黄河宁蒙河段冰期洪水的形成、危害与防治策略研究

黄河宁蒙河段冰期洪水的形成、危害与防治策略研究一、引言1.1研究背景与意义黄河作为中华民族的母亲河，其宁蒙河段在整个黄河流域中占据着极为重要的地理位置。宁蒙河段自宁夏中卫市南长滩至内蒙古准格尔旗马栅乡，全长1203.8km，该区域是连接西北内陆与华北地区的重要纽带，也是国家“一带一路”倡议中的关键节点。然而，由于其独特的地理位置与气候条件，黄河宁蒙河段每年凌汛期（当年11月至次年3月）都会发生不同程度的凌情。从地理位置上看，宁蒙河段处于黄河流域最北端，冬季寒冷而干燥，日平均气温处于零下的时间可持续4-5个月，最低气温低至-35℃，这为河流结冰提供了充足的低温条件。同时，该河段水流流向为由低纬度流向高纬度，冬季上暖下寒，封河自下而上；翌年春季气温南高北低，开河自上而下，这种特殊的流向和气温分布使得冰凌的形成与发展过程极为复杂。当冰凌严重堵塞河道，就会造成水位大幅度地抬高，进而引发漫滩或决堤，给黄河滩区和两岸人民群众的生命财产安全带来巨大威胁和损失。据历史资料不完全统计，1950-1968年（刘家峡水库运用前）宁夏河段开河结坝年份有12a，结坝21处，平均3a中有2a结坝，内蒙古河段几乎年年结坝；1986年以来黄河内蒙古河段发生多次凌汛决口，如1993-1994年度封河期，三盛公枢纽闸下3-5km处堤防决口，淹没土地80km²，其中耕地0.4万hm²，0.95万人受灾，直接经济损失4000万元；2008年3月，黄河内蒙古杭锦旗独贵塔拉奎素段发生凌汛决口，受灾面积106km²，受灾群众10241人，直接经济损失6.9亿元。除了对人民生命财产安全构成威胁外，黄河宁蒙河段冰期洪水还对区域生态环境产生深远影响。冰期洪水可能导致河道形态改变，影响河流的自然生态系统，破坏水生生物的栖息地，进而影响整个流域的生态平衡。同时，洪水漫溢可能引发土壤盐碱化等问题，对周边的农业生产和植被生长造成不利影响。随着黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家战略，黄河宁蒙河段的治理与开发受到了前所未有的关注。研究黄河宁蒙河段冰期洪水，对于保障区域人民生命财产安全、维护生态平衡、促进黄河流域可持续发展具有不可估量的重要意义。通过深入研究冰期洪水的形成机制、演变规律以及影响因素，能够为防凌减灾工作提供科学依据，从而有效降低凌汛灾害带来的损失。同时，准确把握冰期洪水的特征，也有助于优化水资源配置，实现水资源的合理利用，推动区域经济社会的可持续发展，为黄河流域生态保护和高质量发展战略目标的实现提供坚实支撑。1.2国内外研究现状黄河宁蒙河段冰期洪水研究在国内外均受到广泛关注，众多学者从形成机制、危害评估、防治措施等多个方面展开深入探索，取得了一系列重要成果，同时也存在一些有待完善的领域。在形成机制研究方面，国外对于寒冷地区河流冰期洪水的研究起步较早，积累了丰富的理论和实践经验。如加拿大在对RedRiver等河流的研究中，深入探讨了气温变化、河道形态以及水流条件对冰凌形成和洪水演进的影响，提出了基于能量平衡原理的冰情演变模型，能够较为准确地模拟冰盖的形成、发展和消融过程。在欧洲，对多瑙河等河流的研究则侧重于分析河道边界条件和水动力因素在冰期洪水形成中的作用，通过物理模型试验和数值模拟，揭示了冰凌堆积、冰坝形成与河道地形、水流流速之间的内在联系。国内学者针对黄河宁蒙河段的特殊地理和气候条件，也进行了大量针对性研究。马莅茗等通过梳理1989年以来宁蒙河段典型凌灾情况，指出造成冰凌灾害的严重凌情多受剧烈天气过程、河道流量变化、复杂河道条件等因素影响，其中气温的年际变化和空间分布对凌汛产生及演变起着关键作用，年际上的持续升温导致流凌封河时间推迟、开河时间提前，空间上的南高北低分布使得封河自下而上、开河自上而下，易引发冰塞和冰坝灾害。