黄河冰凌演变机理及防凌技术研究进展

苏茂林，邓 宇，蔺 冬

（1.黄河水利委员会，河南 郑州 450003；2.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；3.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003）

黄河凌汛威胁是一项长期难以解决的问题，历史上有“凌汛决口、河官无罪”之说。黄河凌灾孕灾环境复杂、灾害范围广，凌汛预见期短、突发链发性强和防控难度大，使得黄河冰凌灾害成为我国冬春季节大江大河中最突出、最重大的自然灾害。但黄河凌汛发生发展机理研究薄弱，凌情信息获取难且时效性差，冰凌预报技术不成熟，水库防凌调度理论与技术体系不完善，破冰减灾技术手段安全隐患大且准确性差等，严重制约了冰凌灾害的科学有效防御。1986—2008年，黄河内蒙古河段发生了12次凌汛决口，对沿黄经济发展和社会稳定造成巨大影响。近些年来，随着经济社会的发展，流域各省（区）国民经济呈现快速稳定增长态势，财富逐年积累，凌汛灾害损失越来越重，政治、经济、社会影响越来越大，黄河防凌工作已成为我国冬春季防汛工作的头等大事。为此，黄河水利委员会相关部门联合多家单位历时多年攻关，产学研用相结合，理论研究、现场监测、数值模拟、原型试验等多种手段交叉融合，实现了黄河冰凌灾害防御“基础理论揭示→监测技术突破→预报模型集成→防凌调度创新＋应急破冰技术研发”全链条理论技术突破与系统集成，本文针对相关研究成果分别进行概述。

1 黄河冰凌演变机理

在冰凌理论研究方面，单一的冰力学行为和宏观表现的研究成果已有积累［1－2］，但针对冰凌生消、破碎、冰塞冰坝演变［3－7］，冰－水－沙联合过程中的冰花冰迁移、冰－水耦合、冰－结构物耦合等方面的研究［8－10］，均缺少黄河冰力学行为的相关参数的理论支撑，结合黄河冰泥沙［11］的研究成果相对较少。下面从冰盖形成及演变和冰下过流能力两方面阐述相关的研究成果。

1.1 冰盖形成及演变

水流动力因素、气温热力因素和河道条件是封河形成的主要影响因素，封河所需的累积负气温值与流量成正比，与降温强度成反比。黄河上游水库的修建和河道条件的改变，导致封河所需累积负气温更低。通过建立不同流量级下封河日期与累积负气温的相关关系，明确了不同流量和降温强度下封河所需累积负气温指标。动水条件下，累积日均气温极值日迟滞于冰盖厚度极值日（见图1，内蒙古河段迟滞24～29 d），滞后期内气温对冰厚的影响减小，水动力成为影响冰厚的主要因素。冰盖生消受热力与水力学要素的共同影响，将滞后期内日均气温差作为水流动力作用修正温度项S′，基于冰冻度－日法建立了冰盖生消方程，见式（1），相关计算结果如图2所示。

图1 累积负气温与冰盖生消存在滞后期

图2 计算结果与实测值对比

式中：hi为冰盖厚度；h0为初始冰厚；Si为日均累积负气温绝对值；S′为温度修正值；t为冰盖形成天数；α、β为经验系数；ε为常数项。

1.2 冰下过流能力

河流封冻初期，冰盖底部糙率较大，冰花较多，过流断面面积急剧减小，流速变小，过流能力快速下降，最小流量为封河流量的30%左右。随着封冻的逐步发展，水流磨蚀作用导致冰盖底部糙率逐渐减小，过流断面面积则逐渐增大，河道过流能力逐渐增大，稳定封河期一般恢复至封河流量的80%左右（见图 3）。冰塞形成后，改变了局部流场，河床将发生较大横向调整，突破了对黄河凌汛期河床演变的传统认知（见图 4）。

图3 封河前后同流量水位变化情况

图4 冰塞演变对河床调整的影响

基于上述分析，建立了冰期水位（Z）与畅流期水位（Z0）、流凌密度（Ca）、岸冰宽度（B0）、冰盖糙率（ni）之间的关系，见式（2）。

式中：Z为修正后的冰期水位；B为河宽。

2 冰凌监测技术及其应用

黄河水文观测站长期依靠人工进行冰情观测，观测次数少，实时性不强，导致凌汛水文资料匮乏。解决这一问题的主要方法是寻求一种可适应恶劣野外工作环境、同时能对河道冰层内部状态及冰情参数（如冰层厚度、温度、冰下流速、流凌密度、流凌速度等）进行连续自动监测的技术及设备。

2.1 冰凌监测系统

基于介质导电特性差异、温度差异、声学多普勒等原理，研发了冰情连续自动监测系统，主要包括温度式冰水情自动监测设备（见图 5）、电导率式冰水情自动监测设备（见图 6）；首次实现了气－冰－水界面的自动精确捕捉识别、冰层内部参数和冰盖生消全过程连续自动监测（见图 7），将关键凌情参数冰厚的测量精度提高到±1 cm；解决了传统测验方法自动化程度低、劳动强度高、危险性大、信息量少、同步性差等问题，突破了冰期测验的技术瓶颈。相关成果已在黄河内蒙古三湖河口、包头和头道拐河段进行了推广应用。

