黑龍江流域冰凌研究進展

張凱文，戴長雷，于成剛，張兆廷

（1.黑龍江大學寒區地下水研究所，哈爾濱150080；2.黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱150080；3.黑龍江大學中俄寒區水文和水利工程聯合實驗室，哈爾濱150080；4.黑龍江省大興安嶺水文水資源中心，黑龍江加格達奇165000）

黑龍江流域位于亞洲東北部中蒙俄交界地帶，流域處于N41°以北的高緯度寒區，冬季氣候嚴寒且漫長，月平均氣溫低于0 ℃的時間長達6 個月，河流封凍期約為150～170 d 左右（11月-次年4月），黑龍江干流冬季冰期超過200 d［1，2］。黑龍江流域面積廣闊，資源豐富且經濟活躍，但針對冰凌的科學研究工作基礎較弱，研究程度有待提升。相比于同為寒區的黃河流域還需要更深入地研究。通過對黑龍江流域冰凌研究相關資料的整理，從理論研究、現象規律、應用研究3 個方面梳理中國和俄羅斯相關學者對黑龍江流域冰凌的研究成果，為黑龍江流域冰凌科學研究提供參考。

1 理論研究

1.1 冰凌理論

國內針對冰凌理論研究的科研單位和開設冰科學相關課程的水利類高校較少。黑龍江大學開設寒區水科學概論、寒區水利計算課程、寒區水文地質學等本科及研究生課程，以戴長雷［3］等編著的《寒區水科學概論》和汪易森［4］等編譯的《河冰管控工程設計手冊》作為主要課程資料。秦大河［5］等編著的《冰凍圈科學概論》作為中國科學院大學研究生教學課程教材。廖厚初［6］等明確了冰壩與冰塞的定義，并從成因、特點、研究等角度分析了冰壩與冰塞的區別，對冰壩凌汛和冰塞凌汛的特點進行了分析，認為國外采用冰塞的理論分析冰壩的研究方法較為牽強。

寒區河流冬季隨著氣溫下降，河水產生冰晶體并不斷伴隨失熱逐漸生長，直至上浮至水面在適當的水力條件下形成冰蓋、冰塞或冰壩；春季氣溫回升開河期間，封凍的冰蓋發生消融、破裂，演化成流冰，受氣溫、降水、太陽輻射、水力條件、河道形態等因素影響可能形成冰塞或冰壩。阻塞河道的冰塞或冰壩會壅高上游水位，形成凌汛洪水對下游沿岸居民生命財產產生威脅及破壞［7］。

1.2 河冰力學

針對河冰進行力學性能分析，可以在冰上運輸、景觀用冰、開河預報以及流冰對河岸、橋墩、船舶撞擊破壞等領域提供科學依據。付輝［7］等分別從原型觀測、實驗研究、新型冰情觀測儀器研發、河冰動力學數值模擬研究以及基于神經網絡技術的冰情預報等方面綜述了國內外學者的研究進展。王軍［8］等通過冰蓋斷裂機理的力學性能分析，耦合熱力對冰蓋材料性質的影響，提出了水力與熱力耦合的開河判別準則。楊開林［9］對近幾十年來冰水力學基礎理論、模型實驗、原型觀測及冰情預報等方面的科學研究進行了梳理，總結和歸納出研究現狀及存在的一些問題。汪恩良［10］等通過分析冰蓋模型的熱力學模型，推導出室內模型試驗的相似比尺，通過室內靜冰壓力試驗分析，得出溫升率約高，靜冰壓力越大，當溫度達到0 ℃時，靜冰壓力越大。耿敬［11］等提出一種基于地下連續墻的新型半斜坡式護岸結構優化方案，并應用ABAQUS 軟件開展冰荷載作用下護岸結構的力學性能研究。沈洪道［12］對河冰開河的研究現狀進行了梳理，分析了水流和冰動力因素在春季開河過程中的重要性，并提出了河冰開河理論的分析框架。俄羅斯科學院遠東分院水生態研究所Makhinov A N［13］等對阿穆爾河（黑龍江）下游冰蓋力學性能的影響因素進行了分析，在侵蝕河岸、冰凌輸砂、沖刷河床以及受支流水流的影響分別進行了研究，哈巴羅夫斯克地區的河流分叉改變了河冰流態，通過復雜的工程措施改善了分叉對河冰流態的影響。