范小黎等采用Pettitt法和里海哈林法（Lee-Heghinian）检验宁蒙河段流量年际变化中的突变现象，将年径流过程划分为三个阶段（1969年前、1969-1986年、1986年以后），分析得出人类活动（水库修建、灌溉引水）是造成宁蒙河段洪水年内、年际变化的主要原因，气候变化在一定程度上减少了来水量，支流对水量变化影响微弱。在危害评估方面，国外多运用风险评估模型对冰期洪水可能造成的经济损失、人员伤亡以及生态环境破坏等进行量化评估。例如，美国在对密西西比河部分寒冷河段的研究中，建立了包含洪水淹没范围、水深、流速以及资产分布等多因素的风险评估模型，能够较为准确地预测冰期洪水可能带来的直接和间接经济损失。国内在黄河宁蒙河段危害评估方面，主要通过统计历史凌灾数据来分析灾害损失情况。据不完全统计，20世纪50年代以来宁蒙河段共发生较大凌汛灾害95次，平均每年1.4次，不同时期灾害损失程度不同，1950-1968年（刘家峡水库运行前）平均每年凌灾直接经济损失15.12万元；1969-1986年（龙羊峡水库运行前）平均每年凌灾直接经济损失1182万元；1987-2008年平均每年凌灾直接经济损失8546万元。此外，国内研究还关注凌灾对区域生态环境的影响，如冰期洪水导致河道形态改变，破坏水生生物栖息地，引发土壤盐碱化等问题，但在生态影响的量化评估方面还存在不足。在防治措施研究方面，国外采用了多种工程和非工程措施相结合的方式。工程措施包括修建分凌蓄洪区、改进河道整治工程等，如俄罗斯在伏尔加河等河流上修建分凌区，有效减轻了冰期洪水的威胁；非工程措施主要有完善的冰情监测预警系统、科学的水库调度方案等，通过实时监测冰情变化，合理调控水库泄流，保障河道安全。国内在黄河宁蒙河段防凌减灾方面，采取了水库调度、破冰爆破、堤防加固等措施。刘家峡水库等通过合理控制凌汛期下泄流量，减轻了宁蒙河段的凌汛压力；在险情发生时，协调空军部队进行轰炸破冰，保障河道畅通；同时，不断加固堤防，提高防洪能力。然而，目前水库群联合调度的优化方案仍有待进一步研究，以更好地适应复杂多变的凌情；在利用新技术（如卫星遥感、大数据分析等）提升冰情监测和预警精度方面，也还有较大的发展空间。总体而言，国内外在黄河宁蒙河段冰期洪水研究方面已取得显著成果，但仍存在一些不足。在形成机制研究中，对于多因素耦合作用下的冰凌生消和洪水演进过程，尤其是气候变化与人类活动双重影响下的复杂机制，还需进一步深入探索；危害评估方面，生态环境影响的量化评估体系尚不完善；防治措施上，水库群联合调度优化和新技术应用等方面还有待加强，以更有效地应对黄河宁蒙河段冰期洪水带来的挑战。1.3研究内容与方法本研究旨在全面深入地剖析黄河宁蒙河段冰期洪水，从形成机制、危害评估到防治措施进行系统性探究，采用多种科学方法确保研究的科学性与全面性。研究内容方面，将深入分析黄河宁蒙河段冰期洪水的形成机制。通过收集和整理该河段多年的气温、水温、流量、河道地形等数据，结合历史冰期洪水资料，运用统计学方法和数值模拟技术，探究热力条件（如气温变化、太阳辐射等）、水动力条件（水流速度、流量变化等）以及河道边界条件（河道形态、河床糙率等）在冰期洪水形成过程中的作用机制。分析冰凌的生成、发展、堆积以及冰坝形成的过程和影响因素，明确各因素之间的相互关系，揭示冰期洪水的形成机理。对黄河宁蒙河段冰期洪水的危害进行评估也是重要研究内容。基于历史凌灾数据，运用地理信息系统（GIS）技术，分析冰期洪水的淹没范围、水深分布以及对不同土地利用类型（如耕地、居民区、生态用地等）的影响。从经济损失、生态破坏、社会影响等多个维度，构建冰期洪水危害评估指标体系，采用层次分析法（AHP）等方法确定各指标权重，对冰期洪水危害进行量化评估。评估冰期洪水对水利设施（如堤防、桥梁、水库等）的破坏程度，以及对区域水资源、水环境和生态系统的长期影响。研究还会提出黄河宁蒙河段冰期洪水的防治措施。结合形成机制和危害评估结果，从工程措施和非工程措施两个方面入手。