湯旺河凌汛洪水特征分析及預報方法探討

劉丙賀，雷 慶，田長濤

(伊春水文局，黑龍江伊春153000)

冰情是指河流、水庫(湖泊)冬季從出現浮冰、形成冰蓋至冰的消融全過程的水文情勢［1］。寒帶地區河流春季冰雪融化，解凍開河，經常出現凌汛。凌汛是河道里的冰凌對水流的阻力作用而引起的一種漲水現象，洪水歷時較短，水量較封凍期明顯增大。凌汛期冰凌不僅直接影響到冬季的航運、交通、給排水等水利工程建設事業;而且當冰凌嚴重阻塞河道形成冰壩時，會導致凌洪泛濫成災，給人民生命財產帶來重大損失。湯旺河地處高寒地帶，河流封凍期長，凌汛期在部分河段經常會不同程度地發生冰塞、冰壩等阻水現象，極易產生險情。近幾年來隨著氣溫、人類活動、河床沖淤等流域環境的變化，使得凌汛的威脅不僅依然存在，而且使易發生凌汛災害的河段有所增加，影響范圍日漸擴大。因此，加強對冰凌洪水的研究，做好凌汛期洪水預報，為當地防凌、防汛提供及時準確的信息服務，是水文工作者的一項重要任務。

1 冰情特征和凌汛洪水災害成因

1.1 冰情特征簡介

湯旺河為松花江下游左岸一級支流，流域面積20 557 km2，地域屬亞寒帶氣候特征。河流發源于小興安嶺北部主脈的563高地南麓，由西北向東南貫穿小興安嶺腹地，河流全長465 km，流域海拔平均高程約400 m，為典型的山溪性河流。由于流域處于中高緯度地區，受氣候影響，河流每年出現明顯的冰情現象。河流初冰日期上游在10月中旬，下游在10月下旬;封河日期上游為11月上旬，下游為11月中旬;凌汛開始日期上游一般在4月下旬，下游為4月中旬;全年封凍天數上游約為167 d，下游約為155 d，全年流冰(流凌)期約15 d，實測最大面積流冰塊長70 m，寬30 m，冰速1.20 m/s。穩定封凍期最大河心冰厚上游為1.21 m，下游為1.11 m。

1.2 凌汛洪水類型與成因分析

凌汛期產生的洪水一般可分為3種類型，即融冰洪水、冰塞洪水和冰壩洪水。融冰洪水一般是因上游河段河水溶解，槽蓄水量釋放，引起沿程凌峰不斷增大而形成的洪水。由于這種洪水是河水自行解體，所以洪水規模一般較小。冰塞洪水是指冰花和碎冰堵塞冰蓋下的過水斷面，使上游水位雍高而形成的洪水。冰壩洪水是河道形成冰壩以后，嚴重阻塞河道過水斷面，使上游水位抬高而形成的洪水。冰塞和冰壩洪水的大小主要取決于冰塞程度和冰壩體積的大小以及維持時間的長短。一般來講冰塞洪水歷時較長，冰壩洪水漲率較大。概括地說，凌汛期災害性洪水成因主要有以下兩個方面:

1)氣溫的作用:在由南向北流動的河流，由于河段上下游緯度的差異，開河時上游段對比下游段氣溫偏高，由于上游冰層溶解較快，下游冰層溶解較慢，下游河段就有可能出現來水量過大無法及時下泄，而在部分河段出現冰塞或冰壩的現象，俗稱“武開河”。湯旺河由北部高緯度區流向南部低緯度區，解凍期下游氣溫略高于上游氣溫，河流總體解凍趨勢是下游區早于上游區。因“武開河”導致凌汛災害發生幾率較小。

2)河道形態的作用:河道的寬窄變化程度，縱比降的陡緩，彎曲半徑的大小以及河道內阻水建筑物等在凌汛期都對水流有一定的影響。河道內如存在多處上寬下窄的形態，就容易引起槽蓄水量的上多下少和排洪能力的上大下小，河水極易遇阻成災。在河道的淺灘地段，較大冰塊可能叉至河底，攔截了冰水去路，逐漸堆積形成冰塞甚至冰壩，導致洪水漫溢成災。湯旺河河床坡降和河道彎曲系數都較大，河床平均坡降為1.07‰，河道彎曲系數為1.90。河道內多分布河心島、淺灘、急彎狹窄河段和阻水建筑物。河道平均河寬約200 m，狹窄處不足100 m。當較大體積密集流冰在通過形似“L”、“s”型彎道、淺灘或河心島時極易發生卡冰現象從而堵塞整個河道。總體上看，河道形態是導致湯旺河凌汛洪水災害的主因。

2 凌汛洪水預報模型建立方法

湯旺河在每年11月～翌年3月這一時期進入枯水期。冬季由于河流封凍，徑流靠地下水補給，4月以后氣溫明顯升高，流域積雪融化和河網儲冰解凍形成凌汛，流量顯著增大，形成每年一次的凌汛洪水，有時凌汛期最高水位即為全年最高水位。由于河流冰情現象的復雜性和冰情觀測資料的限制加上預報要素與預報因子之間并無確定的函數關系，所以冰情和凌汛預報主要采用經驗相關分析方法和統計回歸分析方法。本文采用建立線性回歸方程模型法來預報凌汛洪水，模型法預報結果唯一，實用性強，易于更新，避免了經驗相關法因人而異、主觀性強、相關因子較少和數據點據不能及時更新等弊端。模型參數選擇，實例擬合、試報結果及方法檢驗評定為:

凌汛洪水一般與河段前期蓄水量、開河時上游來水、融雪徑流以及開河形勢有關［1］。根據湯旺河干流晨明站1977～2000年冰期實測數據，經過試算篩選，最終選用歷年3月份平均流量(x1i)、封凍期降水量累計值(x2i)、封凍期最大河心冰厚(x3i)、氣溫轉正后至開始流凌時段內平均氣溫(x4i)等4項相關參數(各參數項之間的相關系數見表1)與實測凌汛最高水位(Hi)建立線性相關關系，組成預報方程模型:

表1 模型參數間相關系數統計表

式中:a、b、c、d 為方程系數，e為常數項，i表示年份。按照擬合系列數據誤差平方和最小為控制標準，率定出方程系數和常數項，得到預報方程為:

利用該方程對2001～2006各年份進行了檢驗，歷史擬合與檢驗結果見表2。凌汛洪水預報采用參加擬合與檢驗正確的點據占總點據數比例的百分數作為合格率，對于預報要素因子屬數值類型的預報方案取預報要素在預見期內實測變幅的25%作為允許誤差標準。由表2可見，在31個點據中，合格點據有19個，合格率為61.2%，符合丙級預報方案標準。

表2 湯旺河晨明站凌汛最高水位預報模型歷史擬合與檢驗精度統計表

3 結語

利用歷年實測資料選用相關因子建立凌汛洪水預報方程模型，即考慮了洪水過程的物理成因基礎又擺脫了經驗相關圖的束縛，體現了現代洪水預報技術的特點，對防凌、防汛降低凌汛災害有一定的參考價值。由于凌汛洪水成因復雜，影響因素較多，因資料獲取范圍和理論認識深度限制，模型參數間相關性不明顯，相關系數較低，預報檢驗精度較低，還有待進一步研究和改進。由于河道形態是導致湯旺河凌汛洪水災害的主因，因此建議在做好凌汛洪水預報的基礎上，采取必要的疏通河道，減少天然和人為阻水障礙物，增建必要的防凌堤防等工程措施，從根本上防范凌汛洪水的侵害。

［1］李慧瓏.水文預報［M］.北京:水利電力出版社，1993.