封河期頭道拐水位與萬家寨水庫水位關(guān)系研究

梁貴生 熊運(yùn)阜 路秉慧 霍庭秀 路新川 孫超

摘要：頭道拐水文站至萬家寨庫尾回水末端（拐上）河段長42km，其間以黑圪勞灣為界，上段屬平原型河道，比降較小，歷史上年年封河；下段比降增大，歷史上較少封河，萬家寨蓄水后幾乎年年封河。凌汛期間，頭道拐河段水位變化是否受萬家寨水庫水位影響，頗受關(guān)注。分析2015年封河期頭道拐至萬家寨水庫河段水位變化過程，得出：庫區(qū)冰塞頭部形成位置取決于河道條件、水庫水位和河道流量；庫尾冰塞一旦形成，庫水位變化不對庫尾冰塞產(chǎn)生影響；什四份彎道卡冰封河后頭道拐至萬家寨河段凌情趨于穩(wěn)定；頭道拐河段水位，流凌、穩(wěn)定封凍階段由流量決定，封河發(fā)展階段受冰塞壅水影響，與萬家寨庫水位變化無關(guān)。

關(guān)鍵詞：封河期；水位；頭道拐；萬家寨水庫

中圖分類號：TV875；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.006

1 概述

頭道拐水文站距萬家寨大壩114km，是萬家寨水庫的入庫站。頭道拐上游5km處的什四份（險(xiǎn)工）彎道，上寬下窄，形成卡口，極易卡冰封河。頭道拐至拐上（萬家寨水庫回水末端）河段長42km，其間以黑圪澇灣為界，上段河長17km，屬平原型河道，比降小，歷史上年年封河；下段河長25km，比降增大，萬家寨水庫運(yùn)行前封河年份少于不封河年份，水庫運(yùn)行以后幾乎年年封河。拐上至萬家寨大壩為庫區(qū)，河道長72km，屬峽谷地貌，天然狀態(tài)比降大、流速快，不封河；水庫蓄水后，冰凌于回水末端堆積、鋪冰上延形成冰塞，在岔河口以上的曹家灣一帶形成嚴(yán)重壅水，并影響拐上。河道位置示意見圖1[1]。

為觀測分析水庫水位變化對庫尾冰塞及拐上以上尤其是頭道拐河段的影響，在頭道拐至萬家寨大壩間（簡稱頭萬河段，包括頭道拐上游9km）布設(shè)了16個(gè)水位自記站（見表1）。筆者根據(jù)2015年冬季自記水位資料，分河段（頭道拐、拐上、庫區(qū)，其中庫區(qū)又分庫尾、庫中和庫前，見表2）、分期（庫區(qū)被冰凌完全覆蓋前為流凌封河期，什四份彎道卡冰封河后為穩(wěn)定封凍期，中間為封河發(fā)展期）對上下游水位關(guān)系進(jìn)行分析。

2015年11月26日，頭萬河段初始流凌于距壩56km處堆積形成冰塞頭部；28日冰塞頭部下移至距壩47.6km，尾部距壩56km；12月5日，冰塞尾部距壩70km，庫區(qū)河段基本被冰凌完全覆蓋，流凌封河期結(jié)束。12月9-10日庫尾河段、拐上河段冰塞壅水影響頭道拐河段，形成萬家寨水庫蓄水以來最嚴(yán)重的凌情；12月14日晚什四份彎道卡冰封河（黃河內(nèi)蒙古河段首封），封河發(fā)展期結(jié)束。12月15日頭萬河段進(jìn)入穩(wěn)定封凍期，12月17日頭道拐斷面封河。封河過程中，頭道拐河段水位與萬家寨庫水位變化無關(guān)，流凌和穩(wěn)定封凍期由河道流量決定，封河發(fā)展期受下游冰塞影響。

