黑龙江流域冰凌研究进展

张凯文，戴长雷，于成刚，张兆廷

（1.黑龙江大学寒区地下水研究所，哈尔滨150080；2.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨150080；3.黑龙江大学中俄寒区水文和水利工程联合实验室，哈尔滨150080；4.黑龙江省大兴安岭水文水资源中心，黑龙江加格达奇165000）

黑龙江流域位于亚洲东北部中蒙俄交界地带，流域处于N41°以北的高纬度寒区，冬季气候严寒且漫长，月平均气温低于0 ℃的时间长达6 个月，河流封冻期约为150～170 d 左右（11月-次年4月），黑龙江干流冬季冰期超过200 d［1，2］。黑龙江流域面积广阔，资源丰富且经济活跃，但针对冰凌的科学研究工作基础较弱，研究程度有待提升。相比于同为寒区的黄河流域还需要更深入地研究。通过对黑龙江流域冰凌研究相关资料的整理，从理论研究、现象规律、应用研究3 个方面梳理中国和俄罗斯相关学者对黑龙江流域冰凌的研究成果，为黑龙江流域冰凌科学研究提供参考。

1 理论研究

1.1 冰凌理论

国内针对冰凌理论研究的科研单位和开设冰科学相关课程的水利类高校较少。黑龙江大学开设寒区水科学概论、寒区水利计算课程、寒区水文地质学等本科及研究生课程，以戴长雷［3］等编著的《寒区水科学概论》和汪易森［4］等编译的《河冰管控工程设计手册》作为主要课程资料。秦大河［5］等编著的《冰冻圈科学概论》作为中国科学院大学研究生教学课程教材。廖厚初［6］等明确了冰坝与冰塞的定义，并从成因、特点、研究等角度分析了冰坝与冰塞的区别，对冰坝凌汛和冰塞凌汛的特点进行了分析，认为国外采用冰塞的理论分析冰坝的研究方法较为牵强。

寒区河流冬季随着气温下降，河水产生冰晶体并不断伴随失热逐渐生长，直至上浮至水面在适当的水力条件下形成冰盖、冰塞或冰坝；春季气温回升开河期间，封冻的冰盖发生消融、破裂，演化成流冰，受气温、降水、太阳辐射、水力条件、河道形态等因素影响可能形成冰塞或冰坝。阻塞河道的冰塞或冰坝会壅高上游水位，形成凌汛洪水对下游沿岸居民生命财产产生威胁及破坏［7］。

1.2 河冰力学

针对河冰进行力学性能分析，可以在冰上运输、景观用冰、开河预报以及流冰对河岸、桥墩、船舶撞击破坏等领域提供科学依据。付辉［7］等分别从原型观测、实验研究、新型冰情观测仪器研发、河冰动力学数值模拟研究以及基于神经网络技术的冰情预报等方面综述了国内外学者的研究进展。王军［8］等通过冰盖断裂机理的力学性能分析，耦合热力对冰盖材料性质的影响，提出了水力与热力耦合的开河判别准则。杨开林［9］对近几十年来冰水力学基础理论、模型实验、原型观测及冰情预报等方面的科学研究进行了梳理，总结和归纳出研究现状及存在的一些问题。汪恩良［10］等通过分析冰盖模型的热力学模型，推导出室内模型试验的相似比尺，通过室内静冰压力试验分析，得出温升率约高，静冰压力越大，当温度达到0 ℃时，静冰压力越大。耿敬［11］等提出一种基于地下连续墙的新型半斜坡式护岸结构优化方案，并应用ABAQUS 软件开展冰荷载作用下护岸结构的力学性能研究。沈洪道［12］对河冰开河的研究现状进行了梳理，分析了水流和冰动力因素在春季开河过程中的重要性，并提出了河冰开河理论的分析框架。俄罗斯科学院远东分院水生态研究所Makhinov A N［13］等对阿穆尔河（黑龙江）下游冰盖力学性能的影响因素进行了分析，在侵蚀河岸、冰凌输砂、冲刷河床以及受支流水流的影响分别进行了研究，哈巴罗夫斯克地区的河流分叉改变了河冰流态，通过复杂的工程措施改善了分叉对河冰流态的影响。

