黄河内蒙古段冰凌形成机理及凌汛成因分析研究

因各河段上断面形态的不同， 流速也不相同， 故河底冰的分布并 不是连片存在， 而是呈一片片的不连续状态。水内冰无论在晴天 或阴天均能产生， 以日出前的凝结量最多。水内冰凝结量的分 布， 近河面因失热快最多， 逐渐向河底递减。 ２．２ 结冰期 ２．２．１ 流凌
河 底 冰 、水 内 冰 上 浮 水 面 随 水 顺 流 而 下 即 为 流 凌 。由 于 水 流 冷却程度的不同， 流凌相差较多， 常以流凌密度表示， 即凌块面 积占水面宽度的百分数。 ２．２．２ 封冻
当流凌达到一定密度时， 在排泄不通畅的河段上， 凌块受阻 相互冻结而形成封冻。有些河段凌块顺序排列冰面比较平整称 为平封， 如万家寨库区封河。而有些河段凌块受水流或风力作用 成倾斜状甚至重叠冻结的称为立封， 如万家寨库尾的封冻。河段 封冻以后， 冰层厚度的增加主要是在冰盖下面。 ２．２．３ 清沟
河流进入封冻状态后， 仍敞露出自由水面的叫清沟。随着温 度的下降， 清沟可逐渐缩小以至消失。在河道主流处， 有些因流 速较大而常年不能形成盖面冰的清沟， 水面与大气仍不断对流 失热， 可源源不断地产生过冷却水， 成为下游冰花的制造厂， 很 易在河湾和水流速度发生明显改变之处， 造成冰花堵塞。 ２．３ 融冰期 ２．３．１ 冰色变白、冰上流水
冰晶的增多， 由片状平卧水面逐渐发展成星状或树枝状。动 水中结冰程序与静水有很大的区别。在天然河道中， 水体流动紊 乱， 使得表面和底层的水体几乎同时都在不断冷却， 整个河道水 流能均匀地下降到 ０℃左右， 液体水的 粘 滞 系 数 随 着 温 度 的 下 降而增大， 粘滞阻力的增大更有利于水分子的凝聚作用。河流结 冰的程序是， 冰晶→岸冰→水内冰、河底冰→凌块→盖面冰。或 者 是 冰 晶 →水 内 冰 、河 底 冰 →岸 冰 →凌 块 →盖 面 冰 。 １．３ 冰的结构类型
收稿日期： ２００７－ １２－ ２０ 作者简介： 冯国华（ １９５８－ ） ， 男， 内蒙古赤峰人， 博士研究生， 高级工程师， 主要从事黄河防凌研究。
第３期
冯国华等： 黄河内蒙古段冰凌形成机理及凌汛成因分析研究
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２．１．３ 河底冰、水内冰 附着河底上的冰晶叫河底冰， 夹
坡缓多岔， 也会使流冰搁浅。巴彦高勒以下， 河床极不稳定， 平面 低， 若断面下游发生冰塞， 则水位会抬升 较 多 。 融 冰 期 ， 上 游 河
摆动很大。喇嘛湾以下又流入峡谷段， 河宽缩减到 ２００ｍ， 两岸石
段逐段向下解冻， 来水逐日增多， 水位随之不断上涨， 到解冻时
壁陡立、水流湍急， 龙口以下河道又扩宽， 河中多固定沙洲。内蒙 水位达到最高， 开河流冰后， 河水回落， 恢 复 畅 流 状 态 。 各 河 段
中图分类号： Ｐ３３２．８
文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－ ０８５２（２００８）０３－ ００７４－ ０３
黄河内蒙古段处于黄河流域最北端， 纬度最高。冬季封河 时， 首封下游， 自下而上， 节节壅水， 冰下过流能力减弱， 上游来 水下泄不畅， 河水上涨出岸， 产生冰凌灾害； 春季解冻开河时， 上 游先开河， 槽蓄水量自上而下释放， 冰水齐下， 易在河道狭窄、纵 坡变缓及弯道处产生冰坝， 阻塞河道， 致使水位急剧上升， 形成 武开河的态势， 酿成凌汛灾害。
