黃河河曲段冰情特征概述

黃河河曲段位于黃河上游的金山西峽谷，介于北緯39和40之間。左邊是山西省河曲縣，右邊是陜西省和陜西省的撫遠縣。從龍口峽谷到天橋水庫，全長70公里。1觀測冰情1.1觀測河段斷面位置1981年~1982年黃河河曲段發生嚴重冰害之后,引起了全國防凌、防汛部門的高度重視,在省、市、縣各級防汛部門和天橋水電站的組織領導下,對上至關河口下至天橋庫區壩址共長80km河段,進行了水文、氣象、冰情等定點觀測。位于龍口峽谷段共設3處斷面,用來觀測研究河段冰凍前緣的進展情況、水位變化、上游內蒙河段的來冰變化。龍口至南園間共布設7個斷面,用來觀測寬淺河段的水位、冰情變化,該河段全長17km,是歷年冰塞主體生長和發展部位,又是1982年初凌害的主要災區,為全河段觀測的重點。九良灘至河會設7個斷面。曲峪至石梯子間位于天橋水電站庫區回水段,對上游冰情、水位變化有顯著影響,共布設3個觀測斷面。火山以下共設有5個斷面,全部位于天橋水電站庫區,主要觀測庫區的冰情變化。1.2建立沿海冰情圖流凌前:大斷面、水位。流凌期:水位、流凌開始日期、流凌密度、流冰量。初封期:水位、封凍時間、封凍速度、封凍形式、清溝。穩封期:水位、封凍長度、冰蓋厚度、水浸冰厚、冰下冰花厚、水深與清溝。開河期:水位、開河時間、凌峰時間、冰壩等特殊冰情的發生時間、范圍、壅水高度等。開河后:水位、融冰時間。封河后到開河前,每隔5天沿河進行一次巡測,繪制沿河冰情圖,其內容包括清溝位置及范圍、冰上流水、流冰花、封凍冰蓋前緣位置及變化等。每年穩封后期或臨近開河前,組織人員溯河而上,勘察上游峽谷段及內蒙段近300km河道冰情變化情況。2冰的特點從1981年冬到1998年春,黃河河曲段對冰凌變化情況進行了系統的觀測,積累了豐富的冰情資料,現就冰情特征概述如下:2.1遲流凌日期最早流凌日期為1991年11月11日,最遲流凌日期為1994年12月3日,平均為11月8日。流凌天數,最多為1989年36d,最少為1987年1d,平均20d。2.2初支封凍距離及冰面厚最早封凍日期為1976年11月16日,最遲封凍日期為1989年12月23日,平均為12月9日。1993年形成2次封河,一次在11月21日,另一次在12月1日。封河流量,最大為1989年905m3/s,最小為1980年132m3/s,平均321m3/s。初封水位,最高為1989年850.11m,最低為1984年845.66m,平均847.71m。封凍天數,最長為1993年125d,最短為1996年78d,平均103d。封凍距離,最長為1983年由天橋電站壩前至內蒙喇嘛灣150km,最短為1984年66.1km,平均封凍距離83.5km。最大冰厚為1985年1.6m,最小為1978年0.38m。最大冰花厚為1982年6.7m,最小冰花厚為1977年1.62m。封凍期最多儲冰量為1981年8191萬m3,最小為1986年1757萬m3,平均為4067萬m3。2.34年3月開河最早開河日期為1978年3月8日,最遲開河日期為1995年3月29日,平均為3月21日。1993年發生2次開河,一次在11月23日至12月1日,另一次在1994年3月25日。開河形勢,屬于文開河的有13次(占76%),屬于武開河的有1次(占6%),屬于半文半武的有3次(占18%)。2.44年—凌汛期洪峰到達日期,最早為1997年3月12日,最遲為1983年4月3日,平均為3月27日。1994年、1996年、1998年分別出現2次洪峰。洪峰流量,最大為1980年4700m3/s,最小為1989年1200m3/s。洪峰水位,最高為1980年849.39m,最低為1986年847.32m。