1.3 冰坝成因

冰坝形成的因素有很多，可以概括为必然因素、偶然因素和其他因素。黑龙江省水文系统的专家学者对黑龙江流域冰坝成因进行了系统的分析。杨广云［14］等对黑龙江干流洛古河水文站实测水位流量和冰情资料进行了分析，阐述了冰坝的特殊性和有利于形成冰坝的条件，从河道特性、热力、水力条件3个方面分析了冰坝形成条件和影响因素。周兴武［15］通过对黑龙江干流自1916年水文记载以来的历史冰坝情况进行了总结及分析，从地理位置与河流流向、水文气候因素、河道特征3 个方面对冰坝成因进行了分析，并对易发生冰坝河段河道形态特征进行了计算。阴法章［16］等阐述了1960年黑龙江上游冰坝的形成过程及特点，对冰坝凌汛灾情进行了叙述，从地理因素、河道特征形态因素、水文气象因素、河槽蓄水（冰）量因素分析冰坝凌汛成因。刘桂筠［17］等详细阐述了1985年黑龙江上游冰坝凌汛形成过程，从冰坝成因、形成条件及冰坝特性3个角度分析冰坝的成因。郭增红［20］等以2009年黑龙江干流漠河提前开江为研究对象，依据水文、气象资料，对冰坝成因进行了分析，根据动热影响指标构建了凌情综合因子。张玉国［19］等通过阐述黑龙江1964年冰坝凌汛发生过程，分析了开江形势、冰坝特点、冰凌灾害以及冰坝成因。肖迪芳等［20］统计嫩江上游历史冰坝凌汛资料，分析流域水文气象特性、冰坝特点以及冰坝凌汛成因，并建立了冰坝凌汛壅水高度与影响因素的关系。那济海［21］等利用1951-2000年水文、气象资料，对黑龙江、松花江、嫩江发生的冰坝年份数据监测分析，结果表明，冰坝发生前，秋季降水多，河槽蓄水量较大，冬季降雪量大，春季开江前期明显的降水和气温回升过程，是发生冰坝和形成凌汛的重要原因。

1.4 冰凌预报与计算

凌汛预报是冰情预报中的核心内容，凌汛预报的内容包括封江预报、开江预报、凌汛最高水位预报、冰坝与冰塞预报、冰厚预报等。目前，我国对凌汛的预报研究不多，方法及理论还不够成熟。戴长雷［22］等对冰坝、冰塞等冰凌问题理论知识进行了梳理，对冰情监测传统方法与新设备的研究应用进行了介绍，梳理了河冰预报常用计算公式，对黄河流域冰情自动监测系统研发情况、黑龙江冰情特征及历史冰坝凌汛进行了分析。王喜荣［23］等通过对黑龙江干流上游冰坝成因的分析结果，建立了气象、水文、冰情数据库，依据冰坝与各要素间的关系分析，建立了冰坝预报系统的数学模型。王涛等［24］提出网络的自适应模糊推理系统应用于冰情预报中，并以应用实例为例，对预测值和实测值关系进行了分析，并给出确定性系数，预报值和实测值曲线吻合较好，预报结果较为理想。郭新蕾［25］从河渠冰情预报的理论与实践入手对防凌减灾关键技术进行了论述，进一步揭示了冰情预报的规律方法。肖迪芳［26］等采用融雪和融冻期降雨径流模型计算冰坝入汇水量，以及通过计算河网结冰水量、冰盖临界强度对寒冷山区性河流冰坝成因进行了计算，并提出冰坝成因的判别公式，通过改进分析计算方法增加冰坝预见期和提高了预报精度。马文喜［27］等通过建立拟测站与下游测站的水位相关曲线，再利用切割水位的方法进行流量推算，改善了冰坝期间难以获得流量资料的难题。鄢波［28］等以黑龙江哈巴罗夫斯克站1897-2005年间年径流时间序列和1897-1985年间月径流时间序列，应用累计距平法和Mann-Kendall法等分析黑龙江哈巴罗夫斯克站径流变化规律，结果表明，径流年际变化具有阶段性，年内76%净流量集中在夏秋两季。

