黄河宁蒙段凌汛洪水风险分类及其分布特征

田福昌 王艳鹏 王秀杰

摘 要：针对黄河宁蒙段凌汛灾害频繁发生、灾害损失严重、风险防控困难等问题，通过历史凌汛灾害资料分析与现场调研考察，研究了黄河宁蒙段凌汛洪水风险分类及其分布特征。凌汛洪水风险主要分为壅水漫滩风险、穿堤沟渠凌洪倒灌风险、凌洪漫溃堤风险和工程设施破坏风险，三湖河口至头道拐河段的冰塞冰坝壅水漫滩风险与凌洪漫溃堤风险比较大，宁夏段穿堤沟渠凌洪倒灌风险大于内蒙古段的，不同类别凌汛洪水风险的分布具有险点多、险段长、影响范围广等特征。

关键词：凌汛洪水风险;壅水漫滩;沟渠倒灌;凌洪漫溃堤;冰塞冰坝;黄河宁蒙段

Abstract：Aiming at the frequent occurrence of ice flood disasters， serious disaster losses and difficulties in risk prevention and control in the Ningxia-Inner Mongolia Reach of the Yellow River （NMRYR）， the classification and distribution characteristics of ice flood risk in the NMRYR were studied through disaster data analysis and field investigation. The results show that the ice flood risk is mainly divided into the risk of riverbank inundation caused by backwater， the risk of backward flow in dike-through drainage ditches， the risk of overflow and levee-breach ice flood and the risk of damage to engineering facilities. The risk of riverbank inundation caused by backwater and overflow and levee-breach ice flood in the reach of Sanhuhekou-Toudaoguai is higher than other reaches. The risk of backward flow in dike-through drainage ditches in Ningxia section of the Yellow River is greater than that in Inner Mongolia section. The ice flood risk distribution has the characteristics of many danger points， long danger section and wide influence range.

Key words： ice flood risk; riverbank inundation caused by backwater; backward flow in dike-through drainage ditches; overflow and levee-breach ice flood; ice jam and ice dam; Ningxia-Inner Mongolia reach of Upper Yellow River

凌汛是冰凌堆積堵塞产生水流阻力引起江河水位明显上涨的一种水文现象，“伏汛易抢、凌汛难防，凌汛决口、河官无罪”道出了黄河凌汛为灾害防御难度之最。黄河宁蒙段地处黄河流域最北端，河段全长1 203.8 km，整体呈Γ字形大河湾，受特殊的地理位置和水文气象条件影响，黄河宁蒙段凌汛灾害频繁发生并造成严重损失，凌汛洪水风险的科学防控困难但至关重要。

国内外学者对冰凌演变机理与凌汛洪水风险分析方法开展了大量研究工作，取得了较为丰富的研究成果。Shen等[1-2]通过冰盖生长的动态表达，实现了表面冰输移受阻形成冰塞冰坝过程的模拟;Beltaos[3-4]提出了冰塞洪水风险评估方法，并根据冰塞洪水前后的观测资料量化了气候变化和水库调节对冰塞洪水发生频率的影响;茅泽育等[5]总结了河冰形成、演变、输移、堆积、消融和破碎冲蚀等的研究现状;郜国明等[6-7]梳理了国内外河冰基础理论、冰凌原型观测和凌情预报等方面的研究现状，总结分析了黄河近年来洪水特点及水库运用实践;郭立兵等[8]根据历年凌汛期实测凌情数据与灾害统计信息，分析研究了黄河宁蒙段凌汛致灾影响因素及灾害演变的特点;杨开林等[9]根据冰塞演变机理，利用实测资料模拟了冰塞的形成发展过程;王军等[10-11]梳理了河流冰塞数值模拟与冰水力学研究进展，提出了较为系统的河冰数值模型理论;李超等[12-13]通过河冰野外观测，研究了河道冰凌生消演变特性，并利用DynaRICE模型模拟了三湖河口弯道河冰生长、输移、堆积及冰盖发展的过程;苑希民等[14-17]系统研究了河道-泛区一二维耦合与全二维水动力耦合模型，分析了黄河宁蒙段凌汛灾害的驱动机制，并提出了冰塞险情诊断、凌汛堤防险工段评价与凌洪溃堤风险评估等系列方法。综合国内外研究成果，目前鲜有学者系统研究黄河宁蒙段凌汛洪水风险分类及其分布特征。因此，笔者根据历史凌汛灾害资料与现场调研考察结果，分析黄河宁蒙段凌汛灾害的主要成因，并在此基础上分析凌汛洪水风险类别，重点研究黄河宁蒙段冰塞冰坝壅水漫滩、穿堤沟渠凌洪倒灌与凌洪漫溃堤淹没风险的分布特征，以期为黄河凌汛洪水风险分析评估与防凌减灾方案的制定提供支持。

