黃河冰凌演變機理及防凌技術(shù)研究進展

蘇茂林，鄧 宇，藺 冬

（1.黃河水利委員會，河南 鄭州 450003；2.黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；3.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

黃河凌汛威脅是一項長期難以解決的問題，歷史上有“凌汛決口、河官無罪”之說。黃河凌災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境復(fù)雜、災(zāi)害范圍廣，凌汛預(yù)見期短、突發(fā)鏈發(fā)性強和防控難度大，使得黃河冰凌災(zāi)害成為我國冬春季節(jié)大江大河中最突出、最重大的自然災(zāi)害。但黃河凌汛發(fā)生發(fā)展機理研究薄弱，凌情信息獲取難且時效性差，冰凌預(yù)報技術(shù)不成熟，水庫防凌調(diào)度理論與技術(shù)體系不完善，破冰減災(zāi)技術(shù)手段安全隱患大且準確性差等，嚴重制約了冰凌災(zāi)害的科學(xué)有效防御。1986—2008年，黃河內(nèi)蒙古河段發(fā)生了12次凌汛決口，對沿黃經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定造成巨大影響。近些年來，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，流域各省（區(qū)）國民經(jīng)濟呈現(xiàn)快速穩(wěn)定增長態(tài)勢，財富逐年積累，凌汛災(zāi)害損失越來越重，政治、經(jīng)濟、社會影響越來越大，黃河防凌工作已成為我國冬春季防汛工作的頭等大事。為此，黃河水利委員會相關(guān)部門聯(lián)合多家單位歷時多年攻關(guān)，產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合，理論研究、現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬、原型試驗等多種手段交叉融合，實現(xiàn)了黃河冰凌災(zāi)害防御“基礎(chǔ)理論揭示→監(jiān)測技術(shù)突破→預(yù)報模型集成→防凌調(diào)度創(chuàng)新＋應(yīng)急破冰技術(shù)研發(fā)”全鏈條理論技術(shù)突破與系統(tǒng)集成，本文針對相關(guān)研究成果分別進行概述。

1 黃河冰凌演變機理

在冰凌理論研究方面，單一的冰力學(xué)行為和宏觀表現(xiàn)的研究成果已有積累［1－2］，但針對冰凌生消、破碎、冰塞冰壩演變［3－7］，冰－水－沙聯(lián)合過程中的冰花冰遷移、冰－水耦合、冰－結(jié)構(gòu)物耦合等方面的研究［8－10］，均缺少黃河冰力學(xué)行為的相關(guān)參數(shù)的理論支撐，結(jié)合黃河冰泥沙［11］的研究成果相對較少。下面從冰蓋形成及演變和冰下過流能力兩方面闡述相關(guān)的研究成果。

1.1 冰蓋形成及演變

水流動力因素、氣溫?zé)崃σ蛩睾秃拥罈l件是封河形成的主要影響因素，封河所需的累積負氣溫值與流量成正比，與降溫強度成反比。黃河上游水庫的修建和河道條件的改變，導(dǎo)致封河所需累積負氣溫更低。通過建立不同流量級下封河日期與累積負氣溫的相關(guān)關(guān)系，明確了不同流量和降溫強度下封河所需累積負氣溫指標。動水條件下，累積日均氣溫極值日遲滯于冰蓋厚度極值日（見圖1，內(nèi)蒙古河段遲滯24～29 d），滯后期內(nèi)氣溫對冰厚的影響減小，水動力成為影響冰厚的主要因素。冰蓋生消受熱力與水力學(xué)要素的共同影響，將滯后期內(nèi)日均氣溫差作為水流動力作用修正溫度項S′，基于冰凍度－日法建立了冰蓋生消方程，見式（1），相關(guān)計算結(jié)果如圖2所示。

圖1 累積負氣溫與冰蓋生消存在滯后期

圖2 計算結(jié)果與實測值對比

式中：hi為冰蓋厚度；h0為初始冰厚；Si為日均累積負氣溫絕對值；S′為溫度修正值；t為冰蓋形成天數(shù)；α、β為經(jīng)驗系數(shù)；ε為常數(shù)項。

1.2 冰下過流能力

河流封凍初期，冰蓋底部糙率較大，冰花較多，過流斷面面積急劇減小，流速變小，過流能力快速下降，最小流量為封河流量的30%左右。隨著封凍的逐步發(fā)展，水流磨蝕作用導(dǎo)致冰蓋底部糙率逐漸減小，過流斷面面積則逐漸增大，河道過流能力逐漸增大，穩(wěn)定封河期一般恢復(fù)至封河流量的80%左右（見圖 3）。冰塞形成后，改變了局部流場，河床將發(fā)生較大橫向調(diào)整，突破了對黃河凌汛期河床演變的傳統(tǒng)認知（見圖 4）。

