2009年春黑龙江上游冰坝分析

郭增红,于成刚,杨桂芹

(1.黑龙江省大兴安岭水文局,加格达奇 165000;2.黑龙江省佳木斯水文局,佳木斯 154002)

1 流域概况

黑龙江流域位于 E108°20′～141°20′,N42°00′～ 55°45′,东西长约 2000 km,南北宽约 1500 km,流域面积184.3×104km2。黑龙江有南北两源,南源为大兴安岭西麓的海拉尔河,经额尔古纳河流入黑龙江;北源为发源于蒙古人民共和国肯特山的鄂嫩河,经石勒咯河与南支额尔古纳河在我国的洛古河村附近交汇,两河汇流后始称黑龙江。若以额尔古纳河为正源。黑龙江全长4363 km,由两河汇流处至入海口干流长2821 km,由汇流处至结雅大兴安岭河口为干流上游,长905 km。

黑龙江上游流行于大兴安岭的峡谷之中,沿途群山绵亘,森林密布,植被良好,两岸大部由花岗岩、砂岩、页岩组成,河床多为砂卵石,河道比降较大,一般在0.2%左右,具有明显的山区河流特点。

2 水文气象特征

黑龙江冰流域位于N41℃以北的寒温带地区,冬季受西伯利亚冷空气控制,气候干燥而严寒。日平均气温从10月转入零下,至翌年4月回升到零上,最低气温(1～2月)在零下35℃以下,北部在零下50℃以下,气温转负以后降雨转为降雪,土壤冻结2～3 m,北部有永冻层,此期间地面径流停止。冬季(11～3月)降水量占年平均值的10%,径流量不足年平均值的5%,中小河流比重更小,绝大多数中小河流冻结干枯断流,前秋大部分河槽蓄水和土壤水分冻成冰体。河流封冻期(11～4月)长达150～170 d,最大冰厚一般为1.3～1.5 m,极大冰厚达1.85～1.95 m。积雪深度一般20～30 cm,极大60～100 cm。从河流见冰流凌封冻至翌年融冰和终冰为止,冬季冰期一般在200 d以上。

黑龙江流域处于东亚季风区的东北部,气候的季风性质明显,夏季太平洋的暖湿空气内侵,温润多雨,冬季受强大的西伯利亚和蒙古冷高压控制,干燥而寒冷,气温年较差最大可达80℃,流域内年降水量400～800 mm,降水的年内分配极不均匀,冬季降水很少,6～9月降水较多,可达年降水量的60%～80%,尤其7、8月,降水量几乎可达年降水量的50%。

3 2009年开江情况概述

2009年4月初受上游来水和区间融雪径流的影响,4月14日1时漠河开江,并在北宏站下游形成长达30 km的冰坝,4月22日2时开库康站开江,与漠河开江时间相差8 d,欧浦站4月23日20时开江,呼玛站4月23日9时开江,三卡站4月22日20时流冰开江。漠河、三卡两站水头均＞5.0 m。开库康、欧浦、呼玛站水头均＞6.0 m。兴安站达到了7.05 m,依西肯达7.60(后无水尺观测)。对北宏站30 km长的冰坝,通过水面线模拟分析,此次冰坝水头＞7.0 m。开江期黑龙江上游沿线发生多处冰坝。

1)洛古河冰坝。4月13日15时洛古河水位站下游6 km处形成冰坝,致使水位迅速上涨,冰坝不断发展,13日21时水位上涨到98.07 m,冰坝溃毁。总水头达6.51 m,超警戒水位0.07 m。

2)乌苏镇至红旗岭冰坝。4月14日北宏站冰层浮起,由于凌峰传播不畅,加之受洛古河冰坝造成洪峰下传影响,4月16日下游形成冰坝,16时水位达278.50 m,此后冰坝进入稳定发展阶段。随着上游来水的增多及区间融雪径流的汇入,4月21日20时水位达到279.82 m(水尺被埋无法观测到后来水位),在冰坝承压能力达到极限后,冰坝自然溃毁,共历时5.5 d。根据水面线估计其水头＞7.0 m。

3)依西肯乡冰坝。4月21日在依西肯五村、四村下游各形成一处冰坝。4月22日在依西肯乡址下游形成冰坝。此3处冰坝导致依西肯观测断面水位迅速上涨,22日14时水位达到217.30 m(后无法测到),此后冰坝相继溃毁,水位迅速回落。冰坝持续1 d,总水头达7.60 m。