1.3 冰壩成因

冰壩形成的因素有很多，可以概括為必然因素、偶然因素和其他因素。黑龍江省水文系統的專家學者對黑龍江流域冰壩成因進行了系統的分析。楊廣云［14］等對黑龍江干流洛古河水文站實測水位流量和冰情資料進行了分析，闡述了冰壩的特殊性和有利于形成冰壩的條件，從河道特性、熱力、水力條件3個方面分析了冰壩形成條件和影響因素。周興武［15］通過對黑龍江干流自1916年水文記載以來的歷史冰壩情況進行了總結及分析，從地理位置與河流流向、水文氣候因素、河道特征3 個方面對冰壩成因進行了分析，并對易發生冰壩河段河道形態特征進行了計算。陰法章［16］等闡述了1960年黑龍江上游冰壩的形成過程及特點，對冰壩凌汛災情進行了敘述，從地理因素、河道特征形態因素、水文氣象因素、河槽蓄水（冰）量因素分析冰壩凌汛成因。劉桂筠［17］等詳細闡述了1985年黑龍江上游冰壩凌汛形成過程，從冰壩成因、形成條件及冰壩特性3個角度分析冰壩的成因。郭增紅［20］等以2009年黑龍江干流漠河提前開江為研究對象，依據水文、氣象資料，對冰壩成因進行了分析，根據動熱影響指標構建了凌情綜合因子。張玉國［19］等通過闡述黑龍江1964年冰壩凌汛發生過程，分析了開江形勢、冰壩特點、冰凌災害以及冰壩成因。肖迪芳等［20］統計嫩江上游歷史冰壩凌汛資料，分析流域水文氣象特性、冰壩特點以及冰壩凌汛成因，并建立了冰壩凌汛壅水高度與影響因素的關系。那濟海［21］等利用1951-2000年水文、氣象資料，對黑龍江、松花江、嫩江發生的冰壩年份數據監測分析，結果表明，冰壩發生前，秋季降水多，河槽蓄水量較大，冬季降雪量大，春季開江前期明顯的降水和氣溫回升過程，是發生冰壩和形成凌汛的重要原因。

1.4 冰凌預報與計算

凌汛預報是冰情預報中的核心內容，凌汛預報的內容包括封江預報、開江預報、凌汛最高水位預報、冰壩與冰塞預報、冰厚預報等。目前，我國對凌汛的預報研究不多，方法及理論還不夠成熟。戴長雷［22］等對冰壩、冰塞等冰凌問題理論知識進行了梳理，對冰情監測傳統方法與新設備的研究應用進行了介紹，梳理了河冰預報常用計算公式，對黃河流域冰情自動監測系統研發情況、黑龍江冰情特征及歷史冰壩凌汛進行了分析。王喜榮［23］等通過對黑龍江干流上游冰壩成因的分析結果，建立了氣象、水文、冰情數據庫，依據冰壩與各要素間的關系分析，建立了冰壩預報系統的數學模型。王濤等［24］提出網絡的自適應模糊推理系統應用于冰情預報中，并以應用實例為例，對預測值和實測值關系進行了分析，并給出確定性系數，預報值和實測值曲線吻合較好，預報結果較為理想。郭新蕾［25］從河渠冰情預報的理論與實踐入手對防凌減災關鍵技術進行了論述，進一步揭示了冰情預報的規律方法。肖迪芳［26］等采用融雪和融凍期降雨徑流模型計算冰壩入匯水量，以及通過計算河網結冰水量、冰蓋臨界強度對寒冷山區性河流冰壩成因進行了計算，并提出冰壩成因的判別公式，通過改進分析計算方法增加冰壩預見期和提高了預報精度。馬文喜［27］等通過建立擬測站與下游測站的水位相關曲線，再利用切割水位的方法進行流量推算，改善了冰壩期間難以獲得流量資料的難題。鄢波［28］等以黑龍江哈巴羅夫斯克站1897-2005年間年徑流時間序列和1897-1985年間月徑流時間序列，應用累計距平法和Mann-Kendall法等分析黑龍江哈巴羅夫斯克站徑流變化規律，結果表明，徑流年際變化具有階段性，年內76%凈流量集中在夏秋兩季。

