，地理位置特殊、防凌工作受限制，實(shí)施空中偵察和空中力量破除冰壩程序繁雜、準(zhǔn)備期長(zhǎng)，而凌汛冰壩成災(zāi)的速度又很快，難于應(yīng)對(duì)；③河流冰厚大、冰層堅(jiān)固，冰厚一般都1 m左右，最大冰厚超過(guò)3 m；④冰壩阻塞距離長(zhǎng)、高度大；⑤冰壩穩(wěn)定性強(qiáng)，從冰壩形成到潰決總歷時(shí)不等，一般為2～8 d，最長(zhǎng)達(dá)14 d；⑥冰壩洪水漲率快，壅水高度大;⑦凌汛峰高量大，波及范圍廣；⑧冰壩洪水成災(zāi)急，災(zāi)情重，冰壩壅高水頭平均高達(dá)5～9 m，潰決后瞬間釋放大量能量，而且攜帶巨大冰塊，對(duì)波及到的堤防、建筑物、耕地等造成嚴(yán)重?fù)p害。因此，無(wú)論從歷史災(zāi)害、冰壩長(zhǎng)度、壅水高度還是防御難度上黑龍江凌汛都超過(guò)黃河凌汛。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和黑龍江兩岸中俄國(guó)際交流的日漸頻繁，冰凌洪災(zāi)也關(guān)系到拓展和豐富國(guó)際河流開(kāi)發(fā)與管理，因此得到中俄雙方的共同關(guān)注。冰凌研究水平的相對(duì)滯后，將會(huì)導(dǎo)致我們?cè)谶吔绾恿鞴芾?、開(kāi)發(fā)、開(kāi)展對(duì)話(huà)中處于被動(dòng)地位。目前，國(guó)內(nèi)在冰害防治方面已就黃河、南水北調(diào)工程等開(kāi)展了相關(guān)研究[2-4]，但黑龍江所處位置、氣候條件以及河道復(fù)雜程度等與上述河渠差異較大，相關(guān)成果已不太適合東北高寒地區(qū)、厚冰層的江河防凌工作。此外，受地理位置偏遠(yuǎn)、資金、凌汛專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才、專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)器材不足影響，對(duì)黑龍江凌汛冰壩災(zāi)害防治研究開(kāi)展得較少、較晚。鑒于目前嚴(yán)峻的冰凌形勢(shì)，開(kāi)展黑龍江高寒地區(qū)冰情預(yù)報(bào)及災(zāi)害防治研究不僅能提高防凌減災(zāi)科學(xué)研究的進(jìn)程，而且也適應(yīng)當(dāng)前黑龍江經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需求。

本文從黑龍江當(dāng)前已經(jīng)完成的黑龍江防凌減災(zāi)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)、黑龍江冰情現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和測(cè)量、冰情預(yù)報(bào)和防凌爆破等方面概述黑龍江防凌減災(zāi)進(jìn)展情況。

2 黑龍江防凌減災(zāi)系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)

完成黑龍江典型江段以水雨情、冰情、災(zāi)情信息采集系統(tǒng)和氣象氣侯預(yù)報(bào)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通信系統(tǒng)為保障，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為依托，冰情預(yù)報(bào)和決策支持系統(tǒng)為核心的黑龍江防凌減災(zāi)決策支持系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，圖1為黑龍江防凌減災(zāi)決策支持系統(tǒng)頂層結(jié)構(gòu)圖。

圖1 黑龍江防凌減災(zāi)決策支持系統(tǒng)頂層結(jié)構(gòu)圖

完備的頂層設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)傳遞冰凌、冰災(zāi)、冰壩和氣象的預(yù)報(bào)信息，網(wǎng)上防凌會(huì)商和決策，實(shí)際的冰情預(yù)報(bào)和預(yù)警，避免突發(fā)事故發(fā)生，減少災(zāi)害發(fā)生時(shí)造成的人員傷亡及財(cái)物損失等。

為了頂層設(shè)計(jì)更好的為黑龍江防凌服務(wù)和配合黑龍江防凌觀測(cè)站建設(shè)，在漠河水位站附近4～5 km的江段上建立了3個(gè)固定式冰雪情觀測(cè)站(如圖2)，用于測(cè)量氣溫、水溫、冰蓋厚度、覆雪厚度、冰雪層內(nèi)部溫度梯度、風(fēng)速、太陽(yáng)總輻射量，以及冰面靜態(tài)圖像等數(shù)據(jù)，作為頂層設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用實(shí)例。該觀測(cè)站從2015—2018年連續(xù)在封冰期運(yùn)行。溫度梯度式冰情自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和積雪深度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)均位于江邊位置，從上游到下游的設(shè)備編號(hào)依次為B2、B1和B3；R-T冰情自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)均位于江心位置，從上游到下游的設(shè)備編號(hào)依次為C1、C2和C3；GPRS河道定點(diǎn)冰凌圖像遙測(cè)系統(tǒng)和風(fēng)速及太陽(yáng)輻射自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)位于北極廣場(chǎng)，此設(shè)備的編號(hào)定義為A1。