4)欧浦乡冰坝。22日15时20分在鸥浦站下游4～5 km处形成了3 km长的冰坝,18时在鸥浦乡三合站村下游5 km处形成冰坝,18时35分在鸥浦乡正棋村下游6 km处形成冰坝,23日1时在鸥浦乡怀柔村下游5 km处形成冰坝。前3处冰坝相继形成后,导致欧浦站水位迅速上涨,致使断面水位迅速上涨,23日10时最高水位达到97.32 m,后下游冰坝相继溃毁,欧浦站水位迅速回落。三处冰坝前后持续19 h,总水头达6.40 m。

4 冰坝形成原因分析

形成黑龙江上游冰坝的主要原因是集中回暖加速冰雪的消融,流域内汇流量增大,上游来水增大,冰盖在回暖初期强度较大。总体来看,水热两因素发展促成了黑龙江上游的冰坝。具体分析如下:

1)前期河槽蓄水量大,后期出现集中回暖,促使出现大量融雪径流。黑龙江上游各测站截止到2008年12月,漠河代表站同期降水较历年偏多530%,呼玛代表站也偏多达148%。河网内封冻大量降水。根据产流估算,开江期漠河径流深为35.7 mm,呼玛站径流深为55.5 mm,分别比历年4月释放水量多23.1%和164%。遇到集中回暖,流域封存的水量同时得到释放,为冰坝形成提供了必要的动力条件。通过对开江前水位上涨分析可以得到证明(图1),漠河站水位上涨加速度C[5](二次项系数)达到了0.08,其在历年中排在了第6位。一般冰坝年其水位上涨加速度均达到了0.05以上。由图2可见,冰坝形成前其水位涨率达到了0.14 m/h,水位总涨差达到了2.6 m,可见其上游来水量之大,流域内汇流之快。

图1 漠河站开江期水位上涨拟合图Fig.1 Fitting line fo r water level rise during spring thaw in M ohe Station

图2 北宏站冰坝期间水位变化过程图Fig.2 Process of the water level changes during ice jam in Beihong Station

2)弱的“拉尼娜”促使出现集中回暖,为冰坝形成提供了条件。根据气象分析,一般黑龙江上游在“拉尼娜”时期容易出现高暖脊[9]。2009年3月以前赤道东太平洋SST出现了负距平(详见图3),在东太平洋形成了弱的“拉尼娜”,受此影响3月末4月初黑龙江上游如期出现高压脊系统,形成较为强烈的“集中回暖”。从欧洲数值预报500 hpa高度场分析,有两次明显的回暖天气过程。一次天气过程在3月27日～4月2日,另一次天气过程在4月5日～4月9日,为亚洲强暖脊型。两次的春季回暖天气过程,导致沿江一线4月的上、中旬气温均较历年偏高。

3)开江时节气温变化急剧和频繁,为冰坝形成提供了有利条件。由图4和图5可见,两次回暖过程中日气温变幅达12℃以上。4月1日日平均气温即转正,创建站以来之最,日平均气温也创下了历史新高。截至到4月14日漠河、呼玛两站日平均气温为正的天数分别达11 d和12 d。漠河上旬平均气温达1.3℃,比历年同期均值高出5.8℃。最高日平均气温变率达到5℃/d以上,其逐时气温涨率达到了3.1℃/h。从中可以看出,增温幅度不仅大而且快,如此高强度的增温,加速了冰雪消融。也导致了3月下旬出现的最大冰盖强度没有得到削弱,就进入开江期。此次,动热因素相互转化,最终为此次冰凌灾害的发生提供了条件。

图3 2009年2月热带太平洋海温距平分布图(引自中国海洋预报中心)Fig.3 Anomaly distribution of the tropical Pacific Sea temperature in Feb.2009

图4 漠河站4月8日逐时气温过程图Fig.4 Hourly temperature of Mohe Station on 8,April

4)沿江支流提前开河为冰坝发生提供了一定条件。2009年春漠河县境内的黑龙江一级支流额木尔河也发生“倒开河”现象,额木尔河在4月13日开河,较漠河站提前1 d。其区间支流冰凌洪峰的汇入,增加了干流的水量,增强了其开江动力条件。

图5 漠河站4月逐日日平均气温过程图Fig.5 Daily average temperature per day of Mohe Station in April