2 頭道拐河段水位變化分析

2.1 流凌封河期

11月26日—12月4日為流凌封河期，期間頭道拐河段水位變化的特點(diǎn)是流量過程（見圖2）決定水位過程（見圖3），圖3中4站水位過程線形狀、趨勢與圖2中流量過程線一致。

11月27日前，流量過程平穩(wěn)，各站水位過程平穩(wěn)且呈平行走勢；11月27-28日流量上漲，各站水位也相應(yīng)上漲，起漲時(shí)間下游較上游延后，符合流量沿河道傳遞的規(guī)律。11月29日—12月4日，各站水位過程與流量過程趨勢一致；與27日前相比，水位上漲過程中，什四份彎道河段岸冰生長縮窄過水?dāng)嗝妫瑢?dǎo)致什四份水位升高，使其與下游麻地壕的水位落差增大，與上游二道拐的水位落差減小，在圖3中表現(xiàn)出二道拐過程線與什四份過程線間距較27日前略變小、什四份與麻地壕的間距較27日前變大。

2.2 封河發(fā)展期

12月5-14日為封河發(fā)展期，期間頭道拐河段4站水位變化過程（見圖4）與流量變化過程（見圖5）沒有相似性。5-10日流量略有上漲、變化幅度不大，但各站水位上漲幅度較大；10日水位達(dá)到最高，流量并不是最大；11日流量達(dá)到最大，但水位已經(jīng)下降；11-14日流量下降幅度較大，水位僅11-13日略有下降，13-14日基本持平。

23日后，四站水位過程同流量過程基本一致，但以頭道拐為界，上游二道拐、什四份兩站水位小幅下降，下游麻地壕、海口兩站水位下降較多，原因?yàn)槭菜姆?、二道拐斷面冰凌堆積封河，屬立封河段，河道冰花大量分布，水位壅高較多，斷面水位（冰面高程）對流量變化的敏感度降低；海口、麻地壕斷面屬于鋪冰上延封河，斷面無冰花，過流通道大，斷面水位對流量變化的敏感度較高。23日后四站水位過程由流量過程決定。

從12月5-10日水位上漲過程還可以看出，二道拐、什四份上漲幅度小，麻地壕、?？谏蠞q幅度依次加大，原因?yàn)楹？谙掠伪账绊懗潭认蛏嫌问茄爻虦p弱的。9日晚至10日?？谙掠伪麧Q，?？谒幌陆捣茸畲?，麻地壕次之，什四份和二道拐下降幅度更小且一致，原因?yàn)楸麧Q影響程度是向上游逐漸減弱的。

2.3 穩(wěn)定封凍期

因上游來水流量減小到500m3/s以下（見圖5），12月14日晚什四份彎道卡冰封河，15日起頭萬河段進(jìn)入穩(wěn)定封凍期。15日，上游來凌堆積壅水使二道拐水位急劇上漲（見圖4），什四份水位站位于彎道卡冰封河段下緣，水位過程平穩(wěn)。由于什四份彎道卡冰封河壅水，因此什四份以下河道流量進(jìn)一步減小，15日麻地壕、?？谝蛳掠魏佣畏夂盂账簧蠞q（見圖4、圖6）。綜合圖4～圖7可以看出，15日晚二道拐斷面進(jìn)入穩(wěn)定封凍期，16日午后什四份、麻地壕、海口等斷面進(jìn)入穩(wěn)定封凍期。

綜合分析得出，頭道拐河段四站水位過程在流凌、穩(wěn)定封凍期由流量決定，封河發(fā)展期主要受河段冰塞影響；什四份彎道卡冰封河導(dǎo)致下游流凌少，使頭道拐河段凌情穩(wěn)定。