2 現象與規律

2.1 冰壩發生地點

黑龍江流域按地表水區劃可分為8 個水系分區，即額爾古納河區、石勒喀河區、結雅河區、布列亞河區、松花江區、烏蘇里江區、阿姆貢河區和黑龍江干流區。其中額爾古納河、烏蘇里江、松花江以及黑龍江干流上游段在春季開江期易發生冰壩凌汛洪水，位置示意圖見圖1。賈俊明［29］等對烏蘇里江流域歷史冰壩凌汛、冰情特征進行了介紹，分析冰壩發生頻率及冰壩凌汛發生過程，從地理位置和流向、河道特性、降雨及河槽蓄水量以及冰蓋強度4個方面分析冰壩凌汛的影響因素。孫東［30］等闡述了額爾古納河流域水文氣象特征、歷史冰壩情況，對額爾古納河上游區、中游區和下游區的冰情特征進行對比分析，并從河流地理位置角度分析對冰壩凌汛發生地點及頻率的影響因素。劉文斌［31］等闡述了1957年黑龍江流域額爾古訥河、嫩江、松花江及其支流、烏蘇里江干流及支流冰壩凌汛情況，分析了冰壩凌汛的特點及形成的條件。

圖1 黑龍江流域冰壩易發生河段位置示意Fig.1 Schematic representation of the location of ice dam-prone river segments in the Heilongjiang River basin

2.2 歷史冰壩時間及頻率

根據黑龍江歷年水文資料記載，自1949年新中國成立以來的70 余年間，黑龍江干流發生冰壩的年份共有26 a，平均2～3 a發生一次，頻率約為39.44%；松花江冰壩多發生在佳木斯和富錦江段，冰壩發生頻率為46%；嫩江上游發生冰壩頻率為36%；烏蘇里江在1951-1990年的40 a 間發生冰壩15 次；額爾古納河中下游河段在1951-1989年間的近40 a 中，冰壩發生頻率為50%左右，部分水文測站冰壩發生率達89.7%。2000年后，松花江、烏蘇里江基本不再發生冰凌洪水。張淑霞［32］等根據1896-1948年中俄水文資料，對冰壩凌汛發生年份情況進行了統計，同時對常見的冰壩類型進行了分析。

2.3 冰壩凌汛特征

冰壩凌汛洪水具有持續時間長、影響范圍大、水位上漲迅速、峰高量大等特點。陰法章［33］等根據黑龍江歷年冰壩凌汛資料及觀測資料，對黑龍江上游歷年冰壩凌汛情況、冰壩河段水文氣象特征、河道特征進行了綜述，對冰壩成因以及預報方法的進展進行了分析。張春紅［34］等在對2009年黑龍江上游氣候條件和河流特征進行了介紹，分析了冰壩凌汛的發生過程及特點，并對冰壩穩定性和歷時進行了計算。馬世領［35］以松花江干流“湯原—佳木斯”江段為典型江段，通過原型試驗、MIKE21 水動力模塊、原型觀測等研究方法，對流凌演進問題進行了研究，給出了堤防建設意見。陸欽年［36］等依據黑龍江省黑河、嫩江、佳木斯和哈爾濱4 個水文站歷史冰情資料，分析了黑龍江省河流冰情及凌汛災害的特點，計算了部分河流50年一遇和100年一遇的河心冰厚極值，將黑龍江省河流冰情和凌汛災害劃分為3 個區劃。張春紅［37］等以1960年黑龍江干流冰壩為典型年，從春季冰情、冰壩、凌汛、冰壩蓄水量4 個方面對冰壩凌汛特點進行分析，從河道特征因素、熱力因素、水力因素3 個方面分析冰壩成因。孫慶伯［38］等通過收集整理黑龍江流域內歷年水文資料，描述了黑龍江干流上游1985年凌汛洪水形成、演進過程，為黑龍江干流凌汛洪水分析提供了珍貴的資料。陳思宇［39］等從降雨、融雪徑流、冰凌阻塞方面對黑龍江省凌汛洪水成因及特點進行了分析，介紹了冰凌洪水流速緩、流量小、災害嚴重、發生頻率高等特點。于成剛［40］等統計了1941-2005年黑龍江中上游區間支流冰壩凌汛情況，并從冬季降水量、河槽蓄水量、融雪降水、氣溫等因素分析了冰壩的成因，總結了中小河流發生冰壩凌汛的特點。邢若飛［41］等利用黑龍江干流11 個水文站點的數據，描述了開封河日期、封凍天數和冰厚情況，并分析了凌情影響因素。МАХИНОВ А Н［42，43］等敘述了阿穆爾河（黑龍江）2013年洪水的形成過程及特點，分析了人類活動對洪水的影響，探討了高危地區的洪水有效保護措施，介紹了黑龍江干流部分河槽演變的過程以及冰蓋剝蝕的影響。

表1 黑龍江干流歷史冰壩情況統計Tab.1 Statistics on historical ice dams on the main stream of the Heilongjiang

