封河期头道拐水位与万家寨水库水位关系研究

梁贵生 熊运阜 路秉慧 霍庭秀 路新川 孙超

摘要：头道拐水文站至万家寨库尾回水末端（拐上）河段长42km，其间以黑圪劳湾为界，上段属平原型河道，比降较小，历史上年年封河；下段比降增大，历史上较少封河，万家寨蓄水后几乎年年封河。凌汛期间，头道拐河段水位变化是否受万家寨水库水位影响，颇受关注。分析2015年封河期头道拐至万家寨水库河段水位变化过程，得出：库区冰塞头部形成位置取决于河道条件、水库水位和河道流量；库尾冰塞一旦形成，库水位变化不对库尾冰塞产生影响；什四份弯道卡冰封河后头道拐至万家寨河段凌情趋于稳定；头道拐河段水位，流凌、稳定封冻阶段由流量决定，封河发展阶段受冰塞壅水影响，与万家寨库水位变化无关。

关键词：封河期；水位；头道拐；万家寨水库

中图分类号：TV875；TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.006

1 概述

头道拐水文站距万家寨大坝114km，是万家寨水库的入库站。头道拐上游5km处的什四份（险工）弯道，上宽下窄，形成卡口，极易卡冰封河。头道拐至拐上（万家寨水库回水末端）河段长42km，其间以黑圪涝湾为界，上段河长17km，属平原型河道，比降小，历史上年年封河；下段河长25km，比降增大，万家寨水库运行前封河年份少于不封河年份，水库运行以后几乎年年封河。拐上至万家寨大坝为库区，河道长72km，属峡谷地貌，天然状态比降大、流速快，不封河；水库蓄水后，冰凌于回水末端堆积、铺冰上延形成冰塞，在岔河口以上的曹家湾一带形成严重壅水，并影响拐上。河道位置示意见图1[1]。

为观测分析水库水位变化对库尾冰塞及拐上以上尤其是头道拐河段的影响，在头道拐至万家寨大坝间（简称头万河段，包括头道拐上游9km）布设了16个水位自记站（见表1）。笔者根据2015年冬季自记水位资料，分河段（头道拐、拐上、库区，其中库区又分库尾、库中和库前，见表2）、分期（库区被冰凌完全覆盖前为流凌封河期，什四份弯道卡冰封河后为稳定封冻期，中间为封河发展期）对上下游水位关系进行分析。

2015年11月26日，头万河段初始流凌于距坝56km处堆积形成冰塞头部；28日冰塞头部下移至距坝47.6km，尾部距坝56km；12月5日，冰塞尾部距坝70km，库区河段基本被冰凌完全覆盖，流凌封河期结束。12月9-10日库尾河段、拐上河段冰塞壅水影响头道拐河段，形成万家寨水库蓄水以来最严重的凌情；12月14日晚什四份弯道卡冰封河（黄河内蒙古河段首封），封河发展期结束。12月15日头万河段进入稳定封冻期，12月17日头道拐断面封河。封河过程中，头道拐河段水位与万家寨库水位变化无关，流凌和稳定封冻期由河道流量决定，封河发展期受下游冰塞影响。

2 头道拐河段水位变化分析

2.1 流凌封河期

11月26日—12月4日为流凌封河期，期间头道拐河段水位变化的特点是流量过程（见图2）决定水位过程（见图3），图3中4站水位过程线形状、趋势与图2中流量过程线一致。

11月27日前，流量过程平稳，各站水位过程平稳且呈平行走势；11月27-28日流量上涨，各站水位也相应上涨，起涨时间下游较上游延后，符合流量沿河道传递的规律。11月29日—12月4日，各站水位过程与流量过程趋势一致；与27日前相比，水位上涨过程中，什四份弯道河段岸冰生长缩窄过水断面，导致什四份水位升高，使其与下游麻地壕的水位落差增大，与上游二道拐的水位落差减小，在图3中表现出二道拐过程线与什四份过程线间距较27日前略变小、什四份与麻地壕的间距较27日前变大。