黄河内蒙古段冰盖生成可分为三种基本类型。河道主流处 冰的产生由上游河段流来的冰花组成。另一种完全是受本地热 量条件的作用产生的岸冰， 或是由岸冰延伸封冻的盖面冰以及
封冻残留下的清沟， 以后又封冻的冰层。还有一种是在冰盖形 成后， 由于河水的涨落产生冰上冒水， 水积洼地复又冻结的冰 称为附加冰。
２ 冰情演变
在低温下， 河岸土壤较水体失热快， 同时沿河岸的水流因 阻力较大， 水流速度比河中要小， 故沿岸水体先行结成细小透 明的冰晶。冰晶的彼此冻结增大， 形成薄而透明的冰层称为初 生岸冰。如水体冷却速度较快， 岸冰的宽度和厚度亦迅速增大， 可形成固定河岸的岸冰。当河中冰花较多时， 流动的冰花或冰 凌块， 被水流或风力的冲击， 堆积至河岸冻结成一条冰带， 这类 岸冰叫冲击岸冰。根据观测， 当水流速度超过 ２ｍ／ｓ 时， 岸冰的增 长几乎停止， 仅能依赖河水溅出的泡沫冻结加厚。
黄 河 内 蒙 古 段 处 于 黄 河 流 域 最 北 端 ， 介 于 东 经 １０６°１０′￣ １１２°５０′， 北纬 ３７°３５′￣４１°５０′之 间 ， 呈∏形 大 弯 曲 。 由 于 上 游 流 经黄土高原及沙漠边缘， 河水含沙量剧增， 致使河床落淤抬升， 河身逐渐由窄深变为宽浅， 河道中浅滩弯道叠出， 坡度变缓逶 迤曲折， ８３０ｋｍ 长河段， 总高差仅 １６２．５ｍ。虽地处上游， 但在包 头市境内河道比降已接近了黄河河口的比降， 因而在托克托县 以上具有明显的下游河床特性。
黄河内蒙古段的冰情演变过程， 大致可分为四个时期， 即 由冰晶形成至产生大量冰凌的成冰期； 由凌块封冻至盖面冰层 增至最厚的结冰期； 冰层开始融化至解冻前的融冰期和解冻开 河至冰凌消失的消冰期。前二个时期是成冰阶段， 后二个时期 是消冰阶段。 ２．１ 成冰期 ２．１．１ 冰淞与棉冰
冬季河水的热量支出大于收入， 使水温均匀地 下 降 到 ０℃ 左右， 河水大量失热， 凝结有较多的冰晶， 部分冰晶随水的紊动 带至河底或水流内部， 水面的冰晶可凝聚一起， 组成松散易碎 的团装块称为冰淞。遇有降雪时， 雪落水面与河面的冰晶聚合 凝结， 组成更大的团状， 如同浸湿了棉花， 一片片或一点点地随 水飘流， 称为棉冰。 ２．１．２ 岸冰
冰面大量融化后， 冰盖底部也开始融消。因土壤吸热较冰层 多， 使沿岸的冰先融消解体， 受河水上涨沿岸露出自由水面称为 脱岸。同时在河中冰盖较薄处， 先融消露出自由水面称为再生清 沟。河中冰盖较薄的地方， 大都是封冻时遗留下的清沟后又被冻 结处。 ２．３．３ 冰色发黄、冰裂、冰滑动
大量融冰的后期， 冰盖已由上而下解体为柱状结构， 冰质十 分脆弱， 各柱状之间的空隙， 不断为融冰水下渗融化加大。上游 冰盖的解冻， 水流含沙量剧增， 水色浑浊， 冰盖的解体孔隙内充 满了浑水， 使冰色变黄， 有些地段水流含沙大， 可见到冰色发褐 黑色。这时冰质很酥， 水位稍一上涨， 冰盖即发生断裂。同时融冰 还在加剧进行， 冰层受水流或大风的作用， 便出现冰滑动现象。
１ 冰凌形成及其特性
１．１ 冰凌形成 水分子是由两个氢原 子 和 一 个 氧 原 子 化 合 构 成 （ Ｈ２Ｏ） 。 没