5)凌情的综合因子A的提出,以及在热力和动力条件的综合分析上的应用。根据冰凌灾害发生机理,结合河相条件对凌汛期水位的影响机理[8],根据黑龙江上游影响冰凌灾害的条件,建立了反映凌情的综合因子A。根据分析发现:其黑龙江上游测站开江期水位上涨加速度C与秋季10～12月降水有很好的相关性,一般与11月降水相关系数在0.7以上,并且通过了0.05的检验,可见其相关程度较高。根据这一发现,根据文献[8]中构建影响凌情综合因子A的方式,采用水位上涨加速度C来表征开江期流速V(水位上涨加速度与流速呈正相关),采用反映热力条件的封冻期累计负气温 T,来构建影响凌情的综合因子A,其公式为这样可以依据前期降水来预测水位上涨加速度C,避免了对流速预测的难度,有效地延长了遇见期,也实现了动力和热力因素指标的结合,采用一个综合因子A可有效反映两种因素相互作用,也能表征出河相条件对冰凌的影响,便于开展冰坝预报和分析。通过构建的综合因子分析,漠河、呼玛两站冰坝年其综合因子数值都＞2.0,普遍较正常开江年大。严重冰坝年,如1958年漠河站综合因子达到了4.5,为正常年的4倍。由此可见这一综合因子完全能反映凌情。可以用于预报,预报中采用也较为方便和简单。根据2009年开江期资料计算,其综合因子达2.6,因此形成冰坝就在情理之中了。通过采用秋季降水预测水位上涨加速度C值,采用封冻期累计气温均值计算其综合因子,其数值量级也达到了2.2,说明这一综合因子较为合理,能反映出一段时间内的凌情。

5 结 语

2009年黑龙江上游冰坝的形成,其集中回暖为充分条件,而前期河槽大量的蓄水为冰坝的形成提供了必要条件。热力因素促使动力因素增强,流域内产流量增大,而释放水量的速度加快,导致动力增强促使冰坝形成。黑龙江冰坝发生与太平洋海间变化存在一定关系,主要是黑龙江上游冰坝与“拉尼娜”有比较好的对应关系,往往秋冬季发生的“拉尼娜”,容易导致黑龙江上游在春季出现高暖脊天气系统[9],往往促使积雪消融,形成大量融雪径流,增强动力条件。因此,太平洋表面的海温对黑龙江上游的冰坝有一定指示作用,存在一定的遥相关,这一指标为冰坝的预报提供了另一路径。根据河相条件对凌汛水位的影响,构建了反映凌情的综合因子A,根据分析计算结果,这一因子能较好地指示凌情特征。根据分析计算结果,其前期降水可以很好地预测开江水位加速度C,进而可以对综合因子 A进行预测,以实现对凌情的预测,因子构成简单,可以同时表征动力和热力因子,有效地延长了遇见期。根据2009年冰坝实际验证,以及通过历年资料的计算表明,综合因子 A具有实用价值,可以很好地应用于黑龙江上游冰坝的预报。

[1]吴 琼,廖厚初,齐东方,等.黑龙江、嫩江、松花江冰坝春季开江期气象原因分析[J].黑龙江水专学报,2009,36(3):5-8.

[2]苏联水文气象委员会水文气象科学研究中心.水文预报指南[M].张瑞芳等译.北京:中国水利水电出版社,1998.

[3]肖迪芳,郭福林,李龙辉.寒冷地区融雪径流和融冻期降雨径流计算模型的研究[C]//第五届全国冰川冻土学大会论文集:下册.兰州:甘肃文化出版社,1996:1162-1170.

[4]A.H.奇若夫,N.F.柯集茨基,B.A.希津.德涅特河冰坝的形成[Z].冰情译文集(三),郑州:黄河水利文委员会,1980.

[5][日]M asatvgu Mvsakami预报河冰开冻日期的方法[Z].冰情译文集(三),郑州:黄河水利文委员会,1980.

[6]C.H.布拉托夫,H.L.叶费列莫娃,B.M.布苏里娜,B.M.季姆契科.现代研究河流和水库冰情短期预报方法的若干原理[Z].冰情译文集(一),郑州:黄河水利文委员会,1978.

[7]P.A.聂日霍夫斯基,B.A.布齐.河流冰坝形成的条件及其预报[Z].冰情译文集(一),郑州:黄河水利文委员会,1978.

[8]蔡 琳.中国江河冰凌[M].郑州:黄河水利出版社,2008.

[9]魏凤英.北太平洋海温分布型指数的年际变化及预测[J].气象学报,2001,(6):768-775.

[10]阴法章,李桂芬,王春雷,等.黑龙江冰坝研究综述[J].黑龙江水专学报,2007,34(2):23-26.