圖3 封河前后同流量水位變化情況

圖4 冰塞演變對河床調(diào)整的影響

基于上述分析，建立了冰期水位（Z）與暢流期水位（Z0）、流凌密度（Ca）、岸冰寬度（B0）、冰蓋糙率（ni）之間的關(guān)系，見式（2）。

式中：Z為修正后的冰期水位；B為河寬。

2 冰凌監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用

黃河水文觀測站長期依靠人工進行冰情觀測，觀測次數(shù)少，實時性不強，導(dǎo)致凌汛水文資料匱乏。解決這一問題的主要方法是尋求一種可適應(yīng)惡劣野外工作環(huán)境、同時能對河道冰層內(nèi)部狀態(tài)及冰情參數(shù)（如冰層厚度、溫度、冰下流速、流凌密度、流凌速度等）進行連續(xù)自動監(jiān)測的技術(shù)及設(shè)備。

2.1 冰凌監(jiān)測系統(tǒng)

基于介質(zhì)導(dǎo)電特性差異、溫度差異、聲學(xué)多普勒等原理，研發(fā)了冰情連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括溫度式冰水情自動監(jiān)測設(shè)備（見圖 5）、電導(dǎo)率式冰水情自動監(jiān)測設(shè)備（見圖 6）；首次實現(xiàn)了氣－冰－水界面的自動精確捕捉識別、冰層內(nèi)部參數(shù)和冰蓋生消全過程連續(xù)自動監(jiān)測（見圖 7），將關(guān)鍵凌情參數(shù)冰厚的測量精度提高到±1 cm；解決了傳統(tǒng)測驗方法自動化程度低、勞動強度高、危險性大、信息量少、同步性差等問題，突破了冰期測驗的技術(shù)瓶頸。相關(guān)成果已在黃河內(nèi)蒙古三湖河口、包頭和頭道拐河段進行了推廣應(yīng)用。

圖5 溫度式冰水情監(jiān)測設(shè)備

圖6 電導(dǎo)率式冰水情監(jiān)測設(shè)備

圖7 冰厚日溫度垂向變化測驗成果

2.2 冰凌圖像識別技術(shù)

針對多細絲結(jié)構(gòu)冰凌或蓮葉冰、強光照多泥沙條件下呈現(xiàn)弱目標形態(tài)的黃河冰凌視頻圖像特點，運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)邊緣檢測和目標輪廓主動分割算法，實現(xiàn)了在不依賴閾值的情況下進行有效邊緣分割與目標識別，增強了算法的抗噪聲和紋理干擾的能力，提高了識別精度（見圖8、圖 9）。

圖8 原始冰凌影像

圖9 C－V模型二值化結(jié)果

針對冰凌在漂浮過程中具有不斷旋轉(zhuǎn)、互相遮擋且形狀多變等特點，運用基于強角點特征點集的金字塔光流法，實現(xiàn)了多冰凌目標的動態(tài)實時追蹤。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)精度分析，試驗測量誤差可有效控制在5%左右，冰凌圖像識別率達90%，滿足相關(guān)水文測量規(guī)范及精度要求。將凌汛險情災(zāi)情觀察視角從局部擴大到全局，實現(xiàn)了河道凌情影響范圍及漫灘洪水范圍的全天候監(jiān)測（見圖 10）。

圖10 0.8 m高分二號遙感影像

3 冰凌預(yù)報技術(shù)及其應(yīng)用

在冰凌預(yù)報方面，黃河水利委員會20世紀50年代開始凌情預(yù)報相關(guān)工作，最初采用簡單指標法進行流凌封河日期預(yù)報，逐漸發(fā)展為經(jīng)驗相關(guān)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方法、冰凌數(shù)學(xué)模型方法等。針對黃河冰情特點建立的模型推動了黃河冰凌模型的發(fā)展，但由于模型開發(fā)的目標和背景不同、河道地形測量和冰凌觀測數(shù)據(jù)較少等，因此各模型的功能都不夠完善，模擬精度也受到很大限制。為此，基于數(shù)值預(yù)報和統(tǒng)計預(yù)報相結(jié)合的方法，開發(fā)了中短期氣溫預(yù)報模型，實現(xiàn)了1～10 d寧蒙河段五站中短期氣溫預(yù)報。融合中短期氣溫預(yù)報、水文熱力學(xué)、冰水動力學(xué)等建立多學(xué)科交叉的冰凌耦合模擬預(yù)報系統(tǒng)，實現(xiàn)了對水溫、水內(nèi)冰、流凌、岸冰、冰蓋熱力增長、開河等冰凌生消演變?nèi)^程模擬和預(yù)報。采用統(tǒng)計學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)構(gòu)建了凌情特征值預(yù)報系統(tǒng)，預(yù)報流凌、封開河日期等特征值，并將開河日期的預(yù)見期延長到20 d。典型水文站預(yù)報結(jié)果見表1，主要是對寧蒙河段石嘴山水文站、巴彥高勒水文站、三湖河口水文站和頭道拐水文站2006—2010年流凌日期、封河日期、開河日期進行了預(yù)報，預(yù)報總合格率在70%以上。

