萬家寨水利樞紐庫尾凌情特征及變化

吳金峰，牟獻友

萬家寨水利樞紐庫尾凌情特征及變化

吳金峰，牟獻友

（內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古呼和浩特010018）

萬家寨水利樞紐位于黃河中游，其庫區狹窄多彎，由于河道斷面寬度和河床比降變化大等特殊地形條件，每年進入冬季的封開河關鍵期容易形成冰塞、冰壩，出現凌汛災害。對萬家寨庫區1998年以來近15年的冰情資料進行分析，并對庫區的冰凌進行測量，分析總結庫區段流凌期、封凍期和開河期的凌情特征及變化，以制定出更好的防凌方案。

冰壩；開河；封河；壅水；萬家寨水利樞紐

1　庫區概況

萬家寨水利樞紐是我國重要水利樞紐之一，位于黃河中游上端，上距黃河上游與中游的分界處河口鎮104 km。壩址左岸為山西省忻州市偏關縣，右岸為內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗。萬家寨水庫是一座峽谷型水庫，庫區狹窄多彎，許多斷面呈“U”形，且兩岸陡峻［1］，尤其是在牛龍灣處河床比降大，加上有渾河入口和鐵路橋等特殊地形條件，冰凌在此下泄不暢，極易卡冰結壩，造成嚴重壅水。

2　庫尾凌情

2.1庫區河道斷面位置

萬家寨庫區河道研究范圍為壩前碼頭至頭道拐，即自WD01～WD70斷面，總長為92 km［2］。萬家寨庫區河道斷面位置見表1。

2.2庫尾凌情特征分析

2.2.1凌期特征

黃河內蒙古河段冬季嚴寒而漫長。一般把黃河的冰凌演變分為3個時期，即結冰期、封凍期和解凍期。對于黃河內蒙古段來說，進入11月份，冷空氣不斷南侵，氣溫漸趨下降，河水溫度也隨之下降，當溫度達到0℃以下，在河流岸邊出現薄冰［3］。由于水流的紊動作用，河水失熱降溫是在整個水流各個部位同時進行的，因此會形成冰花。隨著氣溫越來越低，冰花的數量也愈來愈多，當密集的流冰在急彎、淺灘、窄細處卡堵后，后續的流冰便在該處以上河段形成封凍冰蓋，這時該河段便進入了封凍期［4］。河流封凍后，因濕周的增加和冰蓋下冰花的堆積，水流阻力明顯增大，過水斷面顯著減小。因此，河道內槽蓄水量必然增大，比暢流期同流量下的水位要高，槽蓄水量的多少將影響開河形式。開河的形式分為文開河、武開河和半文半武開河。黃河岔河口冰情站冰情日期見表2。

黃河內蒙古河段流冰日期一般在11月下旬。1998年～2013年，最早的是11月12日（1998年），最晚12月3日（2011年）。2012年11月中旬氣溫驟降，日最高氣溫降低7℃，日均氣溫降低5℃。11 月14日，庫尾開始流凌，流凌密度不足10%。11 月21日后因氣溫略有回升，庫尾流凌現象曾一度消失。24日起受再次降溫的影響，庫尾及以上內蒙河道再次出現流凌，流凌密度不足10%。每年凌期一到，流凌首日，冰凌就會在萬家寨水庫庫尾回水區范圍內某處停止，冰凌就會向上游延伸并形成堆積，且在庫尾豐準鐵路橋至水泥廠一帶不斷堆積、緊冰，直到黃河內蒙古河段封河，頭道拐流量減小后，封河才會向水泥廠、曹家灣以上河段發展。自1998年冬天以來，萬家寨庫區總是在頭道拐流凌開始日就開始形成冰凌堆積，黃河內蒙古河段首封日總是晚于萬家寨庫區冰凌堆積日。

2.2.2封開河期水位

萬家寨庫區河道流凌期壅水最高水位見表3。從表3可以看出，近年庫尾各斷面水位較前些年有所提高，但頭道拐及其他水文站也都比較高。尤其是2004年～2005年封河前壅冰段的WD62、WD63斷面比2003年～2004年高3 m，開河時水位也比其他年份的水位高，在水庫庫尾河段多處公路和村莊被淹。沿黃公路三道塔村柏油路路面過水后路面水痕和冰塊見圖1。