工程措施包括优化水库调度方案，研究刘家峡、龙羊峡等水库在凌汛期的联合调度策略，通过合理控制水库下泄流量，减轻宁蒙河段的凌汛压力；探讨河道整治工程的优化方案，如拓宽河道、加深河槽、清除河道障碍物等，提高河道的行洪能力；研究分凌蓄洪区的合理布局和运用方式，在凌汛发生时有效分蓄洪水，降低洪水风险。非工程措施包括加强冰情监测与预警系统建设，利用卫星遥感、无人机监测、地面传感器等技术手段，实现对冰情的实时动态监测，提高冰期洪水预警的准确性和时效性；制定完善的防凌应急预案，明确各部门在凌汛灾害应对中的职责和任务，加强防凌演练，提高应急处置能力；开展防凌减灾宣传教育，提高沿岸居民的防凌意识和自我保护能力。在研究方法上，采用文献研究法。广泛查阅国内外关于黄河宁蒙河段冰期洪水以及其他寒冷地区河流冰期洪水的相关文献资料，包括学术论文、研究报告、工程案例等。梳理前人在冰期洪水形成机制、危害评估、防治措施等方面的研究成果和研究方法，了解研究现状和发展趋势，为本研究提供理论基础和研究思路。实地调研法也将被运用到此次研究中。在凌汛期对黄河宁蒙河段进行实地考察，观察冰凌的形态、分布以及冰期洪水的实际情况。与当地水利部门、防汛指挥机构等进行交流，了解防凌工作的实际操作和面临的问题。收集河道地形、水文观测数据等第一手资料，为后续的分析和研究提供数据支持。利用数据分析方法对收集到的气温、水温、流量、水位等水文气象数据，以及历史凌灾损失数据进行统计分析。运用数理统计方法，分析数据的变化趋势、周期性以及各因素之间的相关性。通过建立数学模型，如多元线性回归模型、时间序列模型等，对冰期洪水的流量、水位等要素进行预测和模拟，为冰期洪水的研究和防治提供科学依据。本研究综合运用多种研究方法，从多个角度对黄河宁蒙河段冰期洪水进行深入研究，以期为黄河宁蒙河段的防凌减灾工作提供科学、有效的理论支持和实践指导，保障区域人民生命财产安全和生态环境稳定。二、黄河宁蒙河段概况2.1地理位置与流域范围黄河宁蒙河段是黄河流域中极为特殊且关键的一段，其地理位置独特，流域范围涵盖了宁夏和内蒙古的部分地区。该河段起于宁夏中卫市南长滩，止于内蒙古准格尔旗马栅乡，全长1203.8km，犹如一条蜿蜒的巨龙，贯穿于西北内陆地区。从地理位置上看，宁蒙河段处于黄河流域的最北端，大致介于东经104°17′-111°20′，北纬36°10′-40°50′之间。宁夏部分河段从南长滩入境，流经中卫、吴忠、银川、石嘴山等市，这一区域是宁夏人口、城市和经济的核心地带，黄河水的滋养使得这里成为“塞上江南”，孕育了丰富的灌溉农业和灿烂的黄河文化。在内蒙古境内，河段流经乌海、巴彦淖尔、包头、呼和浩特、鄂尔多斯等市，是内蒙古重要的工农业生产和人口聚居区域。该区域不仅是连接西北内陆与华北地区的交通要道，也是我国重要的能源基地和农牧业产区，黄河宁蒙河段为这些地区的发展提供了不可或缺的水资源支撑。从流域范围来看，宁蒙河段流域面积广阔，涉及宁夏回族自治区和内蒙古自治区的多个旗县。其流域地形地貌复杂多样，包括了宁夏平原、河套平原等冲积平原，以及贺兰山、阴山等山脉。宁夏平原地势平坦，土壤肥沃，引黄灌溉历史悠久，是我国重要的商品粮基地之一。河套平原同样得益于黄河水的灌溉，农业发达，素有“塞外米粮川”之称。而贺兰山和阴山则对宁蒙河段的气候和水文条件产生了重要影响，它们阻挡了北方冷空气的南下和风沙的侵袭，使得该区域的气候相对较为温和，同时也影响了降水的分布和河流的走向。黄河宁蒙河段在黄河流域中占据着举足轻重的位置。它是黄河上游向中游过渡的关键区域，其水文特征、河道演变等对整个黄河流域的水沙平衡、生态环境和防洪安全都有着深远的影响。宁蒙河段的水量变化不仅关系到自身流域内的水资源利用和经济社会发展，还会对黄河下游的水量分配和生态环境产生连锁反应。同时，该河段也是黄河流域生态保护的重点区域，其生态环境的好坏直接影响到整个黄河流域的生态平衡。近年来，随着气候变化和人类活动的加剧，黄河宁蒙河段面临着水资源短缺、水土流失、水污染等一系列问题，因此，加强对该河段的研究和治理，对于维护黄河流域的生态安全和可持续发展具有至关重要的意义。