1 黄河凌汛灾害主要成因

黄河宁蒙段冬季流凌、封河一般首先发生在三湖河口至头道拐河段，受气温骤降影响，自下游至上游逐渐封河，河道内储蓄一定流冰和积冰，流冰、冰盖和水流多相流相互作用，阻塞河道，从而导致上游来水下泄不畅，河槽蓄水量增加;之后随着气温逐渐回升，自上游至下游顺次开河，在上游来水、河槽释放蓄水以及融冰水作用下下游冰盖受力开裂，产生的凌汛洪水挟带着大量冰块，流经狭窄弯曲河道时易形成冰塞冰坝，造成凌汛灾害。

通过凌汛灾害形成及其演变过程分析认为，凌汛灾害主要成因包括热力环境、动力因素、边界条件和人类活动等。其中：热力环境主要表现为太阳辐射、气温与水温变化等，气温变化受太阳辐射影响，太阳辐射和气温影响河道水温的变化，因此气温是凌汛灾害演变的主要热力因素;动力因素包括流量、水位、流速及槽蓄水增量等，流速影响冰盖的输移、下潜和卡塞等过程，水位的涨落则与封开河形势密切相关，若水位平稳则易形成“平封”和“文开河”，若水位涨落强度较大则易形成“立封”和“武开河”，槽蓄水增量是开河期凌峰流量的主要影响因素，凌汛期流量变化和凌峰流量大小对凌汛灾害形成与演变具有重要影响;边界条件包括河道的平面位置、走向、比降、纵横断面特征等，河道边界条件影响河冰输移过程，是冰塞冰坝形成及演变的主要影响因素;人类活动主要包括水库调度、堤防与河道整治工程、分凌区联合调控等，黄河上游龙羊峡、刘家峡等水库联合调度，黄河宁蒙段河道整治工程的实施以及分凌区应急调控，是凌汛灾害防御与应急抢险的重要措施。

2 凌汛洪水风险分类

根据黄河宁蒙段历史凌情及凌汛灾害发生情况，黄河内蒙古段（长680 km）基本年年封河，而黄河宁夏段存在不稳定封河河段，宁夏河段历史最大封河长度为260 km，青铜峡库尾以及叶盛黄河大桥至万家寨库尾河段（长度约940 km）属于凌汛灾害易发区域，冰塞冰坝灾害多发生在三湖河口至头道拐河段，见图1。凌汛洪水风险一般分为4类，即凌汛壅水漫滩风险、穿堤沟渠淩洪倒灌风险、凌洪漫溃堤风险和工程设施破坏风险。其中：凌汛壅水漫滩风险主要是冰塞冰坝降低了河槽过流能力，因凌汛水位升高而淹没滩地，造成滩区居民受灾与农田经济损失;穿堤沟渠凌洪倒灌风险是指黄河凌汛水位壅高，使得凌汛洪水倒灌两岸灌区穿堤排水沟渠尤其是无闸控沟渠，淹没灌区耕地，同时造成穿堤沟渠护坡护岸等工程冻胀破坏;凌洪漫溃堤风险属于极端条件下发生的重大凌汛风险，冰塞冰坝壅水长时间偎堤淘刷，冰坝溃决或开河期凌洪流速与水位陡涨陡落等均可能加剧堤防漫溃决险情，从而造成重大凌灾损失;工程设施破坏风险主要包括凌汛洪水影响下的水闸与桥墩等工程设施冻胀破坏、堤防渗透与边坡滑塌、丁坝与人字垛沉降等。不同类别凌汛洪水风险的分布具有险点多、险段长、影响范围广等特征。

3 凌汛洪水风险分布特征

3.1 冰塞冰壩壅水漫滩风险分布特征

据历史资料记载，黄河宁蒙段封开河期间基本年年发生凌汛壅水漫滩事件，如遭遇冰塞冰坝，壅水漫滩风险更加严峻，常造成滩区房屋进水、农田淹没、堤防偎水、工程设施冰冻破坏等。1993—1994年度凌汛期黄河内蒙古段80%河滩地遭受凌洪淹没，壅水偎堤长度占堤防总长的86%;2007—2008年度凌汛期黄河宁夏段河滩地淹没约1.33万hm2，塌毁严重。基于黄河宁蒙段2012年伏汛后的遥感影像数据提取河槽与滩区信息，见图2。黄河宁夏段与内蒙古段滩区面积分别约为300、1 500 km2，其中内蒙古下游河段滩区有居民长期居住，凌汛冰塞冰坝壅水漫滩将淹没大量农田，严重威胁滩区人民生命财产安全。