表1　萬家寨庫區河道斷面位置

表2　黃河岔河口冰情站冰情日期　月-日

表3　流凌期壅水最高水位　m

圖1　路面水痕和冰塊

萬家寨水庫庫尾河段大多是立封河段，凌汛開河期形勢嚴峻。2008年，三湖河口出現歷史最高水位，巴彥高勒到頭道拐河段最大槽蓄水量達13.40 億m3，給開河帶來不利。自2008年3月11日庫尾出現大面積清溝至2008年3月18日庫尾河段主槽全部開通，麻地壕、蒲灘拐、喇嘛灣均出現了較高的水位，分別為989.15、987.54 m和986.28 m。其中，喇嘛灣水位離水庫最高移民高程僅0.72 m［5-6］。

3　凌情的影響因素及變化

影響凌情的主要因素有動力因素（流量、水位、流速、風力、波浪等）、熱力因素（氣溫、水溫、太陽輻射等）、河道形態（河道的平面位置、河道走向、河道邊界特征等）、人類活動等。本文主要從氣溫、流量、河道條件和水庫影響等幾個方面分析黃河萬家寨水庫庫尾凌情變化情況。

黃河內蒙古河段多年平均氣溫在0℃的天數為123 d，最大冰厚0.9 m。氣溫從11月份到二月中旬一直在0℃以下，從二月中旬氣溫開始上升，冰凌開始融化，到三月份進入開河期。

3.1氣溫

氣溫是影響冰情演變的主要熱力因素，導致冰量和冰質的變化，決定封凍日期、封凍長度、冰厚等。2013年～2014年凌汛期神泉日平均氣溫過程線見圖2。從圖2可知，2013年～2014年，從11月27日開始流凌，12月9日開始降溫，至12月14日封河，歷時18 d。同往年相比，流凌開始時間晚、持續時間短、封河速度快。2013年12月24日～2014 年1月13日，對喇嘛灣公路橋、神泉高壓線進行了3次典型斷面冰厚測量，同時對蒲灘拐、神泉泵站、郝家窯、張家圪旦進行了一次典型斷面冰厚測量。最大河心冰厚（WD54斷面）0.78 m，最大岸邊冰厚（WD57斷面）0.86 m。斷面WD50～WD72冰花量2 256萬m3，冰量1 064萬m3堆冰總量2 256萬m3。

圖2　2013年～2014年凌汛期神泉日平均氣溫過程線

3.2流量

對不穩定封凍河段，氣溫是影響河段封凍的主要因素之一，在低氣溫下會引起封凍，而在高氣溫下河段不會封凍，但在氣溫不是很低的情況下，河道流量是河道封凍或不封凍的重要因素。在河道解凍開河期氣溫是河道解凍開河的主要因素，但小流量可以延長解凍時間形成文開河，大流量會加速解凍時間形成武開河。

3.3河道條件

河道形態影響排凌、封河開河的形勢。若河道的坡降過大或上寬下窄就會極易卡冰而形成冰壩。萬家寨水利樞紐是一座峽谷型水庫，庫區兩岸陡峻，河道大部分斷面呈“U”形。2010年12月23日，在巨合灘大橋上出現卡冰導致排凌受阻，起初為冰凌堆積，后來形成冰塞，導致水位上漲最高，到24日02∶15時潰決下泄，兩岸留有大量殘留冰。由于上游大量的流冰，致使該段嚴重冰塞段進一步堆加，水位大幅上壅，冰塞推移至斷面WD53～WD59之間，形成嚴重的冰塞段，水位上升很高，斷面WD57水位979.90 m、下塔水泥廠自記水位981.20 m。在各種作用力的推動下，25日11∶00時冰塞段開始潰決，推動下游基本未動的冰面一次性進入庫區即下城灣以下，水位大幅下跌4.0 m以上，下泄后的河槽兩岸仍留有大量殘留冰。潰決過程中，流冰通過岔河口大橋時順利通過，無有阻冰現象。2010年3月25日，頭道拐上10 km以下全部開河，在渾河口以下屬于武開河。

3.4水庫

在河道上修建水庫影響下游河段的熱力因素和水力因素，進而影響庫區的凌情變化。黃河上游修建的龍羊峽水庫和劉家峽水庫對萬家寨庫區的凌情有一定的影響。劉家峽水庫在內蒙古河段的封開河期增加下泄流量，并要求流量過程平穩，大大改善了黃河內蒙古河段的冰凌情勢。

