黄河宁蒙河段凌汛灾害预警指标体系研究

王仲梅 任艳粉 杨丹

摘 要：目前黄河宁蒙河段的凌汛灾害比较严重，急需对黄河冰凌灾害影响因子进行系统全面的分析，并凝练凌汛灾害预警指标，建立完善的凌汛预警指标体系。采用资料分析归纳方法分析凌汛灾害影响四大因子，选取黄河宁蒙河段4个典型水文站1957—2020年的凌情资料，分析其气温、水位、流冰密度及冰厚的特点，确定气温、水位、流冰密度、冰厚为预警指标，根据资料分析结果量化预警指标，确定相应的预警阈值，划分蓝、黄、橙、红4个预警等级，为制定科学有效的应急预案、减少经济损失提供依据。

关键词：成因分析;凌情特点;指标体系;预警等级;黄河

中图分类号：U456.3+3;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.009

引用格式：王仲梅，任艳粉，杨丹.黄河宁蒙河段凌汛灾害预警指标体系研究[J].人民黄河，2021，43（7）：45-50.

Abstract： At present， the ice flood disaster in Ningxia-Inner Mongolia reach of the Yellow River is relatively serious， so it is urgent to make a systematic and comprehensive analysis of the impact factors of the ice flood disaster and compact the ice flood disaster early warning index. This paper adopted data analysis and induction method to analyze the four factors affecting the flood season disaster， the data of four typical hydrological stations in Ningxia-Inner Mongolia reach of the Yellow River from 1957 to 2020 were selected， the characteristics of air temperature， water level， ice density and ice thickness were analyzed and determined the temperature， the density of water， ice， ice thickness as early warning indexes. According to the results of data analysis， quantitative warning indicators were used to determine the corresponding warning threshold， dividing into four warning levels of blue， yellow， orange and red， which could provide basis for making a scientific and effective emergency plan and reducing economic loss.

Key words： cause analysis; characteristics of ice flood; indicator system; warning level;Yellow River

黃河是我国凌汛出现最频繁的河流，其中宁蒙河段最为严重，这是由它特殊的地理位置、水文气象条件、河道特性决定的。在全球变暖的大环境下，近年来黄河凌汛威胁有所缓解，但是极端天气频繁发生，自1986年以来内蒙古河段已发生6次较严重的凌汛决口[1]，防凌工作已经成为黄河防汛的重要内容。以往建立的黄河宁蒙河段凌汛预测预警系统主要是对该河段封开河日期、流凌日期的预报，提前做出凌汛危险程度的中期预测或短期预警[2]，并未针对凌汛影响因子形成全面的预警体系。目前迫切需要对黄河冰凌灾害影响因子进行系统全面的分析，并凝练凌汛灾害预警指标，建立完善的凌汛预警指标体系。

1 凌汛灾害影响因子分析

1.1 河势因素

宁蒙河段位于黄河“几”字形的头部，见图1。黄河石嘴山以下河段河道比降呈“上大下小”趋势，枣园以下260 km的河道比降为0.01%～0.02%，为常封冻河段;内蒙古河段河床自上而下逐渐由窄深变为宽浅，昭君坟至头道拐河段比降仅为0.009%～0.011%，也为常封冻河段;拐上至万家寨河段由北向南流，比降大，一般不封冻。

宁蒙河段河床从上至下逐渐由窄深变为宽浅，昭君坟段最窄，仅有200～600 m。巴彦高勒至头道拐河段，河道弯曲[3]。解冻开河时，流冰常在狭窄弯曲河段受阻，再加上河道横向环流的作用，滩嘴向河中延伸，河道弯曲更甚，流凌流路更为不畅。

1.2 热力因素

气温是热力因素中应考虑的主要因素。河流冰凌是低温的产物，常产生在寒潮或冷空气入侵后。内蒙古河段与其他河段相比降温早，回暖晚，负气温持续时间长，先于其他河段结冰。该河段结冰后，上游河道的浮冰在该封冻河段受阻后，一方面加大了河道的水流阻力，壅高水位;另一方面可能形成冰塞冰坝，产生凌灾[4]。累计负气温影响冰厚及冰量的多少，累计正气温影响融冰速度、解冻开河时间。

1.3 动力因素

流量、流速、水位、风力等是影响河流冰凌的动力因素[5]。水流流速直接影响河流冰凌的运动、堆积、阻塞。水位上涨的多少与开河形势息息相关，当水位平稳变化时，河段逐渐融冰开河，出现“文开河”的局面;当水位急速变化时，会引起河段水鼓冰裂，出现“武开河”的局面。流量、水位与流速在一定条件下具有函数关系。风力也是影响冰情的一个因素，流凌时期，冷风会加速空气与水体的热传递，从而加速河面封冻;开河时期，大风不仅能加速融冰开河，而且有时能促使冰体向下游运移，加大河段卡冰、冰塞程度。

