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.河南省南陽水文水資源勘測局； 3.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

1 研究背景

黑龍江位于我國最北端，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為：額爾古納河、石勒喀河及上游南側(cè)支流額木爾河、盤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700 km，使源頭和支流開江早于干流，導(dǎo)致黑龍江上游江段形成“倒開江”[1]。受特定地理位置和氣候影響，在春季開江時(shí)形成不同程度的冰壩，產(chǎn)生凌汛。冰壩一般長10～30 km，最長達(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，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)線長、難于監(jiān)測，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受國際界河影響，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，而凌汛冰壩成災(zāi)的速度又很快，難于應(yīng)對；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3 m；④冰壩阻塞距離長、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，對波及到的堤防、建筑物、耕地等造成嚴(yán)重?fù)p害。因此，無論從歷史災(zāi)害、冰壩長度、壅水高度還是防御難度上黑龍江凌汛都超過黃河凌汛。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和黑龍江兩岸中俄國際交流的日漸頻繁，冰凌洪災(zāi)也關(guān)系到拓展和豐富國際河流開發(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滯后，將會導(dǎo)致我們在邊界河流管理、開發(fā)、開展對話中處于被動(dòng)地位。目前，國內(nèi)在冰害防治方面已就黃河、南水北調(diào)工程等開展了相關(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、凌汛專業(yè)技術(shù)人才、專業(yè)監(jiān)測器材不足影響，對黑龍江凌汛冰壩災(zāi)害防治研究開展得較少、較晚。鑒于目前嚴(yán)峻的冰凌形勢，開展黑龍江高寒地區(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)場監(jiān)測和測量、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)固定式冰雪情觀測站(如圖2)，用于測量氣溫、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)檢測系統(tǒng)和積雪深度自動(dòng)檢測系統(tǒng)均位于江邊位置，從上游到下游的設(shè)備編號依次為B2、B1和B3；R-T冰情自動(dòng)檢測系統(tǒng)均位于江心位置，從上游到下游的設(shè)備編號依次為C1、C2和C3；GPRS河道定點(diǎn)冰凌圖像遙測系統(tǒng)和風(fēng)速及太陽輻射自動(dòng)氣象觀測系統(tǒng)位于北極廣場，此設(shè)備的編號定義為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)場觀測和測量

中國水利水電科學(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型冰厚水深綜合測量雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用于黑龍江冰情的測量和冰塞冰壩的快速探測[5]，該雷達(dá)系統(tǒng)是在原單一冰厚雷達(dá)測量系統(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)的冰厚水深綜合測量雷達(dá)系統(tǒng)，并通過RTK系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集測點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。該系統(tǒng)通過交替工作周期為15 ms的分時(shí)工作來避免不同頻率雷達(dá)間的相互干擾，利用冰厚和水深綜合探測時(shí)在時(shí)間上表現(xiàn)為相鄰道號數(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量的準(zhǔn)確性。

在我國緯度最高的黑龍江漠河段，對冰厚-水深綜合測量雷達(dá)的穩(wěn)定性、耐低溫性能和測量精度等進(jìn)行了全面的測試，其中水深的測量數(shù)據(jù)與水位壓力傳感器(精度0.5%)進(jìn)行對比驗(yàn)證，冰厚的測量數(shù)據(jù)與L型量冰尺(精度1 mm)進(jìn)行對比驗(yàn)證，雙頻雷達(dá)水深測量的平均誤差為3.97%；覆雪條件下冰厚測量的平均誤差為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展了冰水情原型觀測，觀測河段長約535 m[5]。測量結(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量結(jié)果(從上游到下游)

上述測量結(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。近幾年開河前對黑龍江龍島碼頭河段的冰塞中部和下游分別開展了防凌爆破，爆破后龍島碼頭河段開河期間冰塊流動(dòng)順暢，爆破河段未發(fā)生冰壩災(zāi)害。因此，通過冰厚-水深綜合測量雷達(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)對措施。

