黄河防凌减灾方案新探索

孟闻远，张 蕊，王俊锋

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

黄河防凌减灾方案新探索

孟闻远，张 蕊，王俊锋

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

虽然传统的黄河凌灾防御策略与技术在减小黄河凌讯灾害方面发挥了重大作用，但由于技术手段与方法的局限，凌灾防御仍存在被动防御的现实.提出了“变被动防御为主动防御、变军队应急机制为军民联合防治”的理念，借助先进的信息技术与便捷、安全、高效、迅速、成本低、威力大的“聚能随进”新的爆破技术，提出了黄河防凌减灾的新方案，并研发出相应的一系列专用破冰器材，可有效遏制凌灾的发生，并能在其他地区推广应用.

黄河凌汛;传统技术;聚能随进新技术;主动防御

黄河流域由于其特定的地理位置、低纬度到高纬度的气候差异、热力和水力作用及曲折多变的河道流势边界条件，对我国经济社会的发展影响极大，其冰凌灾害更是不容忽视.并且，近年来随着极端气候频发，致使冰凌灾害时有发生，直接经济损失惨重，防凌形势越来越严重.虽然对黄河凌汛危害采取了“放、蓄、分、排”等多种有力措施，积累了丰富的防凌经验，为保护人民的生命财产安全做出了巨大的贡献，但黄河凌灾并没有得到根治［1］.因此，总结以往防凌理论和技术，研究黄河冰凌防治新理论和新技术，具有重要的现实意义.

1 传统的黄河凌汛防灾技术

传统的冰凌防灾技术主观上采取“主动防御”的策略，以工程措施及爆破技术为主导，采取“上控、下泄、中分”的策略，起到了很好的防御作用，使得文开河年份增加，在黄河凌灾防治上起到了重要的作用［2］.

1.1 传统的防凌措施

传统的防凌措施主要包括:修筑堤防工程、分水分凌工程、水库防凌工程以及机械破冰防凌措施等.其中修筑堤防工程防凌只是黄河宁蒙河段凌汛防御的有效措施，在别的河段并不适用.沿黄河两岸的分水涵闸，可以通过减轻河槽蓄水量，在文开河时减轻凌洪威胁.但对于武开河，由于开河速度加快，封冻期间的蓄水量迅速下泄，分凌效率会大大降低.水库调度防凌是通过调节水量，改变下游河道水力条件，形成顺次开河的形势，从而避免凌灾发生.然而，黄河的冰凌形成受多种要素的影响，承担防凌水量控制的水库与封冻河段距离较远，根据工农业生产的需水要求，不可能在解冻期完全断流，而且水库防凌库容有限，也不可能较长时间蓄、排水;另外，如果水量控制不当又会加剧冰凌的成灾速度，因此采取水量的调度和控制只能在一定程度上起到辅助排凌的作用［3］.

学者经过长期的研究，对冰塞、冰坝等实施爆破已成为一种独具优越性的有效抢险方法.传统爆破方法包括人工小规模爆破、空中投弹爆破、迫击炮破冰等.人工爆破一般用于在跨河建筑物周围防止形成冰盖，但耗时长，安全性差，效果不好.空中投弹爆破一般是在河面出现卡冰结坝时可立即采取的一种措施，但冰凌介质不符合爆破工程学原则，故此法不科学且效率低;而且重磅爆破将严重损坏河床，改变河道，这种精准度差的无控爆破容易造成跳弹和飞弹破片威胁建筑物以及人身安全的事故.迫击炮破冰是传统的破冰方法之一，但由于装药量小，且为接触性爆炸，工效往往比较低［4］.

另外还有破冰船机械动力破冰法，在冰薄水深的领域里有较好的效果，如海洋破冰，但在冰厚、水浅、河道曲折蜿蜒、狭窄的黄河上却难以进行.