2 现象与规律

2.1 冰坝发生地点

黑龙江流域按地表水区划可分为8 个水系分区，即额尔古纳河区、石勒喀河区、结雅河区、布列亚河区、松花江区、乌苏里江区、阿姆贡河区和黑龙江干流区。其中额尔古纳河、乌苏里江、松花江以及黑龙江干流上游段在春季开江期易发生冰坝凌汛洪水，位置示意图见图1。贾俊明［29］等对乌苏里江流域历史冰坝凌汛、冰情特征进行了介绍，分析冰坝发生频率及冰坝凌汛发生过程，从地理位置和流向、河道特性、降雨及河槽蓄水量以及冰盖强度4个方面分析冰坝凌汛的影响因素。孙东［30］等阐述了额尔古纳河流域水文气象特征、历史冰坝情况，对额尔古纳河上游区、中游区和下游区的冰情特征进行对比分析，并从河流地理位置角度分析对冰坝凌汛发生地点及频率的影响因素。刘文斌［31］等阐述了1957年黑龙江流域额尔古讷河、嫩江、松花江及其支流、乌苏里江干流及支流冰坝凌汛情况，分析了冰坝凌汛的特点及形成的条件。

图1 黑龙江流域冰坝易发生河段位置示意Fig.1 Schematic representation of the location of ice dam-prone river segments in the Heilongjiang River basin

2.2 历史冰坝时间及频率

根据黑龙江历年水文资料记载，自1949年新中国成立以来的70 余年间，黑龙江干流发生冰坝的年份共有26 a，平均2～3 a发生一次，频率约为39.44%；松花江冰坝多发生在佳木斯和富锦江段，冰坝发生频率为46%；嫩江上游发生冰坝频率为36%；乌苏里江在1951-1990年的40 a 间发生冰坝15 次；额尔古纳河中下游河段在1951-1989年间的近40 a 中，冰坝发生频率为50%左右，部分水文测站冰坝发生率达89.7%。2000年后，松花江、乌苏里江基本不再发生冰凌洪水。张淑霞［32］等根据1896-1948年中俄水文资料，对冰坝凌汛发生年份情况进行了统计，同时对常见的冰坝类型进行了分析。

2.3 冰坝凌汛特征

冰坝凌汛洪水具有持续时间长、影响范围大、水位上涨迅速、峰高量大等特点。阴法章［33］等根据黑龙江历年冰坝凌汛资料及观测资料，对黑龙江上游历年冰坝凌汛情况、冰坝河段水文气象特征、河道特征进行了综述，对冰坝成因以及预报方法的进展进行了分析。张春红［34］等在对2009年黑龙江上游气候条件和河流特征进行了介绍，分析了冰坝凌汛的发生过程及特点，并对冰坝稳定性和历时进行了计算。马世领［35］以松花江干流“汤原—佳木斯”江段为典型江段，通过原型试验、MIKE21 水动力模块、原型观测等研究方法，对流凌演进问题进行了研究，给出了堤防建设意见。陆钦年［36］等依据黑龙江省黑河、嫩江、佳木斯和哈尔滨4 个水文站历史冰情资料，分析了黑龙江省河流冰情及凌汛灾害的特点，计算了部分河流50年一遇和100年一遇的河心冰厚极值，将黑龙江省河流冰情和凌汛灾害划分为3 个区划。张春红［37］等以1960年黑龙江干流冰坝为典型年，从春季冰情、冰坝、凌汛、冰坝蓄水量4 个方面对冰坝凌汛特点进行分析，从河道特征因素、热力因素、水力因素3 个方面分析冰坝成因。孙庆伯［38］等通过收集整理黑龙江流域内历年水文资料，描述了黑龙江干流上游1985年凌汛洪水形成、演进过程，为黑龙江干流凌汛洪水分析提供了珍贵的资料。陈思宇［39］等从降雨、融雪径流、冰凌阻塞方面对黑龙江省凌汛洪水成因及特点进行了分析，介绍了冰凌洪水流速缓、流量小、灾害严重、发生频率高等特点。于成刚［40］等统计了1941-2005年黑龙江中上游区间支流冰坝凌汛情况，并从冬季降水量、河槽蓄水量、融雪降水、气温等因素分析了冰坝的成因，总结了中小河流发生冰坝凌汛的特点。邢若飞［41］等利用黑龙江干流11 个水文站点的数据，描述了开封河日期、封冻天数和冰厚情况，并分析了凌情影响因素。МАХИНОВ А Н［42，43］等叙述了阿穆尔河（黑龙江）2013年洪水的形成过程及特点，分析了人类活动对洪水的影响，探讨了高危地区的洪水有效保护措施，介绍了黑龙江干流部分河槽演变的过程以及冰盖剥蚀的影响。

表1 黑龙江干流历史冰坝情况统计Tab.1 Statistics on historical ice dams on the main stream of the Heilongjiang