3 拐上河段水位變化分析

流凌封河期（11月26日—12月4日）拐上河段水位過程（見圖8）與頭道拐流量過程（見圖2）一致。12月4日拐上站水位開始受下游河段冰塞壅水影響。

封河發(fā)展期（12月5-14日），拐上河段水位過程（見圖9～圖11）與流量過程（見圖5）沒有關(guān)系，只受冰塞影響。其原因?yàn)楣丈虾佣蝺?nèi)有6座橋梁[2]、3個(gè)彎道、5處心灘，易阻冰形成分段冰塞壅水。6日夜間呼準(zhǔn)鐵路橋附近河段發(fā)生了一次冰塞壅水過程，影響范圍直達(dá)?？凇?日傍晚毛不拉附近河段冰塞潰決，導(dǎo)致毛不拉至神泉各站水位下降，冰凌下行引起拐上站水位急劇上升到986.5m左右；同時(shí)，神泉上游至巨合灘之間產(chǎn)生冰塞壅水及潰決，影響了巨合灘、?？谒蛔兓?。8日夜間毛不拉、小灘子之間橋墩阻冰形成冰塞壅水與潰決，引起小灘子至?？诟魉徽拘纬梢淮嗡粷q落過程。同樣的過程9日凌晨還發(fā)生了一次。

12月9日下午，呼準(zhǔn)鐵路橋河段冰塞潰決，毛不拉及以上各站水位急劇下降，冰凌下行于拐上下游附近河段堆積，造成拐上站水位劇烈上漲2m以上。10日下午，拐上下游水泥廠河段冰塞潰決，引起拐上及以上各站水位一致下降（見圖9）。11-15日，毛不拉及以上各站水位過程基本一致，其中小灘子、巨合灘站壅水情況明顯（見圖10、圖11），主要為河道心灘阻冰引起。

12日起，拐上站水位與毛不拉及以上各站水位過程沒有對應(yīng)關(guān)系。13日起拐上站水位一直趨于回落過程中，對上游各站水位過程沒有產(chǎn)生任何直接影響（見圖10、圖11），原因?yàn)楣丈现撩焕g的準(zhǔn)興高速公路橋、呼準(zhǔn)鐵路橋及河道心灘阻冰形成冰塞壅水，隔離了上下游間的直接水力聯(lián)系，也就是說，自12日起拐上及以下河段水位變化不影響拐上上游河段水位。14日晚什四份彎道封河以后，至15日上午毛不拉至海口各站封河壅水過程結(jié)束。

綜合圖9～圖11可以看出，封河發(fā)展期間，拐上站水位變化與毛不拉至?？诟髡舅蛔兓g沒有對應(yīng)關(guān)系，7日白天毛不拉站水位對拐上站水位的漲落過程沒有任何反應(yīng)，足以說明問題。16日起，各站水位過程呈平行走勢，水位變化取決于河道流量（見圖11、圖12、圖7），拐上河段封河趨于穩(wěn)定。

拐上河段水位過程分析總結(jié)：①流凌封河、穩(wěn)定封凍期河道水位取決于流量；②封河發(fā)展期河道水位主要受冰塞影響，與流量過程基本沒有關(guān)系；③心灘、橋墩、彎道等分散阻冰，形成分段冰塞，起隔離作用，使拐上站水位變化不影響上游河段水位。4庫區(qū)河段水位關(guān)系分析

分析拐上、水泥廠、岔河口三站及庫水位（萬碼頭）變化過程（見圖13）特點(diǎn)，可以看出，初始流凌時(shí)（11月26日），庫水位、岔河口水位同步下降；27-28日，庫水位明顯下降，但岔河口水位僅略有下降，與庫水位基本沒有關(guān)聯(lián)；28日夜間至29日，庫水位穩(wěn)定，岔河口水位明顯上漲；30日，庫水位、岔河口水位趨于平穩(wěn)，水泥廠水位明顯上漲；12月2日，岔河口上游發(fā)生了冰塞緊冰過程，岔河口水位急劇上漲；12月4日晚，拐上站水位開始上漲。

由岔河口和萬碼頭水位變化過程的相互關(guān)系可以看出，自11月27日夜間開始，岔河口水位與庫水位變化間沒有表現(xiàn)出關(guān)聯(lián)關(guān)系，這說明岔河口水位（冰面高程）為975m以上時(shí)，庫水位變化對岔河口水位沒有影響。

