黑龙江干流呼玛县冰凌灾害调查及成因研究

李丽文

( 大连金州新区水利管理服务中心，辽宁 大连116000)

0 引 言

由于受贝加尔湖和蒙古高压及寒潮的影响［1］，凌汛是我国北方寒冷地区的一种常见的水文现象，其变化规律取决于各种有关热量和水力的变化，及河道形态、地貌状况。不同的河流所在地理位置、影响因素不同，冰情的形成特色也不尽相同。

呼玛县沿黑龙江易受凌汛危害的乡镇村屯和大面积良田，曾先后多次遭到凌汛重灾的袭击，灾情特重的为1958、1960、1971、1985年，尤其1985年凌汛产生的冰坝，由于黑龙江上游特定的自然条件，形成了“倒开江”的形势，出现了史所未见的特大凌汛。不但在上游段内叠起多处，而且下延至中游段的孙吴、逊克两县境内，给沿江各地带来巨大损失。

1 冰凌灾害

冰凌在河槽中阻塞并显著壅高上游水位的现象称为冰坝［2］。冰坝洪水是天然河道中最严重的冰凌灾害［3－4］，冰坝使水位上涨，在某些河段漫堤，造成凌洪灾害［5－6］。呼玛县地处黑龙江上游段由于江道的地理位置、形态特征、降水关系和气候条件等自然因素，为该江段易形成“倒开江”造就了天然环境。自1916年有水文资料以来，出现过的严重冰坝已有20 多次。冰坝形成时，河道被堵塞，流水被拦蓄，江水出槽，冰排上岸，造成严重的冰洪灾害。

根据俄罗斯和中国一方水文观测记载，黑龙江上游春季开始行凌，一般壅水高度＜6 m的卡塞型冰坝，几乎每年都有出现，但构成灾害较少; 壅水高度＞6 m造成一般性灾害的冰坝，共发生22 a，平均3 ～4 a一次; 壅水高度＞8 m灾害较重的冰坝发生16 a，平均4 ～5 a一次; 壅水高度＞9 m的重灾冰坝发生8 a，平均近10 a一次; 上游段内带普遍性，且呈梯级形成重灾的大型冰坝共发生4 a，平均每20 a左右即有一次［4］。

呼玛县内江段大型冰坝常出现在龙站岛、曙光、老卡、三合站、新街基和呼玛镇上下游一带，易形成大型冰坝的江段总长度为150 km 左右，冰坝叠高水头一般在6 ～8 m，最高达到15.81 m，每处冰坝堵塞的江段长度为5 ～15 km，最长达到42 km。有的年份冰坝分段接连形成，如同梯级水库。冰坝持续时间一般为2 ～5 d，最长达12 d。在达到一定程度时多属自然溃决，个别的也有人为的将其解体。

1985年凌汛冰坝是有记载以来最严重的一次，在905 km的上游段江道上，形成13 处超过一般的冰坝，呼玛县内新街基的冰坝最为严重。水头高达15.81 m，水位超过新中国建立以来最高的1958年夏汛特大洪水位1.8 m，持续288 h 后才渐次解体溃决。

据事后察勘与调查统计，全村房屋建筑，除坡岗与高埠处部份，其它所剩无几，被冰排洪水冲倒带走的计8.5 万m2; 耕地被冲毁0.19 万hm2，耕作层被剥去10 ～20 cm深，流砂、卵石沟豁遍布，失去了种植农作物的基础条件; 砌石护岸与砌石堵口锁坝等水利工程，破坏严重，成为乱石滩难以维修，只能重建;其它未来得及转移的粮食124 万kg、牲畜禽类6 200多头( 只) 、农机具9 400多台( 件) 、居民家俱55 000多件和群众家用等物资设备，只呼玛县初步统计凌汛损失价值折合人民币当时价在1 090万元以上，占全县总损失价值的79%。

2 冰坝成因分析

黑龙江上游易形成冰坝的因果关系有诸多方面，概括来说主要是河流地理位置及河流走向、河道形态、热力因素和水流动力因素。而一定的冰量和水量则是形成冰坝最主要的因素，大气降水以及冰和水的量变表现在水力机械作用的大小并与热力有关，若热力因子的气温升高，可促使积雪融化，降雪转为降水，形成雪水径流，成为水流动力因素，极利于冰坝形成。但只对江冰来讲，气温高，热力因素大，可促进冰层解体消融，冰坝则不易于形成。

黑龙江上游的冰坝多属河床阻塞型，形成冰坝的主要原因有:

