黄河流域河湖冰科研现状及意义

史小红

随着黄河冰情研究、探索河冰的生消演变和输移机理的开展，分析冰盖、冰坝、冰塞的形成、发展过程，提出有效的防凌减灾措施，对保护人民生命、财产安全，保障地区经济发展起着至关重要的作用。

河冰、湖冰是高纬度地区河流、湖泊冬季典型的自然现象，在寒区水资源开发、利用及水环境管理中是重点考虑的因素之一。河流结冰形成的冰塞、冰坝可能会导致凌汛洪水的发生，危害河道及周边安全，同样也会危害河工建筑物安全及影响水电站的正常运行，在有通航要求的河道上也会影响通航条件。河冰的存在会改变河道的水力条件，进而影响河道中泥沙输移并导致河道形态改变，对河道的水质变化、鱼类的生存条件及河道生态都会产生影响。对于湖冰而言，以我国蒙新高原湖区、东北平原与山地湖区、青藏高原湖区的三大湖区为例，每年大约12月左右进入湖泊结冰期，翌年1月、2月达到稳定冰封状态，3月中旬到4月左右开始融化，到5月基本进入完全融化状态，冰封期长达半年左右，冰层厚达0.4～1.2m。湖泊水环境特征在冰封期和非冰封期会表现出非常大的差异，由冻融作用而形成寒区湖泊污染物独特的迁移特征，对于寒区高盐碱湖泊环境变化具有重要意义。

一、黄河流域冰情概述

黄河流域东西跨越23个经度、南北相隔10个纬度，冬春季受西伯利亚和蒙古一带冷空气的影响，导致黄河流域中、上游地区冰期往往持续时间长（4～5个月）、冰情复杂且严重。冰情的存在除对河道交通、供水、发电和水工建筑物有直接影响外，同时，河道冰盖的形成增加了河道糙率及湿周，降低过流能力，使得同流量情况下冬季河道水位较平时增加1～1.5m。尤其是凌汛期河道中形成的冰坝、冰塞会显著减小过流断面面积，雍高上游河道水位，造成凌汛洪水决堤而泛濫成灾。

黄河上游的宁蒙河段和下游的河南、山东河段受特殊的河道走向及地理位置影响而成为凌汛灾害严重的两个河段。近些年，受气候变暖和人工控导工程的修建（三门峡水库、小浪底水库等），黄河下游河南、山东河段冰凌问题已经基本消除，未造成严重的凌汛灾害。而宁蒙河段，尤其是黄河内蒙古段依然是冰情严重、凌灾频发的地区之一。据统计，黄河内蒙古段1950—1968年间（刘家峡水库运用前）开河结坝达236处，平均每年13处，“文开河”、“武开河”及“半文半武开河”年份各占1/3。1968—1990年，由于水库控制运用，开河结坝共84处，平均每年4处，“文开河”年份占68%，“武开河”及“半文半武开河”占32%（冯国华，2009）。1990—2010年开河结坝36处，平均每年1.8处。总的来看，由于上游上库、水闸等控导工程作用，凌洪灾害有所减轻，但防凌形势依然严峻，较大范围的凌灾淹没损失平均2年1次，特别是有些年份个别河段的凌洪灾害仍相当严重。例如，2008年3月20日黄河内蒙古段三湖河口弯道附近的独贵塔拉镇发生了一场几十年未遇的黄河凌灾。受灾面积106平方千米，受灾群众3885户、10241人，水利、交通、通信等公共基础设备损毁严重，直接经济损失达69120万元。国家和内蒙古自治区每年花费大量的人力、物力和财力用于黄河内蒙古段的防凌减灾。

二、黄河流域河冰研究动态

关于黄河河冰的研究，最早《老残游记》小说中就精彩描述了黄河河冰的形态与输移、堆积过程。中国的冰凌问题在黄河，而黄河的冰凌问题在内蒙。尤其是上世纪80年代以后，黄河上游龙羊峡、青铜峡、盐锅峡等各大、中型水库运行及周边环境恶化，黄河内蒙古段来流量减少，河道淤积严重，使得河床抬升，黄河内蒙古段已成“悬河”之势，凌汛灾害亟需引起重视。

上世纪中后期，黄河的观测和研究更加系统和全面，相继在黄河宁夏、内蒙古段和下游开展了预报，最初主要采用指标法，逐步建立了大量的相关图和关系式。除继续进行专项观测研究外，对已研究的成果，结合有关资料进行了系统整理分析，编写各种专著。90年代后，黄河水利委员会先后在与芬兰Atri-Reiter公司、美国Clankson大学的Hung Tao Shen合作的基础上，建立了适用于黄河下游的预报模型，这对黄河防凌工作具有至关重要的作用（陈赞廷，1994）。气温是影响河冰过程及特征的重要因素，康玲玲（2001）等根据1951—1998年黄河下游代表站冬季气温资料，统计分析了近30年平均气温和气温过程变化特点及其对凌情的影响，并在分析负气温演变特点及其凌情关系的基础上，建立了气温-凌情相关关系式，同时利用70年代以来气温、凌情资料，计算分析了气温变化和其他因素对凌情的影响。可素娟（2000，2001，2002）对黄河内蒙古段河冰过程进行了大量分析，建立了预报封河的一维数学模型，从水力条件、热力条件及河道边界条件三方面研究冰塞的形成原因、条件和机理。陈守煜和冀鸿兰（2002，2004，2005，2008）通过分析近几十年的气温、流量及冰情资料，总结了黄河内蒙古段影响冰情的主要因素。建立了基于模糊优选神经网络冰凌预报系统，通过已有的水文、气象资料对模型中的预报因子进行率定。并根据黄河内蒙古河段上巴彦高勒、三湖河口、头道拐三个水文站的冰期数据对模型进行验证。结果表明，模型可以较好地预报封河、开河日期。