5 萬家寨庫區(qū)冰塞發(fā)展與庫水位的關(guān)系

5.1 庫區(qū)冰塞發(fā)展演變過程

2015年11月26日頭萬河段開始流凌，冰凌于萬家寨庫區(qū)距壩56km處堆積，形成初始冰塞頭部。在冰凌堆積、流量增大和庫水位下降的多重作用下，28日15：00左右冰塞頭部下行至距壩47.6km處停滯，此后冰塞頭部位置穩(wěn)定。冰塞尾部位置：11月26日位于距壩57.5km處，12月5日位于距壩65.6km處，6日位于距壩70km處（曹家灣上游），7日位于距壩74.3km處，8日庫尾曹家灣河段冰塞急劇發(fā)展，尾部到達(dá)距壩84.5km（章蓋營村）處；距壩89.7km處（小灘子村）呼鄂城際鐵路橋卡冰形成另一冰塞，長500m，壅水影響范圍達(dá)河口鎮(zhèn)。

12月9日9：30左右，冰塞上延到距壩89km（呼鄂鐵路橋下1km）處，規(guī)模達(dá)到最大，冰塞體連續(xù)長度為41.4km。9日13：30左右上延到89.3km處；15：00左右小灘子冰塞潰決，冰凌下行堆積疊加到章蓋營河段，連續(xù)冰塞體發(fā)生緊冰作用，呼準(zhǔn)鐵路橋（章蓋營村）河段冰塞下移；15：00—15：45水泥廠河段冰塞下移，導(dǎo)致拐上附近河段冰塞上下游水位落差增大，15：50-16：20拐上附近河段冰塞下行，冰凌疊加堆積，使水泥廠至三道塔河段水位上漲；16：20后拐上站水位持續(xù)上漲；16：50冰塞尾部位于距壩66km處（曹家灣），冰塞長度18.4km。上游來凌持續(xù)堆積，不穩(wěn)定冰塞緊冰作用持續(xù)發(fā)生，冰凌擠壓下行通過距壩60-65km的順直河段后，遇到連續(xù)彎道、準(zhǔn)朔鐵路（復(fù)線）橋墩、紅河岔口、灘地等阻礙，于距壩55km附近停滯堆積；17；30岔河口水位開始上漲，19；00水位最高達(dá)到981.87m，90min水位漲幅近5m。此后，夜間氣溫降低，冰塞體穩(wěn)定性增強(qiáng)，緊冰強(qiáng)度減弱；上游來凌持續(xù)堆積，至10日上午冰塞尾部位于距壩73km處（拐上村），冰塞長度25.4km。

12月10日，上游來凌不斷堆積，13：50左右距壩66km（曹家灣）附近河段冰塞發(fā)生緊冰作用，冰凌下行至水泥廠附近堆積壅水，14：00左右30min內(nèi)水泥廠水位上漲近3m；此時(shí)冰塞尾部距壩65km左右。9-10日萬家寨庫尾冰壅水面線演變情況見圖14。

12月11日冰塞尾部上延到距壩70km的喇嘛灣公路大橋（前房子村），14日上延到距壩85.9km處，15日上延到距壩87.8km處。此時(shí)，城際鐵路橋卡冰封河至呼大高速公路橋，黑圪澇灣卡冰封河至巨合灘橋下700m，什四份卡冰封河至張家圪旦。15日下午巨合灘橋上下游封河長約1km，16日封河上延至麻地壕，17日封河上延到頭道拐斷面上游官牛懼。至此，頭道拐至萬家寨庫區(qū)河段穩(wěn)定封凍。