有与其它水分子聚合的叫单水分子 Ｈ２Ｏ， 两个水分子聚合的叫 双水分子 （ Ｈ２Ｏ） ２， 三个水分子聚合构成的叫三水分 子 （ Ｈ２Ｏ） ３。 ０℃的水一旦三水分子的含量超过了饱和点 ３７％时， 水分子的运 动速度便急剧减小， 液体的水便转向固体而形成冰晶。当温度持 续下降， 冰晶也随之增多， 相互粘结而组成了各种冰情现象。 １．２ 结冰程序
２．４ 消冰期 ２．４．１ 流冰开河
在热力因素作用下， 冰层融消使冰盖破裂随水流向下流动 即流冰， 河流开始解冻开河。上游河段温度高解冻早， 河槽蓄水 量、消冰水量加上游来水， 向下逐段增多， 形成明显的凌汛洪峰， 迫使下游尚未融消解体的冰盖强行鼓裂而出现流冰。前者以热 力作用为主的流冰， 冰块小质地酥松， 不致发生严重的冰凌卡 塞， 涨水较少， 是文开河的形势； 后者则以水流动作用为主的流 冰 ， 冰 块 大 质 地 坚 硬 ， 在 狭 窄 、陡 弯 段 易 发 生 冰 凌 阻 塞 ， 形 成 冰 坝， 导致上游河段水位剧增， 极易发生凌汛灾害， 这是一种武开 河形势。在武开河形势下多密集流冰， 易于卡冰结坝， 冰坝的冰 高出水面 ２￣３ｍ， 凌块堆积逆流而上， 最长的可达十多公里。 ２．４．２ 冰凌消失
在武开河形势下， 卡冰结坝后， 当水位涨至一定高度， 冰坝 即溃决， 主流凌块蜂拥而下， 两岸残留下较多的冰块即河岸堆 冰。涨水高度较大的冰坝， 可使冰块残留于河岸。这些冰块在开 河以后受热力作用逐渐融化消失。由上而下地逐段解冻， 冰坝 结了垮， 垮了再结， 结后又垮。这样反复， 使冰凌数量减少。有些 河段因水位涨差小， 仅主流处解冻， 两岸的滩冰只能待开河后 慢慢受热力作用融消， 这在文开河形势的年份较为多见。
古河势变动频繁， 为凌汛期提供了流冰排泄不畅的客观条件。
断面形态的不同， 对水位涨落有一定影响。多数年份， 凌汛最高
３．２ 热力因素
水位均超过了同年伏汛最高水位， 主要是解冻开河时的卡冰结
黄河内蒙古段处于内陆地带， 大部分时间为西风环流所控 坝导致迅猛涨水所致。
制， 干燥少雨， 温度低而温差大， 呈典型的大陆性气候。冰凌的产
３ 凌汛成因分析
概括凌汛的成因可分为热力、动力和河势三大作用因素。 使河水成冰又由冰融化成水的热量交换作用的因素， 包括太阳 辐 射 热 、水 温 、气 温 、风 、降 水 量 、空 气 中 的 湿 度 ；水 位 的 抬 升 以 至 流速的变化等水流作用， 均为动力因素；河道的特性影响为河势 因素。这三类因素中， 河势相对讲年内变化较小， 但多年变化也 较大， 也是卡冰阻水不可缺少的条件之一。而热力和动力因素 两者之间是相互制约的， 在一定条件下又可相互转化。如温度 升高冰融化成水增大了动力， 封冻时河水的动力作用摩擦增热 又可抵制降温成冰的作用， 解冻开河时强寒潮的入侵降温， 使 河 水 冻 结 成 冰 又 减 弱 了 动 力 作 用 等 。三 类 因 素 中 主 要 影 响 如 下 ： ３．１ 河势因素
随着季节的推移， 太阳辐射强度的增大， 冰盖吸收了太阳 辐射热能， 而使冰面发生融化， 即使气温仍在零度以下， 午后也 能融冰。黄河内蒙古段冬春多大风天气， 尘土飞扬， 冰面覆盖了 一层极薄的沙尘， 更增加了冰层的吸热量， 使冰面开始融化的时 间 提 前 。但 冰 层 大 量 地 融 化 是 在 气 温 上 升 到 零 度 以 上 后 。太 阳 光 线的漫射， 使冰面呈现白色。同时， 融冰水量除沿其解体孔隙下 渗外， 主要是沿着冰面由高向低流去， 可见到冰面积水， 冰上流 水现象。 ２．３．２ 脱岸