圖2 漠河水位站附近上、中、下游設(shè)備安裝位置示意圖

3 冰情的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和測(cè)量

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院和大連中?？萍及l(fā)展有限公司聯(lián)合研發(fā)的IGPR-10型冰厚水深綜合測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用于黑龍江冰情的測(cè)量和冰塞冰壩的快速探測(cè)[5]，該雷達(dá)系統(tǒng)是在原單一冰厚雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在技術(shù)上突破了以100 MHz和1500 MHz雷達(dá)為基礎(chǔ)的冰厚水深綜合測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)，并通過(guò)RTK系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。該系統(tǒng)通過(guò)交替工作周期為15 ms的分時(shí)工作來(lái)避免不同頻率雷達(dá)間的相互干擾，利用冰厚和水深綜合探測(cè)時(shí)在時(shí)間上表現(xiàn)為相鄰道號(hào)數(shù)據(jù)振幅穩(wěn)定、漸變的特點(diǎn)，采用相關(guān)性層位追蹤算法提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

在我國(guó)緯度最高的黑龍江漠河段，對(duì)冰厚-水深綜合測(cè)量雷達(dá)的穩(wěn)定性、耐低溫性能和測(cè)量精度等進(jìn)行了全面的測(cè)試，其中水深的測(cè)量數(shù)據(jù)與水位壓力傳感器(精度0.5%)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，冰厚的測(cè)量數(shù)據(jù)與L型量冰尺(精度1 mm)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，雙頻雷達(dá)水深測(cè)量的平均誤差為3.97%；覆雪條件下冰厚測(cè)量的平均誤差為4.32%。在-25 ℃的環(huán)境溫度下，雷達(dá)系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，可連續(xù)工作8 h以上。

2015年采用冰厚-水深綜合測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)，在經(jīng)常發(fā)生冰壩災(zāi)害的黑龍江漠河縣龍島碼頭河段開(kāi)展了冰水情原型觀測(cè)，觀測(cè)河段長(zhǎng)約535 m[5]。測(cè)量結(jié)果(圖3)表明：碼頭上游的冰厚在0.9～1.0 m之間，水深在3.0 m左右；碼頭下游的冰厚在0.8～0.9 m之間，水深則增加到6.0 m。

圖3 2015年龍島碼頭河段冰厚和水深的測(cè)量結(jié)果(從上游到下游)

上述測(cè)量結(jié)果也解釋了龍島碼頭經(jīng)常發(fā)生冰壩的原因：①龍島碼頭河段為彎道，冰塊流動(dòng)時(shí)的阻力較大；②從上游到下游，河床高程大幅降低，水深由3.0 m迅速增大到6.0 m，這意味著流速突然放緩，進(jìn)一步導(dǎo)致上游來(lái)冰在龍島碼頭處的擠推和堆積，易于導(dǎo)致冰壩的形成。近幾年開(kāi)河前對(duì)黑龍江龍島碼頭河段的冰塞中部和下游分別開(kāi)展了防凌爆破，爆破后龍島碼頭河段開(kāi)河期間冰塊流動(dòng)順暢，爆破河段未發(fā)生冰壩災(zāi)害。因此，通過(guò)冰厚-水深綜合測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)，可以高效地獲取冰水情參數(shù)的連續(xù)數(shù)據(jù)，以便更清楚地認(rèn)識(shí)冰塞、冰壩發(fā)生的原因和本質(zhì)，進(jìn)而采取恰當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施。

2017年4月，采用氣墊船攜帶冰厚-水深綜合測(cè)量雷達(dá)開(kāi)展北極村至洛古河村有史以來(lái)第一次冰情沿江調(diào)查，測(cè)量長(zhǎng)度66 km，沿江調(diào)查冰情路線(xiàn)和測(cè)量冰厚-水深。2018年4月開(kāi)江前采用冰厚、水深綜合測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)，測(cè)量呼瑪冰塞冰壩易發(fā)地點(diǎn)20 km的冰厚、水深分布，找到冰壩潛在發(fā)生位置，采取有針對(duì)性的爆破措施。

