黃河內(nèi)蒙古段冰情分析

黃河內(nèi)蒙古段冰情分析

1萬(wàn)家使用的流冰黃河內(nèi)蒙古段受蘭山、呂梁山、陰山等山脈的分布和主要構(gòu)造線(xiàn)的控制，黃河內(nèi)蒙古段呈“ii”型大曲線(xiàn)，從西南向東北進(jìn)入內(nèi)蒙古。黃河內(nèi)蒙古段形成了一條自上而下的河，并打開(kāi)了一條自上而下的河。據(jù)統(tǒng)計(jì),黃河內(nèi)蒙古段在劉家峽水庫(kù)投入運(yùn)行(1986年)前,平均每年結(jié)冰壩13.6次。劉家峽水庫(kù)投入運(yùn)行后,平均每年結(jié)冰壩1.83次。黃河內(nèi)蒙古段防汛的重點(diǎn)是防凌汛,因?yàn)榱柩丛斐蔀?zāi)害較大。另外,凌汛發(fā)生較頻繁,隨機(jī)性大,不易控制,造成黃河內(nèi)蒙古段的防凌負(fù)擔(dān)十分沉重。萬(wàn)家寨水利樞紐位于拐上至龍口這一峽谷地段內(nèi)。由于此河段比降較大,水流湍急,冬季一般不完全封凍,據(jù)調(diào)查,只有個(gè)別年份出現(xiàn)過(guò)冰橋。頭道拐、河曲、義門(mén)3個(gè)站均有不完整的冰情觀測(cè)資料。萬(wàn)家寨壩址處1987～1988年只觀測(cè)過(guò)1年冰情。分析萬(wàn)家寨的冰情現(xiàn)狀只能通過(guò)上下游觀測(cè)站對(duì)比及參照萬(wàn)家寨的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行,以頭道拐及河曲水文站的冰情特征分析如下:萬(wàn)家寨冬季一般不完全結(jié)冰,整個(gè)冬季都在流冰。在通常情況下,此段的流冰初、終時(shí)間應(yīng)高于頭道拐和河曲之間,據(jù)統(tǒng)計(jì)資料,萬(wàn)家寨的流冰初、終日期應(yīng)在11月6日～12月1日之間,多年平均為11月17日;流冰的終止日期在3月21日～4月10日之間,多年平均在3月30日。據(jù)河曲站幾年的觀測(cè)資料,最大流冰塊尺寸為200m2×120m2,以此值作為萬(wàn)家寨現(xiàn)狀流冰塊的估計(jì)值。1988年觀測(cè)到萬(wàn)家寨最大岸冰厚1.30m,頭道拐站開(kāi)河時(shí)冰厚與最大冰厚的比值在0.22～0.83之間,平均值為0.57,河曲站開(kāi)河時(shí)冰厚與最大冰厚的比值在0.36～0.83之間,平均值為0.59。借用上述2站換算比值,計(jì)算出萬(wàn)家寨處開(kāi)河時(shí)冰塊的最大厚度為1.10m。頭道拐站只有1964年有觀測(cè)資料,1964年春,頭道拐站的流冰總量為13.1×106m3,義門(mén)站的流冰總量為44.6×106m3,從頭道拐到義門(mén)站,流冰量增加了31.5×106m3,假定其沿程變化是均勻的,萬(wàn)家寨總冰量占河曲站總冰量的80.4%,拐上斷面的流水量占河曲總冰量的52.7%。河曲站有1978～1985年共8年流冰量觀測(cè)資料,最大年流冰總量為90.7×106m3,那么萬(wàn)家寨斷面的流冰總量約為72.9×106m3,萬(wàn)家寨水庫(kù)回水末端拐上斷面的流冰總量約為50.0×106m3。根據(jù)規(guī)范,萬(wàn)家寨入庫(kù)冰流量應(yīng)增加20%的安全值,即萬(wàn)家寨入庫(kù)總冰量為60.0×106m3。2水庫(kù)的封凍時(shí)間水庫(kù)運(yùn)行后,回水至拐上。在冬季流凌期內(nèi),上游河段流下的冰花被萬(wàn)家寨水庫(kù)攔蓄。由于庫(kù)區(qū)內(nèi)流速較小,這些冰花和庫(kù)內(nèi)產(chǎn)生的冰花浮在水面,導(dǎo)致了短時(shí)間內(nèi)逆流而上的封凍,封河日期較原來(lái)大為提前,流冰期縮短。據(jù)天橋電站資料,建庫(kù)前多年平均流凌期為39d,建庫(kù)后僅為29d。另外,在沒(méi)有人為干預(yù)的情況下,庫(kù)面冰的消冰時(shí)間可能較原來(lái)天然情況推后,水庫(kù)蓋面冰的解體時(shí)間要較天然河道的開(kāi)河時(shí)間推后些,據(jù)文獻(xiàn),大中型水庫(kù)的滯后日期約為15d左右。結(jié)冰的臨界佛汝德數(shù)為0.08,封凍邊緣距拐上約10km。