1.4 人类活动影响

人类活动对冰情的影响主要分为工程影响和非工程影响两大类。非工程影响主要有凌情的监测与防洪调度;影响冰情的工程主要有分凌工程、引水工程、堤防工程、水库工程等，其中水库工程对冰情的影响最大。一方面水库及周边工程的修建导致天然河流的局部边界条件发生改变;另一方面水库蓄水使河道上游集水面积增大，水温相对较高，对河段的气候产生很大的影响，同时水库的运用直接改变了冰期河段的径流量，因而从热力因素及动力因素上影响冰情的发展变化。

龙羊峡水库、刘家峡水库运用前宁蒙河段为天然河道，水库运用后河道流量受调度控制[6-7]，内蒙古河段的凌汛发生了明显改变，灾情大大减轻，但是在特定条件下，仍可能发生较大的凌汛灾害。万家寨水库运用后，头道拐至坝前因库区流速较小，故容易卡冰形成冰塞[8]。宁夏河段石嘴山站至内蒙古河段头道拐站为宁蒙河段的稳定封冻河段。

2 宁蒙河段凌汛情况分析

宁蒙河段大致呈Γ形（见图2），地处黄河流域最北端，属大陆性季风气候区，冬季寒冷（最低气温可达-35 ℃）且持续时间长（4～5个月），大部分河段为稳定封冻河段。本文重点研究石嘴山站至头道拐站区间河段。

宁蒙河段稳定封冻区域内具有长期观测记录的4个水文站分别为石嘴山站、巴彦高勒站、三湖河口站、头道拐站。其中：石嘴山站所处河段比较顺直;巴彦高勒水文站和三湖河口水文站之间的河道横向变化幅度大，属于游荡型（辫状）河道;头道拐站所处河段弯曲。4个水文站具有典型性和代表性，故以这4个典型站的凌情资料作为主要研究对象。凌情资料数据来自黄河水情信息查询及会商系统（http：//10.4.1.9/sqweb/）以及黄河水利委员会水文局编写的《黄河凌情资料整编及特点分析（黄河上、中游部分1950—2005）》。

2.1 气温特征分析

黄河封河与开河是温度维持在一定区间内较长时间的结果，选取宁蒙河段4个典型站1957—2020年共63 a封冻期累计负（正）气温资料进行分析。累计负（正）气温是指气温转负（正）日期到封（开）河日期逐日气温的累计值。受篇幅限制，只选取其中15 a数据，选取方法是将63 a数据进行降序排列，选取排列中前5 a、后5 a和中间5 a数据作图，见图3～图6。

石嘴山站累计负气温（累计负气温取绝对值，下同）最大值为1969年的665.4 ℃，最小值为1974年的111.9 ℃，两者相差553.5 ℃，有10 a累计负气温在100～200 ℃之间，有40 a在200～400 ℃之间，有4 a大于400 ℃，有9 a未封冻;累计正气温最大值为1976年的106.3 ℃，最小值为2012年的-67 ℃，两者相差173.3 ℃，有37 a累计正气温在-20～20 ℃之间，有2 a小于-20 ℃，有6 a大于20 ℃。

巴彦高勒站累计负气温最大值为349.3 ℃，出现在2019年，最小值出现在1972年，为55.1 ℃，相差294.2 ℃，有34 a累计负气温在100～200 ℃之间，有15 a在50～100 ℃之间，有13 a大于200 ℃，有1 a未封冻;累计正气温最大值出现在1971年，为55.1 ℃，最小值出现在2008年，为-69.5 ℃，相差124.6 ℃，其中有43 a累计正气温在-20～20 ℃之间，有4 a小于-20 ℃，有12 a大于20 ℃。

三湖河口站累计负气温最大值为250.5 ℃，出现在1989年，最小值出现在2016年，为24.0 ℃，相差226.5 ℃，其中有38 a累计负气温在50～150 ℃之间，有14 a小于50 ℃，有9 a大于150 ℃，有1 a未封冻;累计正气温最大值出现在1979年，为109.5 ℃，最小值出现在2006年，为-26.5 ℃，相差136.0 ℃，有5 a累计正气温大于50 ℃，有5 a小于0 ℃，其余年份均在0～50 ℃之间。

头道拐站累计负气温最大值为590.5 ℃，出现在1963年，最小值出现在1986年，为8.0 ℃，相差582.5 ℃，其中有39 a累计负气温在100～300 ℃之间，有13 a在0～50 ℃之间，有7 a大于300 ℃，有1 a未封冻;累计正气温最大值出现在1957年，为54.3 ℃，最小值出现在2006年，为-54.7 ℃，相差109.0 ℃，有39 a累计正气温在0～-30 ℃之间，有10 a大于30 ℃，有3 a小于0 ℃。

综上所述，通过分析不同站点不同年份的累计负（正）气温，直接判定热力因素对封（开）河的影响程度，累计负（正）气温值可以作为凌汛预警指标之一。通过资料分析，4个水文站累计负气温平均值在100～270 ℃范围内，累计正气温平均值在1～20 ℃范围内。