表1 2006—2010年寧蒙四站統(tǒng)計模型冰情預(yù)報情況 d

4 防凌調(diào)度技術(shù)及應(yīng)用

4.1 防凌調(diào)度技術(shù)

目前，黃河上游水庫防凌調(diào)度主要是基于水量的調(diào)度，重點研究劉家峽水庫出庫流量控制過程，考慮因素相對不足，為實現(xiàn)凌汛期全過程、多目標調(diào)控，將水庫群、堤防、應(yīng)急分洪區(qū)及大型涵閘等集成為防凌工程體系，提出了凌汛期全過程、多目標的“上控、中分、下排”調(diào)控理念，創(chuàng)建了多功能、多時段防凌工程體系協(xié)同調(diào)控機制（見圖 11）。

圖11 “上控、中分、下排”防凌工程體系

“上控”以水庫群防凌調(diào)度為常規(guī)手段，在冰凌的形成、發(fā)展和釋放過程中，一方面控制各階段水庫下泄流量，即流凌封河期控制適宜的封河流量，穩(wěn)定封凍期壓減水庫下泄流量、維持冰下平穩(wěn)過流，開河期進一步控制泄流、減小凌峰流量；另一方面，控制凌汛期不同階段水庫防凌運行水位，在滿足水庫防凌調(diào)度要求的同時，兼顧流域供水、灌溉、發(fā)電、生態(tài)保護等綜合利用要求，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置和合理利用。通過“上控”工程的防凌運用，逐步形成和發(fā)展了水庫防凌調(diào)度的技術(shù)理論。水庫防凌調(diào)度的技術(shù)理論已納入《水庫調(diào)度設(shè)計規(guī)范》（GB／T 50587— 2010），為黃河防凌調(diào)度實踐提供了強力支撐。

“中分”以應(yīng)急分洪區(qū)和涵閘引水工程分水調(diào)度為應(yīng)急輔助手段，在發(fā)生冰塞、冰壩等險情和河道內(nèi)高水位歷時較長時，適時啟用分水工程分流河道內(nèi)水量、降低河道水位、緩解凌汛緊張形勢。根據(jù)設(shè)計分水能力、上游來水來冰情況、下游防凌要求，結(jié)合供水、灌溉、生態(tài)保護等多目標需求，綜合確定分水流量。

“下排”是防凌工程防凌調(diào)度運用的最后一道安全保障措施，利用兩岸堤防和河道整治工程，確保凌汛期河道水流及流凌順利下泄，避免河道冰凌堵塞造成壅水漫溢或決堤。此外，在“下排”運用中，還應(yīng)考慮防凌河段下游水庫水位的頂托影響，避免凌汛期河道水流及流凌下排不暢的局面。

4.2 黃河上游寧蒙河段2019—2020年度防凌調(diào)度實例

2019年11月1日，龍羊峽水庫蓄水位為2 599.78 m，滿足庫水位不超過2 600 m要求。11月15日，劉家峽水庫水位降至1 717.98 m，為凌汛期預(yù)留了19.26億m3防凌庫容，滿足相應(yīng)庫水位降至1 717～1 721 m、預(yù)留16億～20億m3防凌庫容的要求。引水結(jié)束后，劉家峽水庫按照寧蒙河段要求的封河流量控制下泄，保持流量平穩(wěn)并緩慢減小，封河期劉家峽水庫下泄流量為450～600 m3／s。封河期末劉家峽水庫水位不超過1 730 m，為開河期預(yù)留約6億m3的防凌庫容。開河關(guān)鍵期，劉家峽水庫進一步減小下泄流量至380 m3／s，促使內(nèi)蒙古河段平穩(wěn)開河。開河期，劉家峽水庫最高蓄水位為1 734.74 m，不超過正常蓄水位1 735 m。隨著寧蒙河段逐步開河以及槽蓄水增量穩(wěn)步釋放，3月中下旬劉家峽水庫加大流量下泄。2019—2020年度凌汛期間，劉家峽、海勃灣、萬家寨等水庫實際調(diào)度基本與預(yù)案一致，劉家峽水庫總下泄水量為86.9億m3，為1989年龍羊峽、劉家峽水庫聯(lián)合調(diào)度運用以來同期下泄水量第二多的年度，比預(yù)案81.99億m3多泄4.91億m3。