3 應用研究

3.1 冰情監測與預報

河冰監測主要是了解和掌握河段內河冰橫向、縱向的分布情況，沿江變化情況以及河冰的性質和特征。李志軍［44］等提出直接探測冰層界面位置的接觸式和利用氣、冰、水電導率差異原理的冰、雪層生消過程自動監測設備。秦建敏［45］等提出利用空氣、冰與水的物理特性差異對冰層厚度及冰下水位接觸式監測的新思路，并根據弱導電性質和冰與水的電容區間單調特性，提出了冰層厚度傳感器及冰層檢測原理。劉永強［46］以空氣、冰與水電阻特性差異的冰水情監測原理，設計出適合高寒地區河流冰下水位自動測報系統，實現河道冰下水位、冰厚值的定點連續自動測報功能，填補了我國高緯度地區冰下水位測報技術的空白。杜超［47］等設計了基于氣、冰、雪與水物理特性差異的寒區冰雪情定點自動監測的傳感器和數據采集系統設備，并應用于黑龍江省漠河水位站黑龍江河道斷面進行數據采集。張梅［48］通過對比浮子式水位計、非接觸式水位計和氣壓式水位計3 種北方寒區常用的水位自動采集裝置，其中氣壓式水位計尤其是氣泡水位計受冰凌影響最小。

汪恩良等［49］對封開河預報模型國內應用較多的數學模型、統計學模型和神經網絡模型進行總結分析，闡述影響封開河預報模型精度的影響因子選取和預報因子篩選方法兩個關鍵步驟，且通過篩選和對比的方法，得出逐步分析法可以提高預報模型精準度的結論。廖厚初等［50］分析了水熱因素對開江日期的影響，利用氣溫指標法和勢能動力法作為開江日期預報的方法，取得了初步成果，但存在一定誤差，有待改進。郭鋒等［51］分析黑龍江中游烏云站冰情特征及凌汛成因，提出了通過線性回歸方程建立烏云站凌汛洪水預報模型的方法，預報結果滿足實際工作需求。曹偉征等［52］通過分析黑龍江冰壩成因，計算河槽水量及冰量、融雪徑流量、融凍期降水凈流量、臨界冰蓋強度，結合物理成因理論改進傳統的冰壩最高水位預報模型，提高預報準確率。于成剛等［53］通過對黑龍江上游4個水文站多年水文資料的整理分析，以流域最大釋放水量、水位上漲加速度等9個影響因素進行分析，運用多種影響因素分析法建立預報模型，預報準確率較高。許秀紅［54］利用黑龍江流域水文、氣象資料，通過分析發現，依據冰壩發生前前期高空環流特點，提出了冰壩凌汛預報方法。

冰凌預報中析出對預報內容的重要影響因素，并進行較為準確的計算和監測，融合多種影響因子分析建立的預報模型是提高預報精準度、延長預見期的方法之一。如冰壩最高水位預報中，封凍水位、河槽蓄水量、降水影響、水位上漲速度、冰蓋強度、臨界冰厚等都是重要影響因素。黑龍江流域中黑龍江干流冰壩凌汛災害最為嚴重，但由于黑龍江干流為中俄界河，沒有修建任何水利工程措施，無法實現通過水利設施調節的方法防治冰凌災害。

3.2 冰凌防治

冰壩凌汛可以通過水庫調節、冰情監測、凌汛預報、筑堤防凌以及轟炸爆破等方式對冰壩凌汛進行有效防治。彭旭明［55］等對黑龍江防凌減災系統設計及冰情觀測站建設、冰情測量雷達系統的研發和應用、黑龍江冰壩預報及災害評估、防凌爆破研究的相關研究成果進行了總結。房建［56］從中高緯度的角度對黑龍江防洪現狀進行了分析，對凌汛洪水、夏季洪水的特點進行了闡述，對黑龍江省地域特征進行了介紹，并從聯合調度、缺少有效的破冰壩手段、松花江流域蓄洪區、山洪防御意識薄弱4個方面分析了黑龍江洪水防御難點。于成剛［57］從地學角度對黑龍江干流冰壩易發段進行了成因分析，加林達江段河道特征系數大于其他江段，春季開河期間受河道邊界條件影響易導致冰凌阻塞形成冰壩，漠河江段河道條件良好，易形成冰壩主要受上黑龍江盆地地質構造影響，得到大量地下水補給而引發冰壩，因此不易采用爆破炸凌防治冰凌災害，還需要結合地質構造因素影響完善黑龍江上游治河方案。Кулаков В В［58］等對以阿穆爾河（黑龍江流域）哈巴羅夫斯克地區為例，對俄羅斯聯邦自然資源開發管理體系進行了介紹，并提出了基于可持續發展的自然資源管理意見。Kim V I［59-62］等分析了結雅水庫對阿穆爾河（黑龍江）干流冰水情的影響，同時對阿穆爾河（黑龍江）干流下游及主要支流的冰情特征進行了研究，包括冰情基本特征分析、水工建筑物對冰層變化的影響，同時收集了冰層中陸源物質的分布，這些陸源物質將隨著春季開河流凌被運輸到鄂霍茨克海河口。Makhinov A N［63-65］等對阿穆爾河（黑龍江）下游冰和冰蓋對河道的侵蝕作用的機理及分布特征進行了分析，以及冰蓋在不同河段中的特征分析以及在不同河段中的冰蓋結構變化等內容，為阿穆爾河（黑龍江）下游冬季航運及冰剝蝕河岸等分析提供了科學依據。