3 应用研究

3.1 冰情监测与预报

河冰监测主要是了解和掌握河段内河冰横向、纵向的分布情况，沿江变化情况以及河冰的性质和特征。李志军［44］等提出直接探测冰层界面位置的接触式和利用气、冰、水电导率差异原理的冰、雪层生消过程自动监测设备。秦建敏［45］等提出利用空气、冰与水的物理特性差异对冰层厚度及冰下水位接触式监测的新思路，并根据弱导电性质和冰与水的电容区间单调特性，提出了冰层厚度传感器及冰层检测原理。刘永强［46］以空气、冰与水电阻特性差异的冰水情监测原理，设计出适合高寒地区河流冰下水位自动测报系统，实现河道冰下水位、冰厚值的定点连续自动测报功能，填补了我国高纬度地区冰下水位测报技术的空白。杜超［47］等设计了基于气、冰、雪与水物理特性差异的寒区冰雪情定点自动监测的传感器和数据采集系统设备，并应用于黑龙江省漠河水位站黑龙江河道断面进行数据采集。张梅［48］通过对比浮子式水位计、非接触式水位计和气压式水位计3 种北方寒区常用的水位自动采集装置，其中气压式水位计尤其是气泡水位计受冰凌影响最小。

汪恩良等［49］对封开河预报模型国内应用较多的数学模型、统计学模型和神经网络模型进行总结分析，阐述影响封开河预报模型精度的影响因子选取和预报因子筛选方法两个关键步骤，且通过筛选和对比的方法，得出逐步分析法可以提高预报模型精准度的结论。廖厚初等［50］分析了水热因素对开江日期的影响，利用气温指标法和势能动力法作为开江日期预报的方法，取得了初步成果，但存在一定误差，有待改进。郭锋等［51］分析黑龙江中游乌云站冰情特征及凌汛成因，提出了通过线性回归方程建立乌云站凌汛洪水预报模型的方法，预报结果满足实际工作需求。曹伟征等［52］通过分析黑龙江冰坝成因，计算河槽水量及冰量、融雪径流量、融冻期降水净流量、临界冰盖强度，结合物理成因理论改进传统的冰坝最高水位预报模型，提高预报准确率。于成刚等［53］通过对黑龙江上游4个水文站多年水文资料的整理分析，以流域最大释放水量、水位上涨加速度等9个影响因素进行分析，运用多种影响因素分析法建立预报模型，预报准确率较高。许秀红［54］利用黑龙江流域水文、气象资料，通过分析发现，依据冰坝发生前前期高空环流特点，提出了冰坝凌汛预报方法。

冰凌预报中析出对预报内容的重要影响因素，并进行较为准确的计算和监测，融合多种影响因子分析建立的预报模型是提高预报精准度、延长预见期的方法之一。如冰坝最高水位预报中，封冻水位、河槽蓄水量、降水影响、水位上涨速度、冰盖强度、临界冰厚等都是重要影响因素。黑龙江流域中黑龙江干流冰坝凌汛灾害最为严重，但由于黑龙江干流为中俄界河，没有修建任何水利工程措施，无法实现通过水利设施调节的方法防治冰凌灾害。

3.2 冰凌防治

冰坝凌汛可以通过水库调节、冰情监测、凌汛预报、筑堤防凌以及轰炸爆破等方式对冰坝凌汛进行有效防治。彭旭明［55］等对黑龙江防凌减灾系统设计及冰情观测站建设、冰情测量雷达系统的研发和应用、黑龙江冰坝预报及灾害评估、防凌爆破研究的相关研究成果进行了总结。房建［56］从中高纬度的角度对黑龙江防洪现状进行了分析，对凌汛洪水、夏季洪水的特点进行了阐述，对黑龙江省地域特征进行了介绍，并从联合调度、缺少有效的破冰坝手段、松花江流域蓄洪区、山洪防御意识薄弱4个方面分析了黑龙江洪水防御难点。于成刚［57］从地学角度对黑龙江干流冰坝易发段进行了成因分析，加林达江段河道特征系数大于其他江段，春季开河期间受河道边界条件影响易导致冰凌阻塞形成冰坝，漠河江段河道条件良好，易形成冰坝主要受上黑龙江盆地地质构造影响，得到大量地下水补给而引发冰坝，因此不易采用爆破炸凌防治冰凌灾害，还需要结合地质构造因素影响完善黑龙江上游治河方案。Кулаков В В［58］等对以阿穆尔河（黑龙江流域）哈巴罗夫斯克地区为例，对俄罗斯联邦自然资源开发管理体系进行了介绍，并提出了基于可持续发展的自然资源管理意见。Kim V I［59-62］等分析了结雅水库对阿穆尔河（黑龙江）干流冰水情的影响，同时对阿穆尔河（黑龙江）干流下游及主要支流的冰情特征进行了研究，包括冰情基本特征分析、水工建筑物对冰层变化的影响，同时收集了冰层中陆源物质的分布，这些陆源物质将随着春季开河流凌被运输到鄂霍茨克海河口。Makhinov A N［63-65］等对阿穆尔河（黑龙江）下游冰和冰盖对河道的侵蚀作用的机理及分布特征进行了分析，以及冰盖在不同河段中的特征分析以及在不同河段中的冰盖结构变化等内容，为阿穆尔河（黑龙江）下游冬季航运及冰剥蚀河岸等分析提供了科学依据。