新型的冰厚-水深綜合測(cè)量雷達(dá)突破空氣-冰-水-河床聯(lián)測(cè)難題，可廣泛用于江、河、湖、庫(kù)及調(diào)水明渠冬季的冰厚、水深連續(xù)測(cè)量及冰塞、冰壩的快速探測(cè)(如圖4所示)，為冰塞、冰壩、冰凌、洪水防控提供有效測(cè)量手段，也為冰情預(yù)報(bào)和防凌爆破提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐[6]。

圖4 冰厚水深綜合測(cè)量雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

4 黑龍江冰情預(yù)報(bào)及災(zāi)害評(píng)估

對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和開(kāi)河冰壩成因及機(jī)理研究基礎(chǔ)上，建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的冰情預(yù)報(bào)模型。冰情預(yù)報(bào)中，各種現(xiàn)象的相關(guān)因素比較復(fù)雜，偶然因素對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果影響較大。對(duì)于受多種因子影響而很難找到一個(gè)確切相關(guān)關(guān)系的問(wèn)題，利用模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題很強(qiáng)的非線(xiàn)性映射能力、對(duì)信息處理的魯棒性和容錯(cuò)性、對(duì)信息含糊和不完整等復(fù)雜情況的處理有較強(qiáng)適應(yīng)性特點(diǎn)，建立適合冰情特征以模糊-神經(jīng)理論為基礎(chǔ)的冰情預(yù)報(bào)系統(tǒng)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)，找到適合黑龍江冰情預(yù)報(bào)的規(guī)律，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程如圖5所示[7-8]。該模型能夠完成黑龍江流凌日期、封河日期、開(kāi)河日期、水溫、冰塞、冰壩和開(kāi)河水位等的預(yù)報(bào)。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程

將開(kāi)發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論冰情預(yù)報(bào)模型應(yīng)用到黑龍江上游凌汛災(zāi)害頻發(fā)的漠河江段冰壩預(yù)報(bào)中，及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)了開(kāi)河及冰壩的發(fā)生情況。以及時(shí)、準(zhǔn)確的冰壩預(yù)報(bào)為提前，制訂主動(dòng)防凌方案、災(zāi)害預(yù)警和防凌措施實(shí)施提供重要的科學(xué)依據(jù)。本預(yù)報(bào)模型應(yīng)用到2017年黑龍江上游漠河江段冰情預(yù)報(bào)中，在4月1日預(yù)報(bào)出2017年開(kāi)河期將不發(fā)生冰壩災(zāi)害，預(yù)報(bào)開(kāi)河日期為4月28日。實(shí)測(cè)為黑龍江上游漠河洛古河江段開(kāi)江日期為4月28日，北極鄉(xiāng)江段開(kāi)河日期為4月24日，未發(fā)生冰壩造成的凌汛災(zāi)害。洛古河開(kāi)河日期同預(yù)報(bào)值同天，北極鄉(xiāng)在開(kāi)河前(4月9日—4月12日)實(shí)施開(kāi)江前預(yù)防性的防凌爆破，使其比上游洛古河開(kāi)河提前，比預(yù)報(bào)早4 d開(kāi)河，本次預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期超過(guò)24 d。采用2017年10月1日—2018年3月15日漠河氣象局提供的日均氣溫和降水量。3月16日預(yù)報(bào)黑龍江開(kāi)江情況，2018年漠河江段將不發(fā)生冰壩引起的凌汛災(zāi)害，開(kāi)河日期為4月27日—30日左右。實(shí)際情況為漠河江段未發(fā)生冰塞、冰壩引起的凌汛災(zāi)害，開(kāi)江日期為4月26日，本次預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期為41 d。根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》[9](GB/T 22482—2008)，預(yù)見(jiàn)期>15 d允許預(yù)報(bào)誤差7 d，2017年開(kāi)河日期預(yù)報(bào)值和實(shí)測(cè)值誤差均小于允許誤差，且準(zhǔn)確預(yù)報(bào)冰壩發(fā)生情況。

在冰壩預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，提出冰壩等級(jí)、冰情災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和預(yù)警等級(jí)的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，及冰情災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，并給出不同災(zāi)害等級(jí)的冰壩的預(yù)防和破除措施。