2.5開河期2002年3月3日封凍期共發生4次較大冰塞,最嚴重的是1981年~1982年、1989年~1990年兩次。發生地點:南園、北園、娘娘灘、英占灘。初封期出現較大冰滑動的有2次,一次是1982年12月23日,龍口至英占灘之間,滑動距離7.25km,壅高水位1.5m;另一次是1990年12月13日,曲峪至陽面之間,滑動距離3.45km,壅高水位2.0m。開河期共出現冰壩10次,1992年3月17日火山冰壩壅高水位7m,持續10d以上。凌汛期共有6年遭凌害,最嚴重的是1982年,其次為1989年~1990年。該年份初封期流量大,氣溫高,天橋電站維持高水位運行,使封凍前緣冰水猛漲,致使4鄉5個村4個單位的土地、房屋受災,開河期又因冰塞等原因使4個鄉的8個村及一個單位受災。3河流廊道冰凌及其破壞原因3.1河曲段氣溫、流量的變化據河曲氣象站氣溫資料分析,黃河河曲段日均氣溫轉負日期最早11月4日,最遲11月30日,平均11月16日。氣溫轉正日期最早2月28日,最遲3月25日,平均3月7日。日均負氣溫持續時間為112d,最低日平均氣溫為-22.2℃,極端值為-26.9℃。從氣溫變化過程來看,一年中最低氣溫多出現在“三九”末期(1月中旬)。據多年冬季平均氣溫距平值看,最冷一年的距平值為負3.46℃,最暖一年的距平值2.68℃。33年中,屬于暖冬的有8年,占24%;屬于寒冬的有5年,占15%;其余為一般年份。遭受嚴重凌害的1981年冬至1982年春,氣溫的變化過程是前期偏冷,中期稍冷,后期稍暖。該年冬季氣溫雖偏低一些,但并不屬于寒冬的年份之一。關于流量變化,每逢冬季,黃河徑流依賴于地下徑流補給,呈一穩定的退水過程。但是,從河曲段1970年~1987年11月~3月的月平均流量來看,該河段流量變化呈現出一個由大到小,又由小到大的“馬鞍型”過程。其中以12月份為最小。其原因主要是上游內蒙河段一般11月上中旬流凌,12月初封凍,在流凌和初封期,流速急驟減小,通常流速可減小到0.3m/s~0.6m/s左右,導致河水壅高,槽蓄量增加,下泄流量為之減少。待穩封后,冰下過流能力逐漸提高,下泄流量也隨之增大。因此,河曲段冬季流量變化的“馬鞍型”主要受上游內蒙河段冰情的影響而形成,在天橋電站未投入運行的天然條件下,12月初的小流量,加上轉負的低溫,就成為石窯卜彎道處首封的一個特點。3.2河曲段開河的自然結果河曲段全長70余km,受河勢等因素的影響,即使在同一水文氣象條件作用下,全河段冰情并不一致,不同斷面出現很大差別。本來河曲段是自北向南流向,但每年封凍卻自南向北延封,成為其特點之一。位于城關下游4km的石窯卜斷面,處于彎道凹岸頂點部位(曲率半徑0.7km,曲折系數1.773),凹岸有裸露石崖,凸入河心,形成天然卡口,該處河床狹深,上游比降小(0.23%),下游比降大(0.29%),因此在沒有下游庫冰堆積上封情況下,當流凌密度大于70%~80%,河面流速小于0.6m/s~0.8m/s時,冰塊會首先在此卡阻,形成初封冰蓋。隨著凌花的堆積,冰蓋不斷上延可直抵龍口附近,封凍長度約35km。初封冰蓋厚度,取決于封凍前緣流速和凌塊的大小,流速過大往往形成立封,凌塊層層堆積,冰面粗糙,高低不平。在初封冰蓋向上游發展的同時,有一些冰花或凌塊下插于冰蓋之下,遇有阻力則形成初封期冰塞。龍口以上為峽谷河段,河床窄深,比降大,水流湍急,難以形成封凍冰蓋,每年不封凍長度達100km~200km。該敞流段是水內冰的生成場地,隨著天氣轉冷,大量密集的冰花淌入龍口下游。因此,河曲段冰塞開始于初封期,在1月下旬到2月中旬,規模達到最大,冰花層厚度則是自上游向下游逐步增大。