綜上所述,水庫(kù)運(yùn)行后,庫(kù)區(qū)段將由原來(lái)的不安全封凍變?yōu)榘踩鈨?封河日期要較天然河道提前,流凌天數(shù)要減少,開(kāi)河時(shí)庫(kù)面冰的自然解體時(shí)間較天然河道要推后半個(gè)月左右。3橋冰塞形成條件冰塞是由大量冰花或碎冰在冰蓋下積聚而形成,其發(fā)生時(shí)間不僅在封河期,有些發(fā)生在穩(wěn)定封凍期(如天橋1981～1982年冰塞),甚至開(kāi)河期。形成冰塞必須具備3個(gè)條件:①物質(zhì)條件:必須有足夠數(shù)量的冰化或碎冰;②邊界條件:阻止冰花通過(guò);③動(dòng)力條件:水流流速達(dá)到某個(gè)范圍,即封凍邊緣的流速必須大于冰花的下潛流速V01,冰花才能下潛,在冰蓋下當(dāng)流速小于V02時(shí),冰花才發(fā)生堆積,造成冰塞。(1)冰花量對(duì)冰塞的影響一般年份,上游大部分河段完全封凍,冰蓋阻止了水體與大氣的熱量交換,很少產(chǎn)生冰花,不易產(chǎn)生嚴(yán)重冰塞。但有些年份,如1981～1982年度,天橋電站發(fā)生了嚴(yán)重冰塞,主要原因就是氣溫出現(xiàn)異常造成的。1981年11月5日第1次降溫,較常年旱而劇烈,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。而后來(lái),氣溫大幅度回升,上游大部分河段凍而復(fù)融。由于冬季氣溫較以往高,河道基流量較常年大,使包頭鐙口至龍口河面敞露1/3,敞露河段約130～180m。這樣在2個(gè)多月內(nèi)產(chǎn)生的大量冰花源源不斷地往下游輸送,為天橋電站1982年冰塞提供了物質(zhì)條件。1982年1月下旬,冰塞形成,娘娘灘水位上漲,直到3月初,冰塞才基本消失。河曲站1981～1982年的流冰總量為52.6×106m3,到1月底累計(jì)總冰量為22.3×106m3。因此可以認(rèn)為,當(dāng)冰花量超過(guò)22.3×106m3時(shí)就可能產(chǎn)生冰塞。萬(wàn)家寨水庫(kù)入庫(kù)冰量大于22.3×106m3。因此可以認(rèn)為,當(dāng)冰花量超過(guò)22.3×106m3時(shí)就可能產(chǎn)生冰塞。萬(wàn)家寨水庫(kù)入庫(kù)冰量大于22.3×106m3的年份共有5年,所以有62%的年份具備提供大量冰花的能力。從頭道拐統(tǒng)計(jì)資料看,在劉家峽水庫(kù)投入運(yùn)行后的23年中有9年未封凍,類(lèi)似與1981～1982年天橋發(fā)生嚴(yán)重冰塞時(shí)內(nèi)蒙古段的封凍情況。以此推算,約有37%的年份具備提供大量冰花的能力,所以每2～3年中就有1年具備提供大量冰花的能力。(2)庫(kù)水位下降情況庫(kù)區(qū)封凍后為水庫(kù)未端產(chǎn)生冰塞提供一個(gè)重要的邊界條件。水庫(kù)的冰期調(diào)度過(guò)程是:冬季流凌開(kāi)始,庫(kù)水位在975m,穩(wěn)定封凍期后庫(kù)水位提高到977m,春季開(kāi)河時(shí)將庫(kù)水位降到970m防凌。這里需要特別指出的是:穩(wěn)定封凍后將庫(kù)水位從975m提到977m,可能會(huì)出現(xiàn)冰上結(jié)冰的現(xiàn)象,增大了冰蓋的強(qiáng)度。(3)冰蓋花才能堆積形成冰塞的動(dòng)力是:封凍邊緣流速大于V01時(shí),冰花才能下潛,冰下流速小于V02時(shí),冰花才能在冰蓋下堆積。據(jù)國(guó)內(nèi)外的觀測(cè)研究,V01在0.6～0.7m/s之間,V02在0.3～0.4m/s之間。1981～1982年天橋冰塞特征值表明其封凍頭部在北園,流速為0.28m/s<V02,接近0.60m/s,具備冰花下潛條件,易發(fā)生冰塞。(4)冰塞形成的原因及條件通過(guò)上述分析看出,水庫(kù)運(yùn)行后幾乎年年具備形成冰塞的邊界條件及動(dòng)力條件,形成冰塞與否,取決于物質(zhì)條件及冰量的多少。如前所述,每2～3年中就有1年具備提供大量冰花的能力。也就是,每2～3年中就有1年可能發(fā)生嚴(yán)重冰塞。4加大水庫(kù)管理部門(mén)對(duì)水庫(kù)區(qū)域的科學(xué)調(diào)度(1)水庫(kù)回水未端產(chǎn)生冰塞等特殊冰情的幾率較水庫(kù)運(yùn)行前大大增加了,這樣