2.2 凌汛水位分析

凌汛水位是发生凌汛险情的一个重要控制性指标。由于宁蒙河段堤防标准低，目前仍未建成统一的标准化堤防，把堤防设计水位作为一个控制性指标并不稳妥，因此可以设置警戒水位和防凌临界水位两种特征水位，当河道水位上涨到某一特征水位时，启动凌汛预警。

对于达到设计标准的堤防，取防凌设计水位作為警戒水位;对于堤防未达标河段，用堤顶高程减去安全超高作为警戒水位。考虑到现有堤防的标准，用堤顶高程减去1.5 m作为防凌临界水位。统计1957—2020年各站封冻期最高水位资料，见图7。

石嘴山—头道拐河段凌汛期水位：石嘴山水文断面凌汛期最高水位多年均值为1 088.38 m;巴彦高勒水文断面凌汛期最高水位多年均值为1 052.44 m;三湖河口水文断面凌汛期最高水位多年均值为1 019.58 m;头道拐水文断面凌汛期最高水位多年均值为988.64 m。石嘴山—头道拐河段防凌设计水位可以参照各站凌汛期最高水位多年均值取值。

2.3 封开河流凌密度分析

流凌密度是指河道断面流凌宽度与过水断面总宽度的比值。流凌是气温降到0 ℃以下以后，水体与大气产生热交换，水体失热，当水温降到冰点以后形成过冷却水而产生的。产生流凌以后，由于水體继续失热，因此流冰量逐渐增大。影响流凌密度的因素主要是负气温和前1 d的流凌密度。对于气温急剧变化的河流，如黄河上游内蒙古河段，前一天气温为0 ℃以上，次日就可能降为-10 ℃以下，流凌密度很快达到50%以上，有时会出现当天流凌当天封河的情况。从石嘴山、巴彦高勒、三湖河口、头道拐4个水文站的流凌密度资料（见图8）来看，封河时流凌密度普遍大于开河时流凌密度，封河时流凌密度稳定在30%以上，大部分分布在30%～50%之间;开河时流凌密度分布范围较广，从10%至60%不等，大部分分布在10%～20%之间。石嘴山站2015年开河时，仍有冰厚记录，暂且认为流凌密度为100%。总体来看，流凌密度是封河的主要参考指标，当流凌密度持续增加，达到70%时，随时可能封河。

2.4 封冻期间冰厚分析

在进行凌汛灾害研究时，冰层厚度是必不可少的观测参数之一，观测并分析冰厚对解决凌汛灾害及水利工程安全设施的运行起着至关重要的作用。对1957—2020年各站封冻期最大冰厚资料进行分析，见图9。可见，头道拐站、三湖河口站、巴彦高勒站、石嘴山站冰厚主要集中在40～80 cm之间。

3 凌汛灾害预警指标体系

3.1 凌汛预警指标阈值确定

我国多数预警标准分为蓝（Ⅳ级）、黄（Ⅲ级）、橙（Ⅱ级）、红（Ⅰ级）4级。已有的预警制度警报设置信号不全面，分级指标不明确，因此如何相对科学、合理地建立预警指标尤为重要。

综合考虑凌汛灾害影响因子，凌汛的预警指标可以从气温、流冰密度、水位、冰厚等方面考虑。根据可能出现的冰塞、冰坝等各种冰凌灾害以及堤防出现或可能出现的管涌、渗漏或局部垮塌现象，选取不同的方式，同时采用不同的颜色来划分预警等级。参照我国大多数预警指标分级标准，将凌汛灾害预警等级划分为蓝（Ⅳ级）、黄（Ⅲ级）、橙（Ⅱ级）、红（Ⅰ级）4级。

（1）气温指标。根据气象部门划分的低温等级标准，并综合考虑4个水文站累计气温情况，凌汛气温预警阈值设置见表1。

（2）水位指标。结合历史凌汛灾害发生时的水位及综合考虑4个水文站凌汛期最高水位分析情况，凌汛水位预警阈值设置见表2。

（3）流凌密度指标。综合考虑4个水文站流凌密度分析情况，凌汛流凌密度预警阈值设置见表3。

（4）冰厚指标。综合考虑4个水文站冰厚分析情况，凌汛冰厚预警阈值设置见表4。

3.2 凌汛预警指标体系建立

目前宁蒙河段凌汛预警方面的研究处于空白阶段，还没有建立凌汛预警指标体系。考虑宁蒙河段河道变化特征及实际的应急处置能力，结合各段堤防出

4 结 语

本文系统分析了黄河宁蒙河段凌汛灾害成因和凌情特征，凝练出黄河宁蒙河段的凌汛灾害预警指标，并对指标进一步量化，划分蓝、黄、橙、红4个预警等级，确定了相应的启动阈值和建议预防措施，填补了黄河宁蒙河段凌汛预警研究的空白。预警指标体系的建立，可为黄河宁蒙河段防凌减灾工作提供决策依据，以便积极采取有效的防凌措施，减少灾害损失。

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【责任编辑 许立新】