图5 温度式冰水情监测设备

图6 电导率式冰水情监测设备

图7 冰厚日温度垂向变化测验成果

2.2 冰凌图像识别技术

针对多细丝结构冰凌或莲叶冰、强光照多泥沙条件下呈现弱目标形态的黄河冰凌视频图像特点，运用人工神经网络边缘检测和目标轮廓主动分割算法，实现了在不依赖阈值的情况下进行有效边缘分割与目标识别，增强了算法的抗噪声和纹理干扰的能力，提高了识别精度（见图8、图 9）。

图8 原始冰凌影像

图9 C－V模型二值化结果

针对冰凌在漂浮过程中具有不断旋转、互相遮挡且形状多变等特点，运用基于强角点特征点集的金字塔光流法，实现了多冰凌目标的动态实时追踪。通过现场数据精度分析，试验测量误差可有效控制在5%左右，冰凌图像识别率达90%，满足相关水文测量规范及精度要求。将凌汛险情灾情观察视角从局部扩大到全局，实现了河道凌情影响范围及漫滩洪水范围的全天候监测（见图 10）。

图10 0.8 m高分二号遥感影像

3 冰凌预报技术及其应用

在冰凌预报方面，黄河水利委员会20世纪50年代开始凌情预报相关工作，最初采用简单指标法进行流凌封河日期预报，逐渐发展为经验相关方法、神经网络模型方法、冰凌数学模型方法等。针对黄河冰情特点建立的模型推动了黄河冰凌模型的发展，但由于模型开发的目标和背景不同、河道地形测量和冰凌观测数据较少等，因此各模型的功能都不够完善，模拟精度也受到很大限制。为此，基于数值预报和统计预报相结合的方法，开发了中短期气温预报模型，实现了1～10 d宁蒙河段五站中短期气温预报。融合中短期气温预报、水文热力学、冰水动力学等建立多学科交叉的冰凌耦合模拟预报系统，实现了对水温、水内冰、流凌、岸冰、冰盖热力增长、开河等冰凌生消演变全过程模拟和预报。采用统计学、人工神经网络、数据挖掘等技术构建了凌情特征值预报系统，预报流凌、封开河日期等特征值，并将开河日期的预见期延长到20 d。典型水文站预报结果见表1，主要是对宁蒙河段石嘴山水文站、巴彦高勒水文站、三湖河口水文站和头道拐水文站2006—2010年流凌日期、封河日期、开河日期进行了预报，预报总合格率在70%以上。

表1 2006—2010年宁蒙四站统计模型冰情预报情况 d

4 防凌调度技术及应用

4.1 防凌调度技术

目前，黄河上游水库防凌调度主要是基于水量的调度，重点研究刘家峡水库出库流量控制过程，考虑因素相对不足，为实现凌汛期全过程、多目标调控，将水库群、堤防、应急分洪区及大型涵闸等集成为防凌工程体系，提出了凌汛期全过程、多目标的“上控、中分、下排”调控理念，创建了多功能、多时段防凌工程体系协同调控机制（见图 11）。

图11 “上控、中分、下排”防凌工程体系

“上控”以水库群防凌调度为常规手段，在冰凌的形成、发展和释放过程中，一方面控制各阶段水库下泄流量，即流凌封河期控制适宜的封河流量，稳定封冻期压减水库下泄流量、维持冰下平稳过流，开河期进一步控制泄流、减小凌峰流量；另一方面，控制凌汛期不同阶段水库防凌运行水位，在满足水库防凌调度要求的同时，兼顾流域供水、灌溉、发电、生态保护等综合利用要求，实现水资源的优化配置和合理利用。通过“上控”工程的防凌运用，逐步形成和发展了水库防凌调度的技术理论。水库防凌调度的技术理论已纳入《水库调度设计规范》（GB／T 50587— 2010），为黄河防凌调度实践提供了强力支撑。

“中分”以应急分洪区和涵闸引水工程分水调度为应急辅助手段，在发生冰塞、冰坝等险情和河道内高水位历时较长时，适时启用分水工程分流河道内水量、降低河道水位、缓解凌汛紧张形势。根据设计分水能力、上游来水来冰情况、下游防凌要求，结合供水、灌溉、生态保护等多目标需求，综合确定分水流量。

“下排”是防凌工程防凌调度运用的最后一道安全保障措施，利用两岸堤防和河道整治工程，确保凌汛期河道水流及流凌顺利下泄，避免河道冰凌堵塞造成壅水漫溢或决堤。此外，在“下排”运用中，还应考虑防凌河段下游水库水位的顶托影响，避免凌汛期河道水流及流凌下排不畅的局面。