5 破冰排凌技術(shù)及應(yīng)用

在破冰排凌減災(zāi)技術(shù)方面，國際上采用的破冰手段主要有機械式破冰和爆破破冰兩種方式。國外主要利用破冰船等機械動力裝置進行破冰防凌［12］。我國則較多采用爆破破冰的方式，依據(jù)使用材料的不同，可分為炸藥破冰和炮彈破冰。無論是飛機投彈還是地面炮擊，均受氣象條件制約，投彈精度低、時效性差，不能體現(xiàn)“搶早、搶小”的搶險原則［13］。

5.1 車載火箭破凌爆破帶專用破冰裝備

利用火箭爆破帶發(fā)射車，將火箭破凌爆破帶運載到指定地域，以火箭為動力，利用展直技術(shù)將破凌爆破帶投放到預(yù)定冰面，對凌區(qū)實行水平線切割爆破。爆破帶設(shè)計成獨特的聚能裝藥形式，具有柔性特征，靈活性好，可長可短、可重疊、可集中堆積，也可將多套爆破帶組合使用，在起爆系統(tǒng)控制下，快速高效地完成冰凌疏排任務(wù)，爆破過程幾乎無金屬飛片（見圖 12）。與傳統(tǒng)的破冰排凌技術(shù)和方法相比較，該裝備具有安全可靠、機動快速、操作簡便、不受環(huán)境制約等優(yōu)點，特別適用于黃河封河期短河段冰蓋破除、開河期長河段人工干預(yù)開河。

圖12 車載火箭破凌爆破帶破冰試驗

5.2 船載聚能破冰彈專用破冰技術(shù)裝備

針對凌汛期的復(fù)雜環(huán)境，采用氣墊船作為載運工具，載運搶險人員和聚能破冰彈到達指定地點，實現(xiàn)預(yù)控冰下爆破，能量利用率近100%。爆破時不產(chǎn)生金屬破片，且非金屬復(fù)合材料殼體破片飛散距離不大于50 m（見圖 13）。該裝備主要適用于黃河封河期短河段冰蓋破除、冰壩局部破除、局部隱患消除和冰塞消除。

圖13 船載聚能破冰彈專用破冰技術(shù)裝備及爆破試驗

上述破冰技術(shù)裝備已在黃河內(nèi)蒙古包頭河段進行了試驗和應(yīng)用，破冰效果很好，為破冰排凌提供了新的技術(shù)與裝備，提高了冰凌險情應(yīng)急處置能力。

6 結(jié)論與建議

黃河冰凌問題是黃河治理中的重大問題之一，針對黃河凌汛發(fā)生發(fā)展機理研究薄弱、凌情信息獲取難且時效性差、冰凌預(yù)測預(yù)報技術(shù)不成熟且預(yù)見期較短、水庫防凌調(diào)度理論與技術(shù)體系不完善、破冰減災(zāi)技術(shù)手段安全隱患大且準確性差等相關(guān)問題，對近些年來取得的一些創(chuàng)新性成果進行了概述，主要成果如下。

（1）解析了流量、氣溫和河道條件與封河形成的復(fù)雜關(guān)系，確立了封河形成的負積溫指標，提出了動水條件下冰蓋演變規(guī)律及生消熱量平衡方程；揭示了冰下過流能力變化的物理機制，提出了冰期水位流量關(guān)系修正方法、冰下水流的垂線流速分布公式。

（2）集成了冰情連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)，融合了中短期氣溫預(yù)報、冰凌輸移、水流演進等模型，與統(tǒng)計值、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測、數(shù)據(jù)挖掘等手段互證互補，構(gòu)建了冰凌生消全過程的預(yù)報技術(shù)體系。

（3）提出了防凌工程體系聯(lián)合調(diào)控理念，豐富了黃河防凌調(diào)度理論，創(chuàng)建了多功能、多時段防凌工程體系協(xié)同調(diào)控機制，構(gòu)建了凌汛期全過程、多目標調(diào)控的水庫群防凌補償調(diào)度技術(shù)，優(yōu)化了水庫群聯(lián)合防凌調(diào)度方案。

（4）研制了車載火箭破凌爆破帶、船載聚能破冰彈專用破冰裝備，顯著提高了冰凌險情應(yīng)急處置能力。

建議在傳統(tǒng)測驗方式的基礎(chǔ)上，進一步加強河道地形測量和河道巡查工作，推動新技術(shù)、新方法在凌情監(jiān)測中的應(yīng)用，提高凌情監(jiān)測自動化、智能化水平，逐步建立自動化凌情監(jiān)測體系。進一步開展黃河上游防凌工程聯(lián)合調(diào)度研究，全面提高黃河防凌綜合能力，優(yōu)化凌汛期水庫群和分凌工程聯(lián)合調(diào)度，提高水資源綜合利用效率和效益，實現(xiàn)防凌、發(fā)電、供水、灌溉等多項目標效益最大化。