2.1 地理位置

呼玛县是位于N47°以北的寒温带河流，北源石勒喀河长1 660 km，集流面积20.09 万km2，自西南流向东北，南北跨过5个纬度，纬距在560 km左右。南源额尔古纳河长1 542 km，集水面积16.97 万km2，由南向北流，南北跨过7个纬度，纬距784 km。

两河在洛古河村上游9 km处汇流始称黑龙江，先呈西东流向，后渐次转向南下，由高纬度向低纬度蜿蜒穿行于大兴安岭东坡谷底，又跨过4个纬度，纬距400 km，至黑河市对岸的结雅河口，全长905 km为江之上游，呼玛县即位于此段之中。

宏观两源与江道的流向布局，构成一个南部未封闭的半圆形式，恰似向北凸进的马啼状，左右两侧流向相悖，正北方在53°线以北流向又几乎平行于纬度。而且沿途河系发达，状似蛛网，入江汇流甚多。亦即，本河段由低纬度流向高纬度又流向低纬度，从寒温带流到亚寒温带后又流向寒温带，这是造成黑龙江上游历年“倒开江”及冰凌卡塞的决定因素。

2.2 河道形态

微观江道的局部区段，则千差万别，变化多端，U字型、S 型、环状型的流向形态，浅滩多、岛屿多、岔流多的江道特征，较为典型突出。不少江道急弯转折处都＜90°，有名的40 里湾和80 里湾子，江道都是迂回环行状，若是将上下游临近处裁湾取直，两处的直距则分别为900 m与400 m左右，因山势阻隔而环绕几十km。自漠河县的洛古河村至呼玛县四克金浅滩的778 km江道上，有急湾与峡谷、岛屿和浅滩上千处、支岔分流更是难以计数。仅县辖区385 km的江道中就有岛屿105个单岛、浅滩阻流50 多处，大小急湾与长短狭谷170 余处，湾与谷累计长度占全县江道总长的85%以上，其余沿山脚与较开阔地段上的漫湾环状江道也随处可见。河道弯曲，宽窄相间，河道紊乱，岛屿串联，多河心岛和汊流，水深沿程变化急剧，比降落差大，复杂的江道形态特征，凌汛期也孕育了冰凌卡塞或促成冰坝的必然趋势。

2.3 热力因素

在漫长的冬季，江河受西伯利亚冷空气高低压控制，封冻期长达150 ～170 d，冰厚都在1.50 m左右，最厚可＞1.80 m。一般是纬度越高，气温越低，冰层越厚，封冻最早，开融最晚。

气温变化反映在冰坝年份的具体特征为:

1) 前冬气温较低，促使冰层加厚，冻结厚度过强。如1957、1958、1960年，前冬低温曾达－45 ℃以下，开江时冰块大且厚，不易畅通，形成冰坝。

2) 临界开江期气温升降变化急剧，温差变幅过大，易于径流汇集后的压力澎涨冲开坚硬的冰层。如1960年春4月流域区内气温曾回升到25 ℃，又下降至零下10 ℃，升降变幅达35 ℃以上，促成上游10多处卡塞，发展为梯级型冰坝。

3)4月中旬上游江河流域出现强暖脊气流控制局部地区、加速积雪融化，形成大量径流入江，促成倒开江形势。如1985年上游全段是自上而下逐段开江。

4) 同样气温同一光辐射的热力条件下，受地貌条件影响，冰面受热不均，开阔地大于狭谷，朝阳面大于背阴面，融冰脱解时，也有很大差异。如每年都出现的冰凌卡塞，这种现象较普遍。

2.4 动力条件

水量与冰量在冰坝形成中占主导地位。根据历次冰坝年水量与冰量的情况，都分别有其不同的具体反映，可概括为3 种形式:

1) 秋季降水量大，造成江河封冻水位较高。1960年春发生大范围冰坝时，前冬的封江水位曾比正常年份高出1.50 m以上，结冰厚度也较常年增加0.10 m左右。

2) 冬春降雪过程多，河槽与地面蓄积量大，融雪期容易出现大的径流汇入江中，加剧江面冰层局部脱节，滑动堵塞。

3) 临近开江期上游有量大而普遍的降雨( 雪)后，升温回暖的天气接踵而至，地面还处于冻结状态，形成不透水层，造成雨雪径流与融雪径流集中的良好条件。增大江中水流的机械动力，引发冰层的被动突变，致使冰坝产生。如1985年4月中上旬，在上游的N53°以北，E120° ～E126°普降大雪，俄罗斯的亚洲部份，包括石勒喀河流域，地面积雪深度达1.50 m，接着是气温突变转暖，当下游还在渐暖之时，而上游漠河一带白天最高气温已升至20 ℃以上，大量的雪水径流使江倒开，造成大范围冰坝13 处之多。