3.3 景觀用冰及冰上交通

冰雪景觀可以為寒區城市帶來一定的冰雪旅游效益，但取自天然江河的景觀用冰會對河流的冰情產生一定的影響。李暢［66］通過對哈爾濱市街區環境及設施的初步調查，探討冰雪景觀與城市街道間的關聯程度，提出哈爾濱城市街道冰雪景觀設計的理論基礎。戴長雷等［67］以哈爾濱市2017年景觀用冰采冰、運冰、取冰等資料對取冰影響因素進行分析，分析表明哈爾濱景觀用冰量很大，采冰使用率低，冰源豐富且運輸便利。據黑龍江省人民政府網站公布，黑龍江省沿中俄界江黑龍江干流和烏蘇里江，開設有11 對中俄水運口岸，冬季冰上運輸方式呈現多樣性，包括摩托艇、氣墊船、輪式客貨車輛等多種現代化交通運輸工具，甚至搭建浮箱固冰通道，以滿足荷載較大的貨運需求［68］。胡京招［69］對ANSYS 有限元數值模擬方法在冰上運輸工程中的使用來發展進行了探討，得出數值模擬應用于冰上運輸工程的結論。朱萬清［70］對黑龍江封凍期冰厚增層規律進行預測分析，并通過摘錄解放軍總參工程兵及有關工程單位資料，總結出氣溫低于10 ℃時冰蓋上單點集中荷載極限值。程培峰［71］等人基于Winkler 模型分析了冰層承載能力，根據計算結果，在冰層發育的不同時期進行承載力試驗，分別驗證了人群、雪地摩托以及輕型卡車荷載作用下冰層的安全厚度。

4 結論與展望

通過整理黑龍江流域國內外冰凌相關的研究資料，從理論研究、現象規律、應用研究3 個方面梳理了黑龍江流域中、俄兩國科研學者對黑龍江流域冰凌的研究成果，總結出3條結論。

（1）國內針對寒區冰科學開設的教學課程相對不足，需注重培養更多冰凍圈科學的相關人才，開設相關課程；黑龍江流域冰壩凌汛科研工作者較少，局限于北方的少部分高校、科研院所及各級水利部門。受氣溫等因素影響，河流中水與冰之間進行的熱量交換條件及過程是形成冰凌的核心科學問題。

（2）黑龍江流域自2000年以后，松花江及烏蘇里江冰壩凌汛僅發生1～2次，黑龍江干流冰壩凌汛發生頻率基本不變；冰壩凌汛發生主要從熱力因素、動力因素和河道特征3 個方面進行分析，降水量、河槽蓄水量、開江期溫度變化是冰壩形成的重要原因。

（3）冰情預報主要以經驗公式計算、數學模型分析、影響因素相關性分析以及氣象和冰力學分析等方式；冰凌災害防治主要以冰情預報、冰凌爆破、防冰護岸等手段，同時缺少流域大尺度聯防調度、有效的破冰方式也是黑龍江防凌減災的難點，還需從河流地學特征角度完善江河治理的策略和方案。

隨著現代觀測技術的發展，以及遙測遙感技術的應用，河流冰情監測方法和手段都將大幅度改變，冰凌監測技術將向連續、自動化和無人值守方向發展。冰凌災害的識別技術的進步，例如流冰體的識別，橋墩等阻冰建筑冰壓力傳感器的發展，以及冰壩災害中冰壩體的識別等都將在現代監測技術發展下變得容易實現，并提高識別精度和準確度。大數據和人工智能技術的發展，將推動冰凌預報技術的發展，多線程和專家預報評判系統會逐步得到推廣。尤其是水文和氣象的雙耦合預報模型的發展將推動冰凌預報技術的發展，并進一步提高預報精度，延長預見期。