4　凌情變化

1998年～2013年近15年的凌情與歷史凌情相比，萬家寨水庫冰期氣溫、封凍天數、開河流量等都有變化。萬家寨水庫運用后，沒有上游的來冰，且提高了大壩底孔泄流水溫，致使萬家寨水庫庫尾河段的初封日期、穩封日期明顯推遲，封河長度也會明顯縮短。

萬家寨庫區的冰期氣溫在近15年呈上升趨勢。但在2000年1月和2009年1月遭遇低氣溫天氣和寒流侵襲。在鄂爾多斯市達拉特旗烏蘭段首先出現流凌，之后，隨著沿河地區氣溫的下降，流凌密度增加，流凌河段加長。從內蒙古巴彥淖爾市磴口縣三盛公站至頭道拐水文站之間河段流凌密度為30%～60%；頭道拐水文站至萬家寨水庫庫尾河段流凌密度為50%～80%；壺口在2009年1月17日發生凌汛災害，清澗灣出現險情。壺口附近黃河凌汛現場見圖3。

圖3　壺口附近黃河凌汛現場

近10來年，萬家寨水庫的北干流河道流量比水庫運行前的流量明顯減小，一般在300 m3/s。2002年，頭道拐、河曲、府谷的流量均下降，尤其在河曲段流量下降到221.99 m3/s。萬家寨水庫庫尾一般的封凍天數是60～70 d。由于寒流侵襲，在1999年～2000年度封凍天數為101 d。近15年來，寧蒙河段冰期槽蓄水增量變化明顯。其中，2005年該河段冰期槽蓄水增量達到近20億m3，創下了近15年之最。

圖4　1998年～2009年凌汛期流量統計

5　結語

黃河凌汛問題是黃河治理中的重大問題之一。本文對黃河萬家寨水庫庫尾凌情的影響因素和變化情況進行了分析，隨著氣溫、流量的不同，還會有新的問題出現。黃河防凌工作主要是在凌汛期，尤其在是流凌期和開河期容易發生凌災，流凌期冰密度過大容易形成冰塞，導致冰壩。在開河期，若是武開河，易導致下游的路面淹沒。只有在凌汛期加強防凌工作，完善防凌工程措施，并加強非工程措施，才能保證凌汛期的安全，把凌洪災害降到最低。

［1］馬喜祥，熊運阜，徐偉，等.萬家寨水庫冰情淺談［J］.泥沙研究，2003（4）：66-72.

［2］翟家瑞，金雙彥，熊運阜，等.黃河萬家寨水庫防凌運用方式研究［M］.鄭州：黃河水利出版社，2013.

［3］可素娟，王敏，饒素秋，等.黃河冰凌研究［M］.鄭州：黃河水利出版社，2002.

［4］黃河流域及西北片水旱災害編委會.黃河流域水旱災害［M］.鄭州：黃河水利出版社，1996.

［5］鄂爾多斯市水文勘測局.岔河口冰情站2007年～2008年度黃河凌汛技術總結［R］.鄂爾多斯：鄂爾多斯市水文勘測局，2008.

［6］黃河萬家寨水利樞紐有限公司防汛辦公室.萬家寨水利樞紐凌汛開河期總結［R］.鄭州：黃河水利委員會，2008.

（責任編輯楊健）

Characteristics and Changes of Ice Regime in Wanjiazhai Reservoir

WU Jinfeng，MOU Xianyou
（College of Water Conservancy and Civil Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，Inner Mongolia，China）

Wanjiazhai Water Multi-purpose Dam Project locates in the middle reaches of Yellow River which forms a narrow and multi-bending reservoir.Because of the special terrain conditions of narrow water surface and large river channel slope in Wanjiazhai Reservoir，the ice damming and ice flood disasters are easy to be appeared in ice freezing and thaw period in winter.The ice data in past 15 years since 1998 in Wanjiazhai Reservoir are analyzed and the ice conditions in river are investigated.The ice regimes in the periods of ice-run，freezing and thaw are analyzed respectively to make a better ice flood control scheme.

ice dam；river ice thaw；river ice freezing；backwater；Wanjiazhai Water Multi-purpose Dam Project

TV875（226）

A

0559-9342（2016）02-0017-04

2015-10-27

國家自然科學基金資助項目（51569020）；內蒙古自然科學基金資助項目（2015MS0515）

吳金峰（1990—），女，內蒙古烏蘭察布人，碩士研究生，主要從事工程水力學研究；牟獻友（通訊作者）.