3.2 穿堤沟渠凌洪倒灌风险分布特征

黄河宁蒙段冰塞冰坝壅水导致穿堤沟渠凌洪倒灌现象频繁发生，比如黄河宁夏段，2004—2007年凌汛期穿堤建筑物严重损坏数量分别为60、18、34座，水利工程设施损害严重。穿堤建筑物尤其是无闸控堤段常遭受流凌撞击与冰冻破坏，造成闸槽冻裂变形、闸门漏水、沟渠堤防或护坡护岸工程发生冰水冻胀破坏，同时穿堤建筑物破坏了堤防的完整性，涵洞洞身与堤防渗径缩短，遭遇大洪水时易渗水塌毁。据统计，黄河宁蒙段两岸共建有穿堤建筑物1 215座[18]（见表1），为了减少穿堤建筑物凌洪安全隐患，黄河宁蒙段近期防洪工程建设中规划合并后的穿堤建筑物数量为633座。该河段两岸灌溉沟渠、取水口与水闸分布情况见图3。由表1、图3可知，宁夏段穿堤建筑物数量明显多于内蒙古段的，且多为无闸控的穿堤渠涵、沟涵和桥涵，内蒙古段穿堤沟渠均有水闸控制，宁夏段穿堤沟渠凌洪倒灌风险更大。当遭遇突发性极端天气时，冰塞冰坝将大幅壅高水位，加剧穿堤沟渠凌洪倒灌风险，造成严重凌汛灾害损失。

3.3 凌洪漫溃堤淹没风险分布特征

据历史凌汛灾害资料记载，1986年以来，黄河宁蒙段封开河期间至少发生12次堤防决口事件，主要发生于1990年2月、1993年12月、1994年3月、1996年3月、2001年12月和2008年3月，历史溃口位置分布在达拉特旗大树湾段、三盛公拦河闸下游河段、达拉特旗乌兰段、蒲圪卜段、乌达公路桥上游河段、达拉特旗乌兰乡万新林场段、杭锦旗独贵特拉奎素段等，溃口宽度为30～100 m，历史上凌汛溃堤均造成了严重的淹没影响与灾害损失，溃口位置与凌洪淹没范围见图4。极端天气条件下，黄河宁夏段可能遭受凌洪漫堤淹没风险，但溃堤概率较小，而黄河内蒙古段凌洪堤防漫决或溃决风险均较大，堤防险段或防凌薄弱点较多且呈空间非连续性分布。

受凌汛期冰塞冰坝壅水影响，凌洪漫滩导致堤防长期偎水，比如2019—2020年度凌汛期黄河内蒙古段堤防最大偎水长度327.90 km（见表2），凌洪对堤防的冲刷淘蚀与长时间浸泡，增大了堤防漫溃决风险。因此，根据现场调研考察结果，确定可能的溃（漫）堤位置及凌洪淹没范围，见图4。分析可知，黄河内蒙古段凌洪漫溃堤风险明显大于宁夏段的，尤其三湖河口至头道拐河段凌汛堤防险段较多、溃堤淹没风险大。

4 结 语

基于黄河宁蒙段历史凌情及凌汛灾害资料，系统分析了黄河宁蒙段凌汛形成过程及凌汛灾害主要成因，研究了封开河期间冰塞冰坝壅水引起的凌汛洪水风险类别，并在此基础上分析了黄河宁蒙段凌汛壅水漫滩、穿堤沟渠凌洪倒灌与凌洪漫溃堤淹没风险的整体分布特征，结果表明：黄河青铜峡水库库尾以及叶盛黄河大桥至万家寨水库库尾河段属于凌汛灾害易发区域，长度约940 km，凌汛洪水风险分布具有险点多、险段长、影响范围广等特征;黄河宁蒙段冰塞冰坝壅水漫滩风险区面积约为1 800 km2，高风险区域多位于三湖河口至头道拐河段;黄河宁夏段穿堤沟渠凌洪倒灌风险大于内蒙古段的，而内蒙古段凌洪漫溃堤风险明显大于宁夏段的，尤其三湖河口至头道拐河段凌汛堤防险段较多、溃堤风险更大，且凌汛堤防险段或防凌薄弱点多呈空间非连续性分布。

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【责任编辑 吕艳梅】