黑龙江洛古河冰坝成因及预报方法探讨

刘阳明，唐永美，常春超，任国吉

（松辽水利委员会水文局黑龙江上游中心，黑龙江黑河164300）

1 概述

洛古河水文站位于黑龙江上游额尔古纳河和石勒喀河汇合口下游7km处。黑龙江干流洛古河江段都处在北纬53°以北的中高纬度区域，属于寒温带气候，河流水文气象具有西伯利亚大陆性河流的特点。冬季气候严寒，地面积雪，土壤冻结，河流出现结冰、流凌、封冻、解冻和再次流凌过程。受地理条件、气候特征和河道特性所决定，每年解冻期洛古河江段都会出现春季凌汛过程，多数年份最高水位出现在春季凌汛期，给洛古河江段生产生活造成灾害。随着经济社会的发展和人民生活水平的提高，研究和预报冰坝对于黑龙江干流沿岸的工农业生产、交通运输、水利工程、防汛抢险和国防建设等具有重要的意义。

2 冰坝简况

1987年6月在黑龙江干流洛古河建立水文站，已累计收集30余年水文资料。1988—2019年发生明显冰坝的年份有16次，占观测年份的50%；13次冰坝最高水位为年份最高水位，其中1994年冰坝最高水位为32年的首位。通过水文资料分析，多年平均开江日期为4月30日，发生明显冰坝年份开江日期多数早于多年平均开江日期，且开江形式为武开江。

黑龙江洛古河江段冰坝，均发生在测验断面下游4～8km处，冰坝长度为20～30km，宽度为500～600m，与河宽相当。冰坝水位较低时，江水未出河槽，冰坝上游河槽蓄水量迅速增加，冰坝压力增大，冰坝持续时间较短。但是，冰坝水位较高时，江水出槽，部分水量绕道河滩地流向下游，减少了冰坝上游河槽蓄水量和冰坝压力，冰坝相对稳定，持续时间较长。

剧烈的冰坝凌汛，已成为黑龙江洛古河江段水文情势的突出特点。冰坝发生时，水位上涨猛烈，江水出槽，冰排上岸，和洪水一起咆哮奔腾，给沿江洛古河村及下游村屯造成毁灭性灾害。

3 冰坝成因分析

1）地理位置特征影响。黑龙江上游及上源支流地处高寒地区，受蒙古高压和西伯利亚寒流影响，冬季气候严寒而漫长。洛古河年平均气温为-5.0℃，最低气温达到-58.5℃。受气温控制，从每年的10月至下一年的5月，河道结冰处于封冻。河心冰厚为1.10～1.50m，最大冰厚1.94m。冰盖厚度大、强度高是形成冰坝的基础条件。洛古河江段上游两大支流额尔古纳河与石勒喀河，均从低纬度区向高纬度区流动，相差纬距6°。上游先受热解冻，洛古河江段每年均出现武开江。

2）河道形态对流冰阻塞作用影响。黑龙江洛古河江段流经大兴安岭山区，河道束峡，水流湍急。洛古河下游4km和8km处江段河道弯曲，河道成L型，河道主流靠近山体北角，受高山遮挡，太阳光不能直射冰面，解冻期冰盖强度整体还较大。江道有岛屿，形成岔流，水面宽阔，浅滩出露，比降减缓，春季凌汛均在此处紊乱的河段上，发生冰卡塞和堵塞。

3）动力因素主要包含封江水位、冰量、冬春降水量。上一年封江水位的高低，直接反映河槽水量的大小。水位高，河槽蓄水量多，提供了水流动力，有利于第二年春季发生冰坝。冰量是形成冰坝的主要因素，大量的冰块相互挤压堆积，为冰坝形成提供了冰量。冬春降水量是形成冰坝的动力重要因素之一。冬季降雪大部分储存在流域表面，起隔热作用，影响冰盖的消融和冰强度的减弱；春季回暖形成融雪径流，汇入河槽增加水流动力。在开江前，气温回升后的降水加快融雪，使径流在短时间加大，对冰坝的形成起着重要的水力作用。