2017年4月，采用氣墊船攜帶冰厚-水深綜合測量雷達(dá)開展北極村至洛古河村有史以來第一次冰情沿江調(diào)查，測量長度66 km，沿江調(diào)查冰情路線和測量冰厚-水深。2018年4月開江前采用冰厚、水深綜合測量雷達(dá)系統(tǒng)，測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，采取有針對性的爆破措施。

新型的冰厚-水深綜合測量雷達(dá)突破空氣-冰-水-河床聯(lián)測難題，可廣泛用于江、河、湖、庫及調(diào)水明渠冬季的冰厚、水深連續(xù)測量及冰塞、冰壩的快速探測(如圖4所示)，為冰塞、冰壩、冰凌、洪水防控提供有效測量手段，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 冰厚水深綜合測量雷達(dá)現(xiàn)場測量

4 黑龍江冰情預(yù)報(bào)及災(zāi)害評估

對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和開河冰壩成因及機(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，偶然因素對預(yù)測結(jié)果影響較大。對于受多種因子影響而很難找到一個(gè)確切相關(guān)關(guān)系的問題，利用模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對復(fù)雜問題很強(qiáng)的非線性映射能力、對信息處理的魯棒性和容錯(cuò)性、對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、開河日期、水溫、冰塞、冰壩和開河水位等的預(yù)報(bào)。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程

將開發(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年開河期將不發(fā)生冰壩災(zāi)害，預(yù)報(bào)開河日期為4月28日。實(shí)測為黑龍江上游漠河洛古河江段開江日期為4月28日，北極鄉(xiāng)江段開河日期為4月24日，未發(fā)生冰壩造成的凌汛災(zāi)害。洛古河開河日期同預(yù)報(bào)值同天，北極鄉(xiāng)在開河前(4月9日—4月12日)實(shí)施開江前預(yù)防性的防凌爆破，使其比上游洛古河開河提前，比預(yù)報(bào)早4 d開河，本次預(yù)報(bào)的預(yù)見期超過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，開江日期為4月26日，本次預(yù)報(bào)的預(yù)見期為41 d。根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》[9](GB/T 22482—2008)，預(yù)見期>15 d允許預(yù)報(bào)誤差7 d，2017年開河日期預(yù)報(bào)值和實(shí)測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、冰情災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級和預(yù)警等級的分類標(biāo)準(zhǔn)，及冰情災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法，并給出不同災(zāi)害等級的冰壩的預(yù)防和破除措施。

5 防凌爆破研究

實(shí)測資料顯示黑龍江上游開河前實(shí)測冰蓋厚度能達(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)開展了現(xiàn)場防凌爆破試驗(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。

通過黑龍江上游江段現(xiàn)場防凌爆破試驗(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)測值平均相對誤差在8.5%以內(nèi)。同已有的研究成果比較，該研究成果論證了冰下水深對爆破坑半徑的影響，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)提出了爆破坑分類定義方法。首次在防凌破冰后，將爆破坑進(jìn)行分類對爆破坑區(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，如圖7所示。

(3)改進(jìn)了防凌爆破技術(shù)。通過冰下橫向和豎向爆破對比分析，指出炸藥冰下橫向布置比豎向布置更能夠充分發(fā)揮炸藥沖擊波對冰的作用力，爆破對冰的破壞力強(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

圖7 爆破坑類型

6 總結(jié)與展望

通過2015—2018年開河前黑龍江上游冰塞和冰壩的預(yù)報(bào)研究、冰情的檢測及冰塞、冰壩的快速探測和防凌爆破試驗(yàn)研究，開河期間黑龍江上沒有發(fā)生冰塞和冰壩凌汛災(zāi)害，整個(gè)河道順利開江。特別是2016年，開河前4月份降雨量超過多年平均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、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、觀測設(shè)備落后，水文站的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國內(nèi)平均水平，導(dǎo)致水文數(shù)據(jù)缺乏，災(zāi)害的觀測、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設(shè)備和技術(shù)，更需要冰科學(xué)研究專家和學(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，契合國家在“重大江河綜合治理”“重大災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)以及重大自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)分析評估技術(shù)”領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)需要，也符合國家“一帶一路”倡議對中俄邊界河流黑龍江經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的需求。