5 防凌爆破研究

實(shí)測(cè)資料顯示黑龍江上游開(kāi)河前實(shí)測(cè)冰蓋厚度能達(dá)2.0 m，冰蓋強(qiáng)度大，冰蓋上積雪覆蓋層厚，很難通過(guò)冰表面處理、冰蓋的機(jī)械破壞、切割冰蓋、氣墊船破冰和河道開(kāi)孔等非工程措施實(shí)現(xiàn)大面積的冰塊結(jié)構(gòu)的破壞和移動(dòng)，因此炸藥爆破冰蓋或冰壩成為黑龍江預(yù)防或緩解冰情災(zāi)害最有效的方法[10-13]。

2013—2018年黑龍江上游呼瑪縣、塔河縣的典型江段及漠河縣的北極村、北紅村和興安鎮(zhèn)開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)防凌爆破試驗(yàn)(如圖6)，并且央視多家頻道、全球網(wǎng)絡(luò)新聞(GNN)跟蹤和報(bào)道了黑龍江的防凌爆破工作。

通過(guò)黑龍江上游江段現(xiàn)場(chǎng)防凌爆破試驗(yàn)研究，提出了防凌爆破的可靠方法和關(guān)鍵技術(shù)[14]：

(1)建立了表達(dá)黑龍江冰凌爆破中冰蓋厚度、冰下水深、炸藥用量同爆破坑半徑之間關(guān)系的公式。新公式預(yù)報(bào)的爆破坑半徑值和實(shí)測(cè)值平均相對(duì)誤差在8.5%以?xún)?nèi)。同已有的研究成果比較，該研究成果論證了冰下水深對(duì)爆破坑半徑的影響，所提出的爆破坑半徑公式不僅適應(yīng)于冰蓋厚度小的河流，也適合高寒地區(qū)冰蓋厚、強(qiáng)度大、水深淺的天然河流，且預(yù)報(bào)精度較高。

(2)提出了爆破坑分類(lèi)定義方法。首次在防凌破冰后，將爆破坑進(jìn)行分類(lèi)對(duì)爆破坑區(qū)域進(jìn)行定義，按照爆破后爆破坑型特征分為：山包狀爆破坑、標(biāo)準(zhǔn)爆破坑和完全爆破坑三類(lèi)，如圖7所示。

(3)改進(jìn)了防凌爆破技術(shù)。通過(guò)冰下橫向和豎向爆破對(duì)比分析，指出炸藥冰下橫向布置比豎向布置更能夠充分發(fā)揮炸藥沖擊波對(duì)冰的作用力，爆破對(duì)冰的破壞力強(qiáng)，效果好。明確了冰下爆破炸藥應(yīng)采取橫向放置方式。

圖6 北極村和北紅村防凌爆破現(xiàn)場(chǎng)

圖7 爆破坑類(lèi)型

6 總結(jié)與展望

通過(guò)2015—2018年開(kāi)河前黑龍江上游冰塞和冰壩的預(yù)報(bào)研究、冰情的檢測(cè)及冰塞、冰壩的快速探測(cè)和防凌爆破試驗(yàn)研究，開(kāi)河期間黑龍江上沒(méi)有發(fā)生冰塞和冰壩凌汛災(zāi)害，整個(gè)河道順利開(kāi)江。特別是2016年，開(kāi)河前4月份降雨量超過(guò)多年平均77%，為冰壩發(fā)生創(chuàng)造有利條件。本研究工作保護(hù)河道兩岸工業(yè)、農(nóng)業(yè)、人員生命、財(cái)產(chǎn)和資源安全，保證河道兩岸人民安定的生產(chǎn)和生活，促進(jìn)了社會(huì)的和諧和穩(wěn)定。該研究成果能為高寒地區(qū)河流冰情觀測(cè)、冰情預(yù)報(bào)和防凌爆破提供科學(xué)的技術(shù)支撐和參考依據(jù)。

黑龍江地處邊疆，交通、通訊、觀測(cè)設(shè)備落后，水文站的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)平均水平，導(dǎo)致水文數(shù)據(jù)缺乏，災(zāi)害的觀測(cè)、預(yù)報(bào)、防治和研究進(jìn)展緩慢。為了促進(jìn)黑龍江防凌減災(zāi)研究的發(fā)展，需要提高和完善黑龍江水文和氣象觀測(cè)設(shè)備和技術(shù)，更需要冰科學(xué)研究專(zhuān)家和學(xué)者參與黑龍江冰情研究。推動(dòng)黑龍江冰情及防凌減災(zāi)研究的發(fā)展，契合國(guó)家在“重大江河綜合治理”“重大災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)以及重大自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估技術(shù)”領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)需要，也符合國(guó)家“一帶一路”倡議對(duì)中俄邊界河流黑龍江經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需求。