4）热力因素。主要指标为气温，它的高低影响冰层厚度大小和冰量多少，影响冰盖的消融和冰的坚固程度。

4 冰坝发生的可能性预报

由于冰坝的形成是复杂的，影响的因素较多，目前国内外对冰坝发生的可能性预报方法还是非常少的，目前多采用一些经验相关法。此次研究冰坝发生的可能性预报采用综合因子法。

根据凌汛发生机理和黑龙江上游影响冰凌灾害的条件，结合河相条件，对冰凌汛期水位的影响机理，建立反映凌情的综合因子法。采用反映动力因素的开江期流速和反映热力条件的封冻期累计负气温，构建影响凌情的综合因子。黑龙江上游测站开江期水位上涨加速度与秋冬季降水有很好的相关性，因水位上涨加速度与开江期速度呈正相关，采用水位上涨加速度来表征开江期流速，避免了对流速预测的难度，有效地延长了预见期。依据综合因子，建立洛古河站冰坝发生可能性预测方案：

式中：A——为综合因子；C——为水位上涨加速度，——为多年平均水位上涨加速度；T——为年封冻期累计负气温；——为多年平均累计负气温。

通过采用秋冬季降水预测水位上涨加速度和采用封冻期累计气温计算其综合因子，能够反映出一段时间内的冰情和水情形势。实现了动力和热力因素指标的结合，采用一个综合因子可有效反映两种因素相互作用，也能表征出河相条件对冰凌的影响，便于开展冰坝预报和分析。

表1 洛古河站综合因子历年统计表

根据洛古河测站分析计算结果，这一因子能较好地反映凌情特征。通过构建的综合因子分析，洛古河站冰坝年综合因子数值都在2.0以上，普遍较正常开江年大。根据分析计算结果，其前期降水可以较好地预测开江水位加速度，进而对综合因子进行预测，实现对凌情的预测。因子构成简单，同时表征动力和热力因子，有效延长预见期。

5 冰坝最高水位预报

影响洛古河冰坝的水热因素，有上下游和前后期水温变化的差值，前期冷后期暖，上游暖下游冷，形成结冰量大和倒开江的先兆；另外前期秋季降水偏多，冬季积雪量大，春季开江期降水充沛，为开江期冰坝提供水量的来源，也是冰坝的决定因素。冰坝凌汛为融冰、融雪及降雨径流形成的一次洪水过程，峰量关系单一，冰坝凌汛洪峰由正常最高水位和冰坝雍水附加水位组成。

统计洛古河站发生冰坝年份的冰坝最高水位、上一年的封江水位、10月至次年4月封冻期降水量，分析洛古河冰坝的最高水位与反映河槽蓄水的封江水位及冬春季降水量的变化呈一定规律，建立了以10月至次年4月降水量为参数的冰坝最高水位与封江水位相关预报图，见图1。

图1 洛古河站冰坝最高水位与封江水位相关预报图

根据记载的水文资料，1994，1995年冰坝最高水位超过101m，两年的冰坝变化过程相似，均在洛古河断面下游约4km处产生冰坝，维持一段时间和高度后，在第一次冰坝下游2～3km处产生第二次冰坝。以第一次冰坝水位视为二次冰坝的封江水位，延长相关关系。当封江水位低于94.20m，出现两个明细带状分布，采用10月至次年4月的累计降水量80mm作为参数判别线区。

利用图1，以洛古河水文站1989年至2018年间18次冰坝最高水位为样本，开展冰坝最高水位预报误差评定工作。根据水文情报预报规范要求，凌汛预报预见期内实测水位变幅的20%作为许可误差，其中15次预报的冰坝最高水位满足许可误差要求，整体预报合格率为83%。

6 结论

黑龙江洛古河江段地处高纬山区，气候严寒，水文地理和河势条件复杂，冰凌灾害严重。通过开展冰坝成因分析和建立冰坝预报数学方案，为黑龙江源头冰坝中长期预报和减轻冰坝灾害提供了科学依据。

但冰坝凌汛的形成和发展机制极其复杂，对其研究受到科学技术、经济和交通诸多条件限制，相关研究较为薄弱。能够更好为防汛部门防凌决策提供准确冰情预报服务，需加强冰情监测特别是冰坝的监测等基础性工作，充分利用视频在线监控和无人机观测技术，提高监测能力。