头、二道松花江冰厚特征及其影响因素分析

齐文彪，丁 曼，于得万

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

第二松花江位于中国东北地区北部，流域处于北纬41°～52°间，冬季漫长，气候寒冷。一般11月封冻，翌年4月解冻，封冻期长达130～160d，最大冰厚1.0～2.0m。每年解冻期由于春季温度升高积雪融化以及降雨造成河道槽蓄水量的急剧增加，形成凌汛。上游地区人烟稀少，为吉林省东部山区的原始森林区，凌汛灾害主要发生在干流下游地区，因此造成第二松花江“武开江”，造成第二松花江“武开江”的原因主要有两个：一是在春季开河前，流域普降中雨，河道流量剧增；二是上年冬季封河时河槽水位较高，河道在开河前槽蓄量较大。一般凌汛的洪峰流量不是太大，只相当于汛期的中小洪水。头、二道松花江河道窄深，比降较陡，因此水位往往很高，洪水过程陡涨陡落，为尖廋型单峰过程，而这些均与稳定封冻期冰层的厚度有关。

热力、动力及河道特性是形成冰层演变的重要因子。其中热力因子是起主导作用的根本因素[1]，包括太阳辐射热、气温、水温、风速等。而负积温表征结冰所需能量的累积。动力因子包括流速、流量等，对于流速小且河道比降小的河段更易结冰，流量小流速慢是加快结冰的进程，而流量大流速快则阻碍结冰进程。

河道特性包括河道所处的地理位置和河槽的形状，二者分别与热力因子和动力因子有密切关系，河道所处的经度纬度与热力因子相关，不同的河道特征决定河槽流速和水深的不同，因此形成河槽结冰的条件和结冰厚度的不同。

早期，Beltaos系统地描述河道中可能发生的各种冰情演变的物理现象[2]。Foltyn和沈洪道在起始水温、长期气温、平均流速、水温相应参数基础上，提出了一种河流封冻日期的长期预报方法，应用在圣劳伦斯河段[3]。沈洪道总结了河冰过程的研究现状，河冰从冰的形成、水内冰和锚冰的演变、水面冰的输送和冰盖的形成，冰盖下冰的输移和冰塞，开河壅水和流凌的不同发展阶段[4]。沈洪道对河冰水力学、河冰过程模拟及河冰模拟和预报模型做了系统的总结[5]。茅泽育、吴剑疆、佘云童分析总结了河道中冰的形成、演变、输移、积聚、消融和破碎冲蚀等各种冰情现象[6]。樊霖、茅泽育、吴剑疆等对松花江白山河段冰情进行数值计算及分析[7]。刘桂筠、徐德治对松花江下游冰坝形成条件进行分析和预报[8]。刘翠杰、杨广云等相继对松花江凌汛进行了分析和探讨[9- 10]。郝振纯、银若冰等对松花江干流的最大冰厚与负积温、气温、风速、流量等热力、水力因素的相关性进行了分析[11]。高瑞忠、冯国华、朝伦巴根等运用数理统计理论的相关分析方法对黄河内蒙古段冰情变化特性的统计分析，表明流量、温度和风速是影响冰情的主要因素[12]。冯国华、朝伦巴根、闫新光着重分析研究了黄河内蒙古段冰凌形成机理、冰情演变及凌汛成因，并分析研究了影响凌汛成因的热力、动力和河势三大作用因素[13]。

本文基于第二松花江白山水电站坝址以上头、二道松花江流域4个主要水文测站和4个气象观测站1958～2013年的56年水文、气象实测观测资料系列，采用M-K检验法，对主要水文站1958～2013年的最大冰厚进行了突变检验，并深入分析了头、二道松花江干流最大冰厚的影响因素及其相关性。研究结果为松花江流域防凌决策提供了科学依据，同时也为深入研究松花江流域春季武开河机理奠定一定的基础。