2.2 封河发展期

12月5-14日为封河发展期，期间头道拐河段4站水位变化过程（见图4）与流量变化过程（见图5）没有相似性。5-10日流量略有上涨、变化幅度不大，但各站水位上涨幅度较大；10日水位达到最高，流量并不是最大；11日流量达到最大，但水位已经下降；11-14日流量下降幅度较大，水位仅11-13日略有下降，13-14日基本持平。

23日后，四站水位过程同流量过程基本一致，但以头道拐为界，上游二道拐、什四份两站水位小幅下降，下游麻地壕、海口两站水位下降较多，原因为什四份、二道拐断面冰凌堆積封河，属立封河段，河道冰花大量分布，水位壅高较多，断面水位（冰面高程）对流量变化的敏感度降低；海口、麻地壕断面属于铺冰上延封河，断面无冰花，过流通道大，断面水位对流量变化的敏感度较高。23日后四站水位过程由流量过程决定。

从12月5-10日水位上涨过程还可以看出，二道拐、什四份上涨幅度小，麻地壕、海口上涨幅度依次加大，原因为海口下游冰塞壅水影响程度向上游是沿程减弱的。9日晚至10日海口下游冰塞溃决，海口水位下降幅度最大，麻地壕次之，什四份和二道拐下降幅度更小且一致，原因为冰塞溃决影响程度是向上游逐渐减弱的。

2.3 稳定封冻期

因上游来水流量减小到500m3/s以下（见图5），12月14日晚什四份弯道卡冰封河，15日起头万河段进入稳定封冻期。15日，上游来凌堆积壅水使二道拐水位急剧上涨（见图4），什四份水位站位于弯道卡冰封河段下缘，水位过程平稳。由于什四份弯道卡冰封河壅水，因此什四份以下河道流量进一步减小，15日麻地壕、海口因下游河段封河壅水而水位上涨（见图4、图6）。综合图4～图7可以看出，15日晚二道拐断面进入稳定封冻期，16日午后什四份、麻地壕、海口等断面进入稳定封冻期。

综合分析得出，头道拐河段四站水位过程在流凌、稳定封冻期由流量决定，封河发展期主要受河段冰塞影响；什四份弯道卡冰封河导致下游流凌少，使头道拐河段凌情稳定。

3 拐上河段水位变化分析

流凌封河期（11月26日—12月4日）拐上河段水位过程（见图8）与头道拐流量过程（见图2）一致。12月4日拐上站水位开始受下游河段冰塞壅水影响。

封河发展期（12月5-14日），拐上河段水位过程（见图9～图11）与流量过程（见图5）没有关系，只受冰塞影响。其原因为拐上河段内有6座桥梁[2]、3个弯道、5处心滩，易阻冰形成分段冰塞壅水。6日夜间呼准铁路桥附近河段发生了一次冰塞壅水过程，影响范围直达海口。7日傍晚毛不拉附近河段冰塞溃决，导致毛不拉至神泉各站水位下降，冰凌下行引起拐上站水位急剧上升到986.5m左右；同时，神泉上游至巨合滩之间产生冰塞壅水及溃决，影响了巨合滩、海口水位变化。8日夜间毛不拉、小滩子之间桥墩阻冰形成冰塞壅水与溃决，引起小滩子至海口各水位站形成一次水位涨落过程。同样的过程9日凌晨还发生了一次。

12月9日下午，呼准铁路桥河段冰塞溃决，毛不拉及以上各站水位急剧下降，冰凌下行于拐上下游附近河段堆积，造成拐上站水位剧烈上涨2m以上。10日下午，拐上下游水泥厂河段冰塞溃决，引起拐上及以上各站水位一致下降（见图9）。11-15日，毛不拉及以上各站水位过程基本一致，其中小滩子、巨合滩站壅水情况明显（见图10、图11），主要为河道心滩阻冰引起。

12日起，拐上站水位与毛不拉及以上各站水位过程没有对应关系。13日起拐上站水位一直趋于回落过程中，对上游各站水位过程没有产生任何直接影响（见图10、图11），原因为拐上至毛不拉间的准兴高速公路桥、呼准铁路桥及河道心滩阻冰形成冰塞壅水，隔离了上下游间的直接水力联系，也就是说，自12日起拐上及以下河段水位变化不影响拐上上游河段水位。14日晚什四份弯道封河以后，至15日上午毛不拉至海口各站封河壅水过程结束。