随着河冰理论和数值模拟的不断发展，研究者已经能够模拟河冰形成、输移及堆积过程（李超，2015），并对初始卡冰位置、原因及机理过程进行了详细的分析，指出岸冰的生长导致弯道顶下方河道变窄区域最易形成卡冰（李超，2015;李红芳，2016）。综合河冰的热力过程，模拟冰盖热力增厚、衰减及预报文开河日期（史新娟，2013;朱钦博，2015）。建立了基于GIS、RS、GPS等“3S”技术为基础的河冰观测方法及体系，实现了河冰过程大尺度、长序列的特性分析及规律研究（李超，2016;赵水霞，2017），对于黄河冰情的监测及模拟技术逐渐智能化及数字化（牟献友，2020）。

三、黄河流域湖冰研究简述

我国寒区的湖泊，不仅是历史气候变迁的重要指示器和研究的切入点，而且是区域水分循环的重要环节和不可缺失的构成部分。它对区域生态与环境变化有直接影响并起着重大生态调节作用。关于湖冰环境研究，目前国内外学者多集中于气候变化对长期湖泊水位与面积动态变化（马龙，2010;Michael Emann，1999），及湖面结冰期的影响（Benson BJ，2012），湖泊淡水冰热力学过程、湖冰光学性质分析（杨清华，2013），湖冰冰厚及测量（李志军，2013），并已建立出冰盖热力生长及消退模型（Ayumi Fujisaki，2012）。关于冰、水介质间化学物质迁移研究在天然水体中，仅见在海洋结冰过程中盐分由冰向水析出的研究报道。如新形成的冰含有10～15‰的盐，1～2m厚的冰含有5～8‰的盐，多年形成的冰仅含有0.1～3.0‰的盐分（姜东生，2014）。而在人工环境下，结冰过程中化学物质的析出研究，多集中用于化学分析、食品、医药、化工等领域（叶正伟，2013）。近些年有利用冷冻技术对某污染成分进行提纯、分离等方面的研究，Muller（2011）等应用渐进冷冻法处理废水，以总有机碳（TOC）、COD、氨氮和电导率为指标，对生活废水处理时，其纯化率可高达99%，对高浓度工业废水处理其纯化率可达91%。于涛、马军等人（2006）应用两级冷冻分离法处理空间站尿液，试验结果表明，冷冻法对其中各种杂质均有良好的去除效果，可去除原尿液97%以上的氨氮和有机物及91%以上的盐。高峰等（2005）将冷冻分离法用以处理大豆乳清废水，大大降低了废水中的COD值，减少了对环境的污染。

黄河流域湖冰研究，以乌梁素海湖冰研究为例。乌梁素海是黄河流域干旱、半干旱地区最大的湖泊，也是我国八大淡水湖之一，内蒙古自治区第二大湖泊，属于世界范围内干旱、半干旱地区极为少见的具有很高生态价值的大型多功能湖泊湿地，生物多样性表现典型，地理区位重要。是我国北方干旱、半干旱地区农田-荒漠-草原-森林复合植被区系带生态系统的典型湖泊湿地。四季分明，湖泊每年有5个月左右处于冰封状态，具有寒区湖泊生态环境的典型特征。目前关于乌梁素海湖冰研究内容主要包括：湖泊冰封期水环境野外监测、模拟、试验;冰封期湖泊环境特征指标及污染物空间分异规律，集中在冰封期湖泊污染物在冰-水-沉积物中的分异规律及冰封期湖泊冰盖组构特征对污染物分布的影响;冻融过程中污染物的多介质迁移转化机制，例如：污染物在冰-水介质中的微观结构模型及迁移机理、污染物在冰-水-沉积物多介质中的迁移模拟、不同冻结条件对冰中污染物排出的影响等;冻融作用对湖泊环境变化影响效应，例如：冻融作用污染物迁移量估算、冰盖生消过程模拟、冰封期水环境营养盐负荷模型等;冰封期湖泊光、热特性及溶解氧特征;湖冰环境中真光层深度及初级生产力模拟研究等。

四、黄河流域河湖冰科学研究意义

随着黄河冰情研究、探索河冰的生消演变和输移机理的开展，分析冰盖、冰坝、冰塞的形成、发展过程，提出有效的防凌减灾措施，对保护人民生命、财产安全，保障地区经济发展起着至关重要的作用。对于湖泊而言，在寒旱区生态环境本就脆弱，加上人类对湖泊水资源的不合理利用，将大量的农田退水、工业废水和生活废水排入湖泊，致使湖泊污染加剧，富营养化问题突出，生物多样性锐减，危及湖滨带生态系统，水环境安全的形势极为严峻。明确冻结与融化作用对各种污染物质迁移的贡献值，可为湖泊环境保护、治理的最佳时间与方案制定提供科学依据。开展黄河流域河湖冰科学研究，对于推动黄河流域高质量发展具有重要的科学价值与意义。