1 研究区概况及实测资料来源

1.1 研究区概况

白山水电站位于第二松花江上游，自丰满电站上游193km处。第二松花江发源于长白山天池的西北侧，河流流向大致由南向北，河流上游分头道江松花江和二道江松花江。它们在白山水电站坝址以上12km处汇合(称两江口)，汇合以下始称第二松花江。头道江由漫江河源至两江口，全长238km，平均坡降5.8‰。二道江由河源至两江口全长263km，其下游河段比降与头道江相近。白山坝址以上头、二道松花江流域为原始森林区，地势陡峻，森林茂密，河流蜿蜒于高山峡谷之中，河谷深窄，呈V字形，河床基岩裸露，河中常有巨石，多急哨陡弯，特别是二道江及两江口以下河段，水流湍急，属典型的山区性河道。

白山水电站坝址以上头、二道松花江流域地处北纬42°以北，海拔高程自300～2000多米，为我国北方高寒地区，属大陆性季风气候。冬季盛行西北风，气候寒冷且历时漫长，每年10月下旬气温开始出现负值，11月上旬日平均气温稳定转负，河道开始流凌，到11月下旬除个别急哨河段外，整个河道进入稳定封冻期。3月下旬平均气温开始转暖，4月上旬河道开江，整个封冻期历时130～140d。白山历年平均最大冰厚为1.10m，一般出现在2月，历年最大冰厚曾达1.42m。

1.2 实测资料来源

本文选取具有流域代表性的4个水文站，分别为头道松花江的漫江站、高丽城子站，二道松花江的汉阳屯站以及第二松花江的白山站。各站水文实测资料系列选用1958～2013年，数据来源于水利部水文局刊印《中华人民共和国水文年鉴松花江流域水文资料》并由吉林省水文水资源局提供，包括历年实测的最大冰厚、11月上旬～翌年3月下旬的结冰期间的月平均流量。

气象站的采用与所选水文站气象特征一致且距离最近的地面气象站，分别为东岗站、靖宇站、二道站以及桦甸站。气象特征统计资料包括结冰期间的月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温、月平均风速以及月平均日照时数等气象要素资料。各气象站实测资料系列采用和水文系列采用一致，实测资料系列为1958～2013年，来源于中国气象科数据网。本文所采用的气象站和水文站位置分布如图1所示。

图1 气象站和水文站位置分布图

2 论证分析与结论

2.1 利用M-K法检验最大冰厚变化特征

冰厚是表明天然河道冰情的重要指标之一，本文采用M-K检验法对松花江白山段主要水文站1958～2013年的最大冰厚进行突变检验，并且统计其均值和极值。

由表1可见，3站的突变年份均在2000年之后，漫江和高丽城子站突变后的平均值均大于突变年前。其中漫江站突变年前后均值差异较大，达0.39m，高丽城子差异0.16m。汉阳屯突变后的平均值均小于突变年前，差异不大，为0.18m。

从各站多年平均最大冰厚来看，头道松花江河道坡降平缓，河谷比较开阔，所以纬度较大的下游高丽城子站的多年平均最大冰厚大于上游漫江站。而二道松花江汉阳屯站虽比高丽城子站纬度更高，但是多年平均最大冰厚却小于高丽城子站，归因于二道江具有急哨多的河道特性。同理，分析1958～2013年系列，当头道江和二道江汇入两江口后，两江口至坝址的12km河段内有6个较大的急哨，这也影响了河道的结冰，导致白山站多年平均最大冰厚没有大于上游各站的多年平均最大冰厚。

表1 第二松花江白山坝址以上主要水文站最大冰厚特征值统计表

通过最大冰厚的最大值和最小值之比，进一步来说明最大冰厚的多年变化特征，漫江站的多年变化较大，汉阳屯站变化较小。为了分析论证最大冰厚系列变化趋势，对漫江、高丽城子、汉阳屯3个站的1958～2013年最大冰厚分别绘图并添加趋势线，漫江跟高丽城子站的最大冰厚呈上升趋势，汉阳屯站的最大冰厚呈下降趋势。