冰坝的成因主要决定于河槽蓄水量( 冰量) ，融雪和融冻期降雨径流量，可用水量平衡方程表示为:

式中: W冰为冰坝凌汛总水量，m3; μ冰(水)为河槽冻结蓄冰量和蓄水量，m3; μ雪为融雪水量，m3; μ雨为融冻期降雨径流量，m3。

寒冷地区河流的冰坝凌汛，流域融雪和降雨起决定作用。

3 冰坝形成条件分析

冰坝成因中动力条件和热力因素是可变的，根据呼玛县凌汛资料分析，对可变因素归结为6 种规律性概念指标。

1) 上年秋末江河封冻水位超过历年同期均值＞0.5 m。

2) 江河解冻前流域区内有大范围降雨( 雪) 量＞30 ～50 mm。

3) 最上游的洛古河与漠河等地春季江水位稳定回升幅度≥3.5 m。

4) 江之两源约38 万km2区内，4月中旬前后出现强暖脊气团。长时间控制、日平均气温稳定转正10 d左右、其中5 ℃稳定通过5 ～7 d以上。

5) 冰层厚度在1.5 m左右，超规律提前开江，冰块体积大强度硬，无溃散迹象。

6) 时间在4月25日之前，上游即发生断续脱节滑动。

逢冰坝年，该6 项指标并非全部具备，也不可能单一凑效，但水是最关键的环节，往往是降雨( 雪) 与气温影响着水量，水量与气温又关系到冰情，加之江道的形态特征与地理位置多方面因素的相继影响互为作用，而出现束狭阻塞型、浅滩搁置型和弯道堆积型等类型冰坝。

此外，还有一种未引起人们重视的人为渐变间接因素，尤如促凝剂，给冰坝形成雪上添霜。即: 在上游江源及沿途大小支流的深广地区，从20 世纪60年代开始，大面积森林被逐年采伐，部份连片处女荒被不断垦殖变成耕地。这种人为的社会生产活动，改变了原有的生态平衡，破坏了森林地这座“天然水库”与地表良性植被的贮水功能，使地表产流速度加剧、径流汇集急促，丰富的水量在单位时间内倾泄于江、形成势猛的水动力。在“倒开江”发生冰坝的时间上，50年代之前，绝大多数都在5月初旬，50年代末期开始，基本上都提前至4月下旬。这种时间规律的演变，也存在渐变的间接因素。当然此一点也不能排除“温室内效应”现象的出现和“全球气候转暖”的事实说法。据此种种，便是成为黑龙江上游多发性历史冰坝生成的根本原因。

4 结 论

当河道出现冰坝时，缩窄了过流断面，增加了水流阻力，形成冬季特点的河床演变［5］。以上分析4个成因中可以归纳为地理位置、河流形态为固定边界条件，即具有较高的冰盖潜在阻力河段的存在以及河槽过冰能力不足的河段; 热力因素和动力条件是可变因素，冰量条件，即上游河段必须有足够数量和强度的来冰量; 水量条件，即水流速度的大小，水位的高低，是冰凌输移的能量和动量源，即上游河段流速必须达到某个范围，才能携带大量冰块向下游输送。

［1］高霈生，靳国厚. 中国北方寒冷地区河冰灾害调查与分析［J］. 中国水利水电科学研究学报，2003，01( 02) :159－164.

［2］崔泰昌，王景堂，吴村玲. 万家寨引黄工程南干连接段汾河河道冰期输水能力及冰情分析［J］. 山西水利科技，1999(02) :46 －49.

［3］内蒙古自治区防凌指挥部，水文总站. 内蒙古自治区黄河凌汛基本资料［Z］. 呼和浩特:内蒙古自治区防凌指挥部，水文总站，1973.

［4］肖迪芳. 黑龙江中上游历史冰坝凌汛资料汇编［G］. 黑河:黑龙江省黑河水文勘测大队，1988.

［5］雷鸣，高治定.2007—2008年黄河宁蒙河段凌汛成因分析［J］. 黑龙江大学工程学报，2011，02(04) :37 －42.

［6］王军，聂杰. 河流冰期水位研究［J］. 南京林业大学学报:自然科学版，2002，26 (02) :69 －72.