综合图9～图11可以看出，封河发展期间，拐上站水位变化与毛不拉至海口各站水位变化之间没有对应关系，7日白天毛不拉站水位对拐上站水位的涨落过程没有任何反应，足以说明问题。16日起，各站水位过程呈平行走势，水位变化取决于河道流量（见图11、图12、图7），拐上河段封河趋于稳定。

拐上河段水位过程分析总结：①流凌封河、稳定封冻期河道水位取决于流量；②封河发展期河道水位主要受冰塞影响，与流量过程基本没有关系；③心滩、桥墩、弯道等分散阻冰，形成分段冰塞，起隔离作用，使拐上站水位变化不影响上游河段水位。4库区河段水位关系分析

分析拐上、水泥厂、岔河口三站及库水位（万码头）变化过程（见图13）特点，可以看出，初始流凌时（11月26日），库水位、岔河口水位同步下降；27-28日，库水位明显下降，但岔河口水位仅略有下降，与库水位基本没有关联；28日夜间至29日，库水位稳定，岔河口水位明显上涨；30日，库水位、岔河口水位趋于平稳，水泥厂水位明显上涨；12月2日，岔河口上游发生了冰塞紧冰过程，岔河口水位急剧上涨；12月4日晚，拐上站水位开始上涨。

由岔河口和万码头水位变化过程的相互关系可以看出，自11月27日夜间开始，岔河口水位与库水位变化间没有表现出关联关系，这说明岔河口水位（冰面高程）为975m以上时，库水位变化对岔河口水位没有影响。

5 万家寨库区冰塞发展与库水位的关系

5.1 库区冰塞发展演变过程

2015年11月26日头万河段开始流凌，冰凌于万家寨库区距坝56km处堆积，形成初始冰塞头部。在冰凌堆积、流量增大和库水位下降的多重作用下，28日15：00左右冰塞头部下行至距坝47.6km处停滞，此后冰塞头部位置稳定。冰塞尾部位置：11月26日位于距坝57.5km处，12月5日位于距坝65.6km处，6日位于距坝70km处（曹家湾上游），7日位于距坝74.3km处，8日库尾曹家湾河段冰塞急剧发展，尾部到达距坝84.5km（章盖营村）处；距坝89.7km处（小滩子村）呼鄂城际铁路桥卡冰形成另一冰塞，长500m，壅水影响范围达河口镇。

12月9日9：30左右，冰塞上延到距坝89km（呼鄂铁路桥下1km）处，规模达到最大，冰塞体连续长度为41.4km。9日13：30左右上延到89.3km处；15：00左右小滩子冰塞溃决，冰凌下行堆积叠加到章盖营河段，连续冰塞体发生紧冰作用，呼准铁路桥（章盖营村）河段冰塞下移；15：00—15：45水泥厂河段冰塞下移，导致拐上附近河段冰塞上下游水位落差增大，15：50-16：20拐上附近河段冰塞下行，冰凌叠加堆积，使水泥厂至三道塔河段水位上涨；16：20后拐上站水位持续上涨；16：50冰塞尾部位于距坝66km处（曹家湾），冰塞长度18.4km。上游来凌持续堆积，不稳定冰塞紧冰作用持续发生，冰凌挤压下行通过距坝60-65km的顺直河段后，遇到连续弯道、准朔铁路（复线）桥墩、红河岔口、滩地等阻碍，于距坝55km附近停滞堆积；17；30岔河口水位开始上涨，19；00水位最高达到981.87m，90min水位涨幅近5m。此后，夜间气温降低，冰塞体稳定性增强，紧冰强度减弱；上游来凌持续堆积，至10日上午冰塞尾部位于距坝73km处（拐上村），冰塞长度25.4km。