经统计分析可知，头道松花多年平均最大冰厚为1.03m。图2(a)、3(a)绘制头道松花江最大冰厚变化过程并显示其具有明显上升趋势，平均最大冰厚增加约20cm，在2000年后最大冰厚显著增加。2009年最大冰厚为1.48m，1958年最小冰厚值为0.62m。由图4(a)可以看出突变年份为1998年。同理从图2(b)、3(b)、4(b)分析二道松花江1956～2013年的平均最大冰厚，二道松花江多年平均最大冰厚为0.78m，呈下降趋势，多年来平均最大冰厚减小约10cm，在2000年后最大冰厚显著减小。1990年最大冰厚为1.17m，最小冰厚值出现在2009年，冰厚为0.46m，突变年份为2003年。

图2 1958～2013年最大冰厚变化过程

图3 不同年代际的最大冰厚

图4 M-K检验1958～2013年最大冰厚

2.2 最大冰厚及其影响因子的相关性

河道形成冰的首要条件是河槽水面的过度冷却，即水面水温降至0℃以下。结冰初期，水面冰层率先满足冻结条件，开始反复冻融，由与河槽表层水面至河底持续不断的向大气散发热量，最终将冰水混合层中的热能全部散尽。而后河槽水温稳定转负，河槽开始稳定冻结。在冰厚逐渐冻结增厚的过程中，冰层增厚的速度由快变慢。使河道的冰层厚度达到最大后，大约持续14d左右的时间，冰层的厚度基本确定在一个稳定的时期。而后随着天气变暖温度逐渐升高，融化速率大于结冰速率，即进入冰水的消融期[6，11，14- 15]。

2.2.1 冰厚影响因子

热力、动力和河势作为影响冰厚的三大重要因素，三者相互影响、相互制约。当气候变化时，热力和水力因素也随之变动，因此，本文以二者为研究因素，采用Pearson相关检验法检验其与最大冰厚的相关性。

热力因子选取松花江白山段结冰期的负积温、平均气温、平均最高气温、平均最低气温、平均日照时数、平均风速等。动力因子选用结冰期的月平均流量，相关性结果见表2。

(1)热力因子。从头道江上的漫江站和高丽城子站、二道江上的汉阳屯站、第二松花江白山站的最大冰厚与影响因子的相关性可知，热力因子中的4个影响因子与最大冰厚相关性较高，分别是负积温、平均气温、平均最低气温以及平均风速，除汉阳屯的平均风速在α=0.05的显著性以外，其余均在0.01水平上显著相关。各站最大冰厚与平均最高气温和平均日照时数无明显相关关系。

(2)水力因子。头道江上的漫江站和高丽城子站的最大冰厚与影响因子平均流量的相关性较高，并且通过了α=0.01的显著性检验。二道江上的汉阳屯站的最大冰厚与影响因子平均流量无明显相关关系。白山站的最大冰厚与平均流量的相关性通过了α=0.05的显著性检验。

表2 选取水文站最大冰厚与影响因子相关分析

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关;*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。

从选取的水文站56年观测资料相关分析可以看出，不同水文站的观测位置间影响最大冰厚的因素并不完全一致，并与不同的气象要素的相关程度各有不同，说明头、二道松花江江段最大冰厚的形成与影响因子多样，在相关分析中得出影响最大冰厚的主要因素是负积温、平均最低气温、平均流量，其次是平均风速、平均日照时数、平均最高气温等，其他气象因素对最大冰厚的形成影响甚微。

2.2.2 冰厚主要影响因素相关性分析

本次研究确定负积温、风速和流量为形成最大冰厚的主要影响因素。

(1)负积温。负积温越低，河道水流失去的热量越多，形成的冰层就越厚，直到封冻期冰盖覆盖整个江面。通过M-K检验法对头道、二道松花江高丽城子、汉阳屯站平均负积温进行趋势和突变检验，证明负积温在99%的置信水平下上升显著，突变年份为头道松花江为1998年，二道松花江为2003年，与前面所观测的最大冰厚的突变年份比较吻合。从高丽城子站相关图分析，图5(a)、6(a)所示负积温与最大冰厚的相关变化趋势过程，两者在多数年份有较好的相关性，并一一对应，只有个别年份出现相反的情况，如头道松花江的高丽城子站的1977、1998、2003年等，二道松花江的汉阳屯站1972、1988、2001年等，但是并不影响结论的一致性。最大冰厚的形成也不单纯取决于负积温，还与其它要素有关，如流量、风速、河道特性等要素有关。