1.2 传统爆破技术的局限性

传统爆破技术有很大的局限性，主要体现为:①在孕灾致灾机理上，对冰凌结构形成的特性规律、破冰之后浮冰运移规律以及冰凌致灾规律缺少充分的认识;②在爆破技术上，采用无控爆破方式，其爆破范围小，能量耗散大，冰面以上空气当中能量利用率低;③在防灾组织形式上，启动部队机制需要调用周期，飞机大炮不能全天候作业，而且投弹准确性不足，凌灾来得急时会贻误防凌时机;④在破冰器材上，现有的爆破器材机动性差、破冰效率低、无成型专用系列;⑤从安全性上，军用炸弹实施爆炸的破片或跳弹将危及河床上的建筑物、民用设施及人身安全，而且过水建筑物处无法施爆;⑥从成本上，费用高，投入的物资及人力较多;⑦从理论研究上，没有形成系统的理论分析体系，在分析模型与思路上有偏差，不能科学有效地指导防凌爆破，更无法推广到黄河以外的其他河流的防凌工作上［4］.

2 防治凌讯灾害的新方案

2.1 新方案的防治理念

针对黄河的特殊情况，笔者建立了变被动减灾为主动防御，变传统模式为现代技术的新理念.

1)利用现代技术手段，研究黄河冰凌形成的机理和规律，建立一套完整的监测、预报、预警体系，提前消减致灾的因素与条件，如大块流凌、冰盖等.

2)一旦出现冰塞、冰坝，采取应急处理措施.利用“机动便携、安全高效、操作简易”的现代技术器材立即去冰面实施爆破，防止出现大的凌灾.

3)在组织上，变军队机制为军民合作联合防控或者单纯的民防组织［5］.

2.2 新方案的理论与技术

在理论上，改变传统的在冰平面方向受力断裂分析理论，变为更接近实际情况的冰水相互耦合的动力分析模型作为理论指导.新思路下的理论分析:由于冰体材料具有抗拉性，借助现代爆破技术，使冰水相互作用或爆炸冲击，在垂直冰平面方向有规划施力，冰体受垂直平面力折断成小尺寸的、较均匀的、对下游建筑物和堤防没有伤害的甚至是可以流动的冰块，达到爆破能少、成本低的效果.

在技术上，变近距离人工操作爆破为远距离遥控爆破;变传统的单点爆破为规模化的阵列爆破;变冰面无控爆破为冰内或冰下预控爆破;变有破片军用弹丸爆破为无弹片民用弹丸爆破;变飞机、大炮投射爆破为现代便携常用器材爆破.从而消除传统方法的不利因素，实现“快、准、大、省;高效、机动、简便”的技术目标.

2.3 具体方案设计

2.3.1 技术方案

首先，要研究黄河河冰的形成、运动、破坏及冰凌形成的机理和规律，开发一套专门用于模拟黄河局部流域冰凌形成和演化过程的监测、预警、预报和灾害模拟系统，并建立黄河各区段凌汛期的基于现代高新技术的水情预测物联网体系.一旦发现可能出现凌情的区段，依据先进的聚能随进技术，科学地主动防御，尽量将灾情消灭在萌芽阶段［6］.

其次，如灾情过于迅猛，导致主动防御不利，针对不同的灾情又可以采取以下不同的技术方案.

1)大块流凌爆破.用火箭聚能随进爆破器、肩扛式火箭聚能随进爆破器在岸上或船上发射，能摧毁距离岸边较远的大块流凌.

2)冰盖爆破.在人员可以行走的冰盖上，根据需要，布设一组聚能随进爆破器，可以一次性开设一条或者多条有一定宽度的裂缝，消除冰盖的膨胀作用或者开辟河道泄流通道.也可以按一定的间距或者列距设置聚能随进破冰器的阵列组合，起爆后，破碎冰盖，让小型冰块漂流到下游.用水下火箭拖带破冰器组合阵列爆破可实现冰盖的大面积破碎.

3)摧毁冰塞、冰坝.对即将或已经形成的冰塞、冰坝，要快速、高效、准确、安全地予以排除.人员不能到达的冰塞冰坝，发射肩扛式火箭聚能随进破冰器或水下火箭拖带聚能破冰器破冰.