12月10日，上游來凌不断堆积，13：50左右距坝66km（曹家湾）附近河段冰塞发生紧冰作用，冰凌下行至水泥厂附近堆积壅水，14：00左右30min内水泥厂水位上涨近3m；此时冰塞尾部距坝65km左右。9-10日万家寨库尾冰壅水面线演变情况见图14。

12月11日冰塞尾部上延到距坝70km的喇嘛湾公路大桥（前房子村），14日上延到距坝85.9km处，15日上延到距坝87.8km处。此时，城际铁路桥卡冰封河至呼大高速公路桥，黑圪涝湾卡冰封河至巨合滩桥下700m，什四份卡冰封河至张家圪旦。15日下午巨合滩桥上下游封河长约1km，16日封河上延至麻地壕，17日封河上延到头道拐断面上游官牛惧。至此，头道拐至万家寨库区河段稳定封冻。

5.2 库区冰塞头部位置与库水位的关系

11月26日流凌于距坝56km处堆积形成初始冰塞头部，此时库水位约为974.6m；28日头部位于距坝47.4km，此后冰塞头部位置稳定，当日8；00库水位972.49m。距坝56km处平均河底高程969m，对应26日水位断面平均水深约为5.6m；距坝47.4km处断面河底平均高程约为963.5m，对应28日库水位断面平均水深约为9m。11月26-28日河道流量由400m3/s上涨到近800m3/s，库水位下降约2m，冰塞头部向库中推进了近9km，但距坝57.3km的岔河口水位没有下降。万家寨库区距坝60km以下有连续弯道、卡口、岔口和铁路桥墩，在这些条件约束下，流量400m3/s时形成堆冰头部位置的平均水深约为6m，流量800m3/s时形成堆冰头部位置的平均水深约为9m。

万家寨库区河道地形及河底比降，一般情况是不会改变的，决定堆冰头部位置的主要因素只有库水位和流量。流凌封河期河道流量为 400～800m3/s、设计库水位低于975m，因此堆冰头部位置也就形成于库中河道内，即位于距坝57km的岔河口铁路桥至距坝44km的大沙湾之间。

5.3 库尾冰塞发展与库水位的关系

由头万河段水位、流量过程（见图15）可以看出，11月28日岔河口河段冰塞发展趋于稳定后，冰塞向上游发展直到拐上。期间，不同规模冰塞紧冰过程不断发生，影响河段长度也在变化。如12月9日一次较大紧冰过程，影响了拐上至岔河口全库尾河段，引起岔河口水位急剧上涨。从图15还可看出，11月28日以后，库水位在975 m以下变化对岔河口冰塞不产生影响，因为岔河口水位（冰面高程）高于库水位变化范围。文献[2]曾对2001-2009年共8个封河期麻地壕、蒲滩拐、水泥厂的水位上升变化与万家寨水库水位之间的关系进行分析，结论为三站水位上升与库水位之间没有明显对应关系。事实表明，当库水位上升到足够接近岔河口水位（冰面高程）时，才会影响岔河口河段冰凌堆积体；上升到足够接近水泥厂水位（冰面高程）时，才会影响水泥厂河段冰凌堆积体。万家寨库水位最高只能达到980m，一般年份水泥厂冰凌堆积体冰面高于982m。也就是说，万家寨水库水位无论如何变化，都不会对水泥厂冰塞体产生影响，也就不会对头道拐断面水位产生影响。

6 结论

（1）流凌与稳定封冻阶段头道拐河段水位由流量决定，封河发展阶段受河段冰塞影响。

（2）什四份弯道卡冰封河使河道流量急剧减小，头万河段封河趋于稳定。

（3）河道流量、库水位变化范围决定冰塞头部位于岔河口铁路桥至距坝44km的多弯道河段。

（4）万家寨库尾冰塞形成后，水泥厂冰面高于982m，库水位变化对水泥厂及以上河段冰凌不产生任何影响，更不会对头道拐河段水位产生影响。

参考文献：

[1]马喜祥，熊运阜，徐伟，等.万家寨水库冰情浅议[J].泥沙研究，2003，28（4）：66-72.

[2]翟家瑞，金双燕，熊运阜，等.黄河万家寨水库防凌运用方式研究[M].郑州：黄河水利出版社，2013：56-86.