4.2 黄河上游宁蒙河段2019—2020年度防凌调度实例

2019年11月1日，龙羊峡水库蓄水位为2 599.78 m，满足库水位不超过2 600 m要求。11月15日，刘家峡水库水位降至1 717.98 m，为凌汛期预留了19.26亿m3防凌库容，满足相应库水位降至1 717～1 721 m、预留16亿～20亿m3防凌库容的要求。引水结束后，刘家峡水库按照宁蒙河段要求的封河流量控制下泄，保持流量平稳并缓慢减小，封河期刘家峡水库下泄流量为450～600 m3／s。封河期末刘家峡水库水位不超过1 730 m，为开河期预留约6亿m3的防凌库容。开河关键期，刘家峡水库进一步减小下泄流量至380 m3／s，促使内蒙古河段平稳开河。开河期，刘家峡水库最高蓄水位为1 734.74 m，不超过正常蓄水位1 735 m。随着宁蒙河段逐步开河以及槽蓄水增量稳步释放，3月中下旬刘家峡水库加大流量下泄。2019—2020年度凌汛期间，刘家峡、海勃湾、万家寨等水库实际调度基本与预案一致，刘家峡水库总下泄水量为86.9亿m3，为1989年龙羊峡、刘家峡水库联合调度运用以来同期下泄水量第二多的年度，比预案81.99亿m3多泄4.91亿m3。

5 破冰排凌技术及应用

在破冰排凌减灾技术方面，国际上采用的破冰手段主要有机械式破冰和爆破破冰两种方式。国外主要利用破冰船等机械动力装置进行破冰防凌［12］。我国则较多采用爆破破冰的方式，依据使用材料的不同，可分为炸药破冰和炮弹破冰。无论是飞机投弹还是地面炮击，均受气象条件制约，投弹精度低、时效性差，不能体现“抢早、抢小”的抢险原则［13］。

5.1 车载火箭破凌爆破带专用破冰装备

利用火箭爆破带发射车，将火箭破凌爆破带运载到指定地域，以火箭为动力，利用展直技术将破凌爆破带投放到预定冰面，对凌区实行水平线切割爆破。爆破带设计成独特的聚能装药形式，具有柔性特征，灵活性好，可长可短、可重叠、可集中堆积，也可将多套爆破带组合使用，在起爆系统控制下，快速高效地完成冰凌疏排任务，爆破过程几乎无金属飞片（见图 12）。与传统的破冰排凌技术和方法相比较，该装备具有安全可靠、机动快速、操作简便、不受环境制约等优点，特别适用于黄河封河期短河段冰盖破除、开河期长河段人工干预开河。

图12 车载火箭破凌爆破带破冰试验

5.2 船载聚能破冰弹专用破冰技术装备

针对凌汛期的复杂环境，采用气垫船作为载运工具，载运抢险人员和聚能破冰弹到达指定地点，实现预控冰下爆破，能量利用率近100%。爆破时不产生金属破片，且非金属复合材料壳体破片飞散距离不大于50 m（见图 13）。该装备主要适用于黄河封河期短河段冰盖破除、冰坝局部破除、局部隐患消除和冰塞消除。

图13 船载聚能破冰弹专用破冰技术装备及爆破试验

上述破冰技术装备已在黄河内蒙古包头河段进行了试验和应用，破冰效果很好，为破冰排凌提供了新的技术与装备，提高了冰凌险情应急处置能力。

6 结论与建议

黄河冰凌问题是黄河治理中的重大问题之一，针对黄河凌汛发生发展机理研究薄弱、凌情信息获取难且时效性差、冰凌预测预报技术不成熟且预见期较短、水库防凌调度理论与技术体系不完善、破冰减灾技术手段安全隐患大且准确性差等相关问题，对近些年来取得的一些创新性成果进行了概述，主要成果如下。

（1）解析了流量、气温和河道条件与封河形成的复杂关系，确立了封河形成的负积温指标，提出了动水条件下冰盖演变规律及生消热量平衡方程；揭示了冰下过流能力变化的物理机制，提出了冰期水位流量关系修正方法、冰下水流的垂线流速分布公式。

（2）集成了冰情连续自动监测系统，融合了中短期气温预报、冰凌输移、水流演进等模型，与统计值、人工神经网络预测、数据挖掘等手段互证互补，构建了冰凌生消全过程的预报技术体系。

（3）提出了防凌工程体系联合调控理念，丰富了黄河防凌调度理论，创建了多功能、多时段防凌工程体系协同调控机制，构建了凌汛期全过程、多目标调控的水库群防凌补偿调度技术，优化了水库群联合防凌调度方案。

（4）研制了车载火箭破凌爆破带、船载聚能破冰弹专用破冰装备，显著提高了冰凌险情应急处置能力。

建议在传统测验方式的基础上，进一步加强河道地形测量和河道巡查工作，推动新技术、新方法在凌情监测中的应用，提高凌情监测自动化、智能化水平，逐步建立自动化凌情监测体系。进一步开展黄河上游防凌工程联合调度研究，全面提高黄河防凌综合能力，优化凌汛期水库群和分凌工程联合调度，提高水资源综合利用效率和效益，实现防凌、发电、供水、灌溉等多项目标效益最大化。