3.3 景观用冰及冰上交通

冰雪景观可以为寒区城市带来一定的冰雪旅游效益，但取自天然江河的景观用冰会对河流的冰情产生一定的影响。李畅［66］通过对哈尔滨市街区环境及设施的初步调查，探讨冰雪景观与城市街道间的关联程度，提出哈尔滨城市街道冰雪景观设计的理论基础。戴长雷等［67］以哈尔滨市2017年景观用冰采冰、运冰、取冰等资料对取冰影响因素进行分析，分析表明哈尔滨景观用冰量很大，采冰使用率低，冰源丰富且运输便利。据黑龙江省人民政府网站公布，黑龙江省沿中俄界江黑龙江干流和乌苏里江，开设有11 对中俄水运口岸，冬季冰上运输方式呈现多样性，包括摩托艇、气垫船、轮式客货车辆等多种现代化交通运输工具，甚至搭建浮箱固冰通道，以满足荷载较大的货运需求［68］。胡京招［69］对ANSYS 有限元数值模拟方法在冰上运输工程中的使用来发展进行了探讨，得出数值模拟应用于冰上运输工程的结论。朱万清［70］对黑龙江封冻期冰厚增层规律进行预测分析，并通过摘录解放军总参工程兵及有关工程单位资料，总结出气温低于10 ℃时冰盖上单点集中荷载极限值。程培峰［71］等人基于Winkler 模型分析了冰层承载能力，根据计算结果，在冰层发育的不同时期进行承载力试验，分别验证了人群、雪地摩托以及轻型卡车荷载作用下冰层的安全厚度。

4 结论与展望

通过整理黑龙江流域国内外冰凌相关的研究资料，从理论研究、现象规律、应用研究3 个方面梳理了黑龙江流域中、俄两国科研学者对黑龙江流域冰凌的研究成果，总结出3条结论。

（1）国内针对寒区冰科学开设的教学课程相对不足，需注重培养更多冰冻圈科学的相关人才，开设相关课程；黑龙江流域冰坝凌汛科研工作者较少，局限于北方的少部分高校、科研院所及各级水利部门。受气温等因素影响，河流中水与冰之间进行的热量交换条件及过程是形成冰凌的核心科学问题。

（2）黑龙江流域自2000年以后，松花江及乌苏里江冰坝凌汛仅发生1～2次，黑龙江干流冰坝凌汛发生频率基本不变；冰坝凌汛发生主要从热力因素、动力因素和河道特征3 个方面进行分析，降水量、河槽蓄水量、开江期温度变化是冰坝形成的重要原因。

（3）冰情预报主要以经验公式计算、数学模型分析、影响因素相关性分析以及气象和冰力学分析等方式；冰凌灾害防治主要以冰情预报、冰凌爆破、防冰护岸等手段，同时缺少流域大尺度联防调度、有效的破冰方式也是黑龙江防凌减灾的难点，还需从河流地学特征角度完善江河治理的策略和方案。

随着现代观测技术的发展，以及遥测遥感技术的应用，河流冰情监测方法和手段都将大幅度改变，冰凌监测技术将向连续、自动化和无人值守方向发展。冰凌灾害的识别技术的进步，例如流冰体的识别，桥墩等阻冰建筑冰压力传感器的发展，以及冰坝灾害中冰坝体的识别等都将在现代监测技术发展下变得容易实现，并提高识别精度和准确度。大数据和人工智能技术的发展，将推动冰凌预报技术的发展，多线程和专家预报评判系统会逐步得到推广。尤其是水文和气象的双耦合预报模型的发展将推动冰凌预报技术的发展，并进一步提高预报精度，延长预见期。