劉陽明，唐永美，常春超，任國吉

（松遼水利委員會水文局黑龍江上游中心，黑龍江黑河164300）

1 概述

洛古河水文站位于黑龍江上游額爾古納河和石勒喀河匯合口下游7km處。黑龍江干流洛古河江段都處在北緯53°以北的中高緯度區(qū)域，屬于寒溫帶氣候，河流水文氣象具有西伯利亞大陸性河流的特點。冬季氣候嚴寒，地面積雪，土壤凍結(jié)，河流出現(xiàn)結(jié)冰、流凌、封凍、解凍和再次流凌過程。受地理條件、氣候特征和河道特性所決定，每年解凍期洛古河江段都會出現(xiàn)春季凌汛過程，多數(shù)年份最高水位出現(xiàn)在春季凌汛期，給洛古河江段生產(chǎn)生活造成災害。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，研究和預報冰壩對于黑龍江干流沿岸的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、水利工程、防汛搶險和國防建設等具有重要的意義。

2 冰壩簡況

1987年6月在黑龍江干流洛古河建立水文站，已累計收集30余年水文資料。1988—2019年發(fā)生明顯冰壩的年份有16次，占觀測年份的50%；13次冰壩最高水位為年份最高水位，其中1994年冰壩最高水位為32年的首位。通過水文資料分析，多年平均開江日期為4月30日，發(fā)生明顯冰壩年份開江日期多數(shù)早于多年平均開江日期，且開江形式為武開江。

黑龍江洛古河江段冰壩，均發(fā)生在測驗斷面下游4～8km處，冰壩長度為20～30km，寬度為500～600m，與河寬相當。冰壩水位較低時，江水未出河槽，冰壩上游河槽蓄水量迅速增加，冰壩壓力增大，冰壩持續(xù)時間較短。但是，冰壩水位較高時，江水出槽，部分水量繞道河灘地流向下游，減少了冰壩上游河槽蓄水量和冰壩壓力，冰壩相對穩(wěn)定，持續(xù)時間較長。

劇烈的冰壩凌汛，已成為黑龍江洛古河江段水文情勢的突出特點。冰壩發(fā)生時，水位上漲猛烈，江水出槽，冰排上岸，和洪水一起咆哮奔騰，給沿江洛古河村及下游村屯造成毀滅性災害。

3 冰壩成因分析

1）地理位置特征影響。黑龍江上游及上源支流地處高寒地區(qū)，受蒙古高壓和西伯利亞寒流影響，冬季氣候嚴寒而漫長。洛古河年平均氣溫為-5.0℃，最低氣溫達到-58.5℃。受氣溫控制，從每年的10月至下一年的5月，河道結(jié)冰處于封凍。河心冰厚為1.10～1.50m，最大冰厚1.94m。冰蓋厚度大、強度高是形成冰壩的基礎條件。洛古河江段上游兩大支流額爾古納河與石勒喀河，均從低緯度區(qū)向高緯度區(qū)流動，相差緯距6°。上游先受熱解凍，洛古河江段每年均出現(xiàn)武開江。

2）河道形態(tài)對流冰阻塞作用影響。黑龍江洛古河江段流經(jīng)大興安嶺山區(qū)，河道束峽，水流湍急。洛古河下游4km和8km處江段河道彎曲，河道成L型，河道主流靠近山體北角，受高山遮擋，太陽光不能直射冰面，解凍期冰蓋強度整體還較大。江道有島嶼，形成岔流，水面寬闊，淺灘出露，比降減緩，春季凌汛均在此處紊亂的河段上，發(fā)生冰卡塞和堵塞。

3）動力因素主要包含封江水位、冰量、冬春降水量。上一年封江水位的高低，直接反映河槽水量的大小。水位高，河槽蓄水量多，提供了水流動力，有利于第二年春季發(fā)生冰壩。冰量是形成冰壩的主要因素，大量的冰塊相互擠壓堆積，為冰壩形成提供了冰量。冬春降水量是形成冰壩的動力重要因素之一。冬季降雪大部分儲存在流域表面，起隔熱作用，影響冰蓋的消融和冰強度的減弱；春季回暖形成融雪徑流，匯入河槽增加水流動力。在開江前，氣溫回升后的降水加快融雪，使徑流在短時間加大，對冰壩的形成起著重要的水力作用。

4）熱力因素。主要指標為氣溫，它的高低影響冰層厚度大小和冰量多少，影響冰蓋的消融和冰的堅固程度。

4 冰壩發(fā)生的可能性預報

由于冰壩的形成是復雜的，影響的因素較多，目前國內(nèi)外對冰壩發(fā)生的可能性預報方法還是非常少的，目前多采用一些經(jīng)驗相關法。此次研究冰壩發(fā)生的可能性預報采用綜合因子法。