2.3.2 器材简介

专用破冰器材有聚能随进破冰器、(肩扛式)火箭聚能破冰器、水下火箭拖带破冰器.其中前2种都利用了聚能随进爆破技术.聚能随进技术就是俗称的钻地弹技术，主要由聚能钻地部分和随进后的战斗部分构成.这2种器材可分别在静态和远程实施爆破，目前已有实验成品，并获得了专利［5］.

与传统器材比较，专用破冰器材具有以下特点:破冰器材轻便简单，便于组装和机动携带;爆破劳动强度低，作业速度快;弹药均为全备全保险型，安全可靠;按照破冰常用器材设计，可以长期储存和安全使用;爆破时无金属破片，不会对周围环境产生影响;火箭随进破冰器可实现岸边远距离准确控制爆破;可多种器材随机组合使用，破冰效率高、综合成本低;不需专门的技术人员，常规防凌队伍简单训练后即可操作.

2.4 新技术的部分试验结果

图1 静态聚能随进破冰器及爆破效果

课题组于2010年3月在内蒙古的磴口、2011年3月在黑龙江佳木斯，分别进行了静态聚能随进破冰器、火箭聚能随进破冰器的爆破效能试验，爆破效果分别如图1和图2所示.试验结果表明，聚能随进技术应用于冰体爆破具有可行性;同时验证了这2种专用破冰器材的优良效果.

图2 火箭聚能破冰器的爆破效果

该试验能够达到预期的破冰效果，为后续整个方案的系统研究奠定了坚实的基础.目前以计算机互联网技术为基础的预警、预报物联网体系正在构思，相关软件开发、其他爆破参数的试验与力学计算正在有序进行.同时，对环境保护、生态平衡的问题也将进行系统地研究［6］.

3 结语

新思路下的防凌新技术方案，将是一套理念先进、力学理论支撑、科学合理、爆破技术先进、安全可靠、低成本、高效能、人员组织简单高效的合理方案.该技术方案不仅可用于黄河流域的防凌，还可推广用于渤海湾、黄海近岸等地区的防凌.预期成果将是一套具有巨大创新意义的新规程.

［1］可素娟，王敏，饶素秋，等.黄河冰凌研究［M］.郑州:黄河水利出版社，2002.

［2］马喜祥，白世录，袁学安，等.中国河流冰情［M］.郑州:黄河水利出版社，2009.

［3］冯国华，朝伦巴根，闫新光.黄河内蒙古段冰凌形成机理及凌汛成因分析研究［J］.水文，2008，28(3):74－76.

［4］佟铮，马万珍，王宁.黄河内蒙古河段凌汛期爆炸破冰的基本方法［J］.人民黄河，2011，25(12):8 －9.

［5］孟闻远，郭颖奎，王璐.黄河冰凌特点及防治措施［J］.华北水利水电学院学报，2011，31(6):27－29.

［6］张傲妲.黄河内蒙段冰清特点及预报模型研究［D］.呼和浩特:内蒙古农业大学，2011.

New Research on the Mitigation of Ice Disasters in the Yellow River

MENG Wen-yuan，ZHANG Rui，WANG Jun-feng
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The traditional active defence strategy and technology to prevent ice disasters take an important role in reducing ice flood damages in the Yellow River，however，due to the limit in relevant techniques and methods，the ice prevention is subject to the passive defence.Thus，the new idea is proposed that the passive defence should be turned to the active defence，and the military emergency mechanism should be changed into joint military-civilian control.By means of the advanced information technology and new“energybinding and following-up”blasting technology which is convenient，safe，efficient，rapid，powerful and cost-effective，a new scheme is put forward for the mitigation of ice disasters in the Yellow River，and a series of special ice-breaking equipments are developed，which can prevent the ice disaster effectively，and can also be popularized in other areas.

ice flood in the Yellow River;traditional technology;the new energy-binding and following-up technology;active defence

1002－5634(2012)02－0050－03

2012－02－02

水利部公益性行业科研专项经费项目(201201080).

孟闻远(1965—)，男，河南郾城人，教授，博士，主要从事数值计算新方法、结构动静态分析等方面的研究.

(责任编辑:陈海涛)