图6 二道松花江1957～2013年最大冰厚与显著影响因子的变化趋势及相关图

(2)流量。河道的流量不但使河水流动而且使河水紊动，河水紊动迅速将表面冷却的水质点带入水底和下游，顺便带走凝结释放的潜热能量，从而加速冷却造成大量的水内冰；另一方面，较大的流量又阻碍着水体表面结晶体附着、冻结以及水体表层冰盖的形成，从而降低了水质点的冷却效率，同时又把它看做流量对冰情的动力作用[1]。从表3头、二道松花江主要水文站最大冰厚与各项影响因素相关分析中，流量与最大冰厚的相关系数中，可以得出流量与冰厚呈正相关趋势，从多年观测资料统计分析结果可以得出，流量变大，随之而来的是最大冰层的厚度增大。图5(b)也充分说明这一点，流量越大冰层厚度越大，比较大的流量对应比较大的冰厚，在相关图中可以看出1962年和2012年出现相反。其他观测系列基本一致。也进一步说明较大的流量给江河带来比较充沛的水量，为江河的冻结提供较好的物质基础，只要发生较大流量必然生成较大的冰层厚度。

(3)风速。风的作用将进一步加快了热能的散发，风速越大时河槽水面热能散发越快，河槽的冰层厚度也有所增加，风速因子与河槽的最大冰厚做正相关关系见表2。可以得出风速改变了河槽水面的热量交换，使得河槽水面热能再分配，从而造成结冰面积的变化。由图5(c)、6(c)可以从整体上看出，风速与最大冰层的冰厚变化比较一致，但从各年对应的观测系列看相关性较差，相关点据比较散，也进一步说明风速对河槽冰层最大冰厚度的影响弱于负积温和最大流量。

综上说明，冰层厚度的大小是各种气象因子、水情要素综合作用的结果，热力因子和动力因子的不同组合导致不同阶段的河槽冰层厚度不同，同时也会有不同的影响结果。主要影响因素为负积温和流量，两者在河槽冻结形成结冰过程中起主导作用，同时相互联系、相互制约，共同影响河槽内水体结冰后的冰层厚度。

3 结语

本文选取了头、二道松花江干流4个水文站和相邻的4个气象站1958～2013年的实测水文气象资料，用数理统计方法进行分析，研究了1958～2013年的56年间头、二道松花江冰情变化特征，从最大冰厚观测系列资料的年际变化特征情况看，最大冰厚的影响因素及相关程度分析，与冰厚内因增长机理理论比较吻合，相关分析论证后得出以下结论：

(1)头道松花江干流多年平均最大冰厚为1.03m，最大冰厚呈显著上升趋势，以1998年为突变年，前后差异明显。二道松花江干流多年平均最大冰厚为0.78m，最大冰厚呈显著下降趋势，以2003年为突变年，前后差异明显。

(2)从各站多年平均最大冰厚来看，头道松花江河道平缓，位于下游且纬度较高的高丽城子站最大冰厚高于上游漫江站。而二道松花江由于河道急哨多，河道比降大的原因，即使漫江站纬度高于头道江的高丽城子站，但是二道松花江漫江站最大冰厚小于高丽城子站。因此，水文站处的最大冰厚与水文站所处的纬度以及急哨多少的河道特性密切相关。

(3)最大冰层的厚度与负积温在头、二道松花江干流上具有较强的相关性，汉阳屯站点均在0.01水平上显著相关，且累计负积温越低，河槽冰层的最大厚度越大，同时二者突变年份比较吻合。

(4)头道松花江流量作为影响最大冰厚的动力因素，与其冰层的冰厚相关关系较好，从多年变化看流量与最大冰厚呈正相关。二道松花江汉阳屯站流量与最大冰厚的动力因素相关关系较弱。

(5)流量、负积温和风速是与最大冰厚显著相关又相互独立的因素，对头道松花江最大冰层的厚度大小起主要作用，负积温和风速对二道松花江最大冰厚的大小起主要作用。上述影响因子与其他多种热力、动力因子等因素共同决定冰层的最大冻结厚度。