開河期間,由于河曲段所處的緯度較內蒙古河段低1°左右,冬季的同期氣溫較內蒙古河段為高。河曲段多年平均解凍開河日期為3月23日,上游昭君墳河段多年平均解凍開河日期為3月24日,加上包頭至河曲200余km的流程,河曲段開河日期平均較內蒙河段凌峰到達時間提前2d左右。因此,河曲段開河多表現為以熱力因素為主的“文開河”,或以熱力和水力因素共同作用的半文半武開河形勢。開河期最高水位一般低于穩封期的最高水位,不致產生大的威脅,但個別年份,凌峰出現于開河之前,所夾冰塊大而堅硬時,可能結成冰壩,形成武開河。3.3河曲式冰塞穩封期河曲段冰塞呈典型的水內冰冰塞,它的演變發展始終是伴隨冰花向下輸移而存在的,其中以石窯卜以上冰塞體的演變最為明顯,石窯卜以下,由于穩封后來冰量稀少,冰塞體的存在可忽略不計。河曲冰塞體的演變大體上要經過五個過程:(1)在封河形成過程中,冰塞體是由下游向上游發展的。水位的壅高決定于來冰量和流量的大小,同時還與初封期冰凌堆積厚度有關。(2)進入穩封期后,冰蓋前緣不再向上延伸,此時靠近敞露區斷面的冰塞體繼續增大(娘娘灘以上),而靠下游河段(焦尾城以下)由于來冰為上游冰塞所攔,冰塞體呈消減狀態。(3)在穩封階段,石窯卜以上冰塞體體積是隨時間遞增的,石窯卜以下冰塞體體積則隨時間遞減。(4)進入2月上中旬以后,氣溫開始從最低點回升,靠近敞露區的冰塞體因來冰量減少及冰花緩慢下移而使體積遞減,而靠近下游的冰塞體有可能呈遞增趨勢。(5)當日均氣溫穩定轉正后,上游產冰量趨于零,且由于不斷增大流量的沖擊,冰塞體呈化解趨勢,并逐漸開河。河曲冰塞在發展過程中大致呈現五種狀態:飽和平衡冰塞、超飽和遞增冰塞、超飽和平衡冰塞、不飽和遞減冰塞、不飽和平衡冰塞。五種狀態的出現與來冰量和其他邊界條件有關,每一冰塞體增減過程中不見得都具備以上五種狀態。3.4河流流域冰塞變化規律3.4.1冰期水位與冰期流量的關系影響冰塞段水位變化的因素有:流量、水流阻力、水內冰性質、冰塞厚度及河床斷面的幾何形態。河曲段冰期水位變化具備以下規律:(1)冰塞越厚,水位越高,兩者呈線性關系。(2)河床的幾何形態是形成冰塞的重要邊界條件,對水位也有影響,但程度不同。(3)冰期流量與水位之間關系散亂,遠不如敞流期。河曲段當冰蓋下流量在100m3/s~700m3/s時,與之相應的水位變幅相對要小。(4)通常情況下,河床阻力越大,水位越高,有時冰塞段糙率可出現大起大落的波動,相應也影響著水位的變化。3.4.2初支冰塞和穩封期水位變化冰期:南園斷面到石窯卜斷面之間河段初封后水位有短期下降,而后升高,但幅度相對較小。船灣以下河段,冰期最高水位一般都出現在封河初期或開河短時間內,穩封期水位較穩定,增值不大。北園斷面以上則水位隨時間持續升高。從多年來冰期水位升降過程看,河曲段冰期水位變化過程可分為6個階段:(1)當河段自下游開始向上游封凍時,在封河過程中,幾乎沿封凍前緣的進展而形成初期冰塞。初封冰塞是自下游向上游發展的,初封期水位也是自下游向上游逐級壅高的。(2)穩封初期,所形成的冰塞多屬于不飽和冰塞,龍口以上源源而來的水內冰,絕大部分被北園附近冰塞所攔截,此時期水位特征是北園以上河段水位持續上漲,北園以下到石窯卜河段水位持續下跌,跌幅以石窯卜河段為最大,水文站~九良灘河段次之。(3)穩封期間,封凍前緣冰蓋下的水內冰越聚越多,過水斷面越來越小,從而導致河水位的壅高。但隨著冰塞體自上游向下游的移動,水位也自上游向下游相繼壅高,該過程存在于整個穩封期,但是,冰塞體下移緩慢,其速度不及冰塞體自身消溶(流散)的速度,表現在北園以上河段,水位有持續上升現象,而南園以下河段水位變化穩定。