5.2 庫區(qū)冰塞頭部位置與庫水位的關(guān)系

11月26日流凌于距壩56km處堆積形成初始冰塞頭部，此時(shí)庫水位約為974.6m；28日頭部位于距壩47.4km，此后冰塞頭部位置穩(wěn)定，當(dāng)日8；00庫水位972.49m。距壩56km處平均河底高程969m，對應(yīng)26日水位斷面平均水深約為5.6m；距壩47.4km處斷面河底平均高程約為963.5m，對應(yīng)28日庫水位斷面平均水深約為9m。11月26-28日河道流量由400m3/s上漲到近800m3/s，庫水位下降約2m，冰塞頭部向庫中推進(jìn)了近9km，但距壩57.3km的岔河口水位沒有下降。萬家寨庫區(qū)距壩60km以下有連續(xù)彎道、卡口、岔口和鐵路橋墩，在這些條件約束下，流量400m3/s時(shí)形成堆冰頭部位置的平均水深約為6m，流量800m3/s時(shí)形成堆冰頭部位置的平均水深約為9m。

萬家寨庫區(qū)河道地形及河底比降，一般情況是不會(huì)改變的，決定堆冰頭部位置的主要因素只有庫水位和流量。流凌封河期河道流量為 400～800m3/s、設(shè)計(jì)庫水位低于975m，因此堆冰頭部位置也就形成于庫中河道內(nèi)，即位于距壩57km的岔河口鐵路橋至距壩44km的大沙灣之間。

5.3 庫尾冰塞發(fā)展與庫水位的關(guān)系

由頭萬河段水位、流量過程（見圖15）可以看出，11月28日岔河口河段冰塞發(fā)展趨于穩(wěn)定后，冰塞向上游發(fā)展直到拐上。期間，不同規(guī)模冰塞緊冰過程不斷發(fā)生，影響河段長度也在變化。如12月9日一次較大緊冰過程，影響了拐上至岔河口全庫尾河段，引起岔河口水位急劇上漲。從圖15還可看出，11月28日以后，庫水位在975 m以下變化對岔河口冰塞不產(chǎn)生影響，因?yàn)椴砗涌谒唬ū娓叱蹋└哂趲焖蛔兓秶?。文獻(xiàn)[2]曾對2001-2009年共8個(gè)封河期麻地壕、蒲灘拐、水泥廠的水位上升變化與萬家寨水庫水位之間的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)論為三站水位上升與庫水位之間沒有明顯對應(yīng)關(guān)系。事實(shí)表明，當(dāng)庫水位上升到足夠接近岔河口水位（冰面高程）時(shí)，才會(huì)影響岔河口河段冰凌堆積體；上升到足夠接近水泥廠水位（冰面高程）時(shí)，才會(huì)影響水泥廠河段冰凌堆積體。萬家寨庫水位最高只能達(dá)到980m，一般年份水泥廠冰凌堆積體冰面高于982m。也就是說，萬家寨水庫水位無論如何變化，都不會(huì)對水泥廠冰塞體產(chǎn)生影響，也就不會(huì)對頭道拐斷面水位產(chǎn)生影響。

6 結(jié)論

（1）流凌與穩(wěn)定封凍階段頭道拐河段水位由流量決定，封河發(fā)展階段受河段冰塞影響。

（2）什四份彎道卡冰封河使河道流量急劇減小，頭萬河段封河趨于穩(wěn)定。

（3）河道流量、庫水位變化范圍決定冰塞頭部位于岔河口鐵路橋至距壩44km的多彎道河段。

（4）萬家寨庫尾冰塞形成后，水泥廠冰面高于982m，庫水位變化對水泥廠及以上河段冰凌不產(chǎn)生任何影響，更不會(huì)對頭道拐河段水位產(chǎn)生影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬喜祥，熊運(yùn)阜，徐偉，等.萬家寨水庫冰情淺議[J].泥沙研究，2003，28（4）：66-72.

[2]翟家瑞，金雙燕，熊運(yùn)阜，等.黃河萬家寨水庫防凌運(yùn)用方式研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2013：56-86.