根據(jù)凌汛發(fā)生機理和黑龍江上游影響冰凌災害的條件，結(jié)合河相條件，對冰凌汛期水位的影響機理，建立反映凌情的綜合因子法。采用反映動力因素的開江期流速和反映熱力條件的封凍期累計負氣溫，構(gòu)建影響凌情的綜合因子。黑龍江上游測站開江期水位上漲加速度與秋冬季降水有很好的相關性，因水位上漲加速度與開江期速度呈正相關，采用水位上漲加速度來表征開江期流速，避免了對流速預測的難度，有效地延長了預見期。依據(jù)綜合因子，建立洛古河站冰壩發(fā)生可能性預測方案：

式中：A——為綜合因子；C——為水位上漲加速度，——為多年平均水位上漲加速度；T——為年封凍期累計負氣溫；——為多年平均累計負氣溫。

通過采用秋冬季降水預測水位上漲加速度和采用封凍期累計氣溫計算其綜合因子，能夠反映出一段時間內(nèi)的冰情和水情形勢。實現(xiàn)了動力和熱力因素指標的結(jié)合，采用一個綜合因子可有效反映兩種因素相互作用，也能表征出河相條件對冰凌的影響，便于開展冰壩預報和分析。

表1 洛古河站綜合因子歷年統(tǒng)計表

根據(jù)洛古河測站分析計算結(jié)果，這一因子能較好地反映凌情特征。通過構(gòu)建的綜合因子分析，洛古河站冰壩年綜合因子數(shù)值都在2.0以上，普遍較正常開江年大。根據(jù)分析計算結(jié)果，其前期降水可以較好地預測開江水位加速度，進而對綜合因子進行預測，實現(xiàn)對凌情的預測。因子構(gòu)成簡單，同時表征動力和熱力因子，有效延長預見期。

5 冰壩最高水位預報

影響洛古河冰壩的水熱因素，有上下游和前后期水溫變化的差值，前期冷后期暖，上游暖下游冷，形成結(jié)冰量大和倒開江的先兆；另外前期秋季降水偏多，冬季積雪量大，春季開江期降水充沛，為開江期冰壩提供水量的來源，也是冰壩的決定因素。冰壩凌汛為融冰、融雪及降雨徑流形成的一次洪水過程，峰量關系單一，冰壩凌汛洪峰由正常最高水位和冰壩雍水附加水位組成。

統(tǒng)計洛古河站發(fā)生冰壩年份的冰壩最高水位、上一年的封江水位、10月至次年4月封凍期降水量，分析洛古河冰壩的最高水位與反映河槽蓄水的封江水位及冬春季降水量的變化呈一定規(guī)律，建立了以10月至次年4月降水量為參數(shù)的冰壩最高水位與封江水位相關預報圖，見圖1。

圖1 洛古河站冰壩最高水位與封江水位相關預報圖

根據(jù)記載的水文資料，1994，1995年冰壩最高水位超過101m，兩年的冰壩變化過程相似，均在洛古河斷面下游約4km處產(chǎn)生冰壩，維持一段時間和高度后，在第一次冰壩下游2～3km處產(chǎn)生第二次冰壩。以第一次冰壩水位視為二次冰壩的封江水位，延長相關關系。當封江水位低于94.20m，出現(xiàn)兩個明細帶狀分布，采用10月至次年4月的累計降水量80mm作為參數(shù)判別線區(qū)。

利用圖1，以洛古河水文站1989年至2018年間18次冰壩最高水位為樣本，開展冰壩最高水位預報誤差評定工作。根據(jù)水文情報預報規(guī)范要求，凌汛預報預見期內(nèi)實測水位變幅的20%作為許可誤差，其中15次預報的冰壩最高水位滿足許可誤差要求，整體預報合格率為83%。

6 結(jié)論

黑龍江洛古河江段地處高緯山區(qū)，氣候嚴寒，水文地理和河勢條件復雜，冰凌災害嚴重。通過開展冰壩成因分析和建立冰壩預報數(shù)學方案，為黑龍江源頭冰壩中長期預報和減輕冰壩災害提供了科學依據(jù)。

但冰壩凌汛的形成和發(fā)展機制極其復雜，對其研究受到科學技術、經(jīng)濟和交通諸多條件限制，相關研究較為薄弱。能夠更好為防汛部門防凌決策提供準確冰情預報服務，需加強冰情監(jiān)測特別是冰壩的監(jiān)測等基礎性工作，充分利用視頻在線監(jiān)控和無人機觀測技術，提高監(jiān)測能力。