2.2气候与水文特征黄河宁蒙河段的气候与水文特征复杂且独特，这些特征对冰期洪水的形成和发展有着至关重要的影响。宁蒙河段属于温带大陆性季风气候，冬季漫长而寒冷，夏季短促且炎热，年温差和日温差均较大。冬季受蒙古高压控制，冷空气频繁南下，使得该区域气温急剧下降，日平均气温在0℃以下的时间可持续4-5个月。据统计，宁夏石嘴山地区多年平均气温为8.4℃，冬季（12月-次年2月）平均气温低至-7.3℃；内蒙古包头地区多年平均气温为7.2℃，冬季平均气温约为-10.5℃。在空间分布上，气温呈现出自南向北逐渐降低的趋势，这与该河段自低纬度流向高纬度的走向密切相关，也为凌汛的发生创造了条件。该区域降水稀少，且时空分布不均。年降水量多在150-400mm之间，主要集中在夏季（6-8月），约占全年降水量的60%-80%。冬季降水稀少，多以降雪形式出现，降雪量一般在5-20mm之间。这种降水分布特点导致冬季河流的补给主要依赖于上游来水，而夏季降水的集中可能引发暴雨洪水，与冰期洪水在时间和成因上形成互补，增加了该河段水文情势的复杂性。黄河宁蒙河段的径流量主要来自上游的兰州以上流域。多年平均径流量为300-400亿m³，但径流量的年际变化较大，丰水年与枯水年的径流量可相差数倍。在年内分配上，径流量也存在明显的季节性差异。春季（3-5月）由于上游冰雪融化，径流量有所增加，形成春汛；夏季（6-8月）受降水影响，径流量进一步增大；秋季（9-11月）径流量逐渐减少；冬季（12月-次年2月）气温降低，河流封冻，径流量减小，部分河段甚至出现断流现象。如石嘴山站多年平均径流量为320亿m³，其中1月径流量最小，仅为15-20亿m³，而7、8月径流量较大，可达50-60亿m³。水位变化与径流量密切相关，同时也受到河道地形、冰凌等因素的影响。在封河期，随着冰凌的堆积，河道过水断面减小，水位会逐渐抬高；开河期，冰凌融化，河道内水量迅速增加，若遇到冰坝阻塞，水位会急剧上升，形成冰期洪水。据观测，宁蒙河段封河期水位一般会抬高0.5-1.5m，而在严重凌汛年份，开河期水位涨幅可达2-3m。该河段流速在不同季节和河段存在差异。在非冰期，流速一般在0.5-1.5m/s之间，而在峡谷段和洪水期，流速可增大至2-3m/s。在冰期，由于冰凌的存在，水流阻力增大，流速减小，一般在0.2-0.5m/s之间。流速的变化不仅影响冰凌的运动和堆积，还对冰期洪水的演进速度和传播距离产生重要影响。当流速较小时，冰凌容易堆积形成冰坝，阻碍水流，导致水位上升；而流速较大时，冰凌可能被水流携带向下游移动，增加下游河段的凌汛压力。2.3河道形态与地形地貌黄河宁蒙河段的河道形态与地形地貌复杂多样，对冰期洪水的产生、发展和演进有着深刻影响。宁蒙河段河道蜿蜒曲折，弯曲系数较大。在宁夏段，河道从南长滩入境后，流经多个弯道，如中卫市境内的沙坡头弯道，河道在此处弯曲度较大，水流速度减缓，导致冰凌容易在此堆积。据测量，该弯道的弯曲系数达到1.5以上，相比顺直河道，冰凌堆积的概率大大增加。在内蒙古段，河道更是曲折多变，特别是在三湖河口至头道拐河段，处于黄河“几”字弯处，河道弯曲系数可达2-3。这种弯曲的河道形态使得水流在流动过程中受到离心力的作用，容易形成横向环流，促使冰凌向凹岸聚集，增加了冰塞和冰坝形成的风险。当冰凌在弯道处大量堆积，堵塞河道时，就会导致水位迅速抬高，引发冰期洪水。该河段宽窄变化显著。宁夏平原段河道相对较窄，平均宽度在300-500m之间，如石嘴山附近的河道，河宽较窄，水流流速相对较大。而进入内蒙古河套平原后，河道逐渐展宽，部分河段河面宽度可达1-2km，如磴口至三盛公河段，由于处于三盛公库区，水面宽400-1500m。河道宽窄的变化对冰期洪水有着重要影响。在窄河段，冰凌容易聚集，形成冰塞，阻碍水流，导致水位上升；而在宽河段，冰凌的堆积相对分散，但如果遇到特殊情况，如风力作用或水流突然变化，也可能导致冰凌集中，形成冰坝，引发洪水。此外，河道宽窄变化还会影响水流的流速和流量分布，进而影响冰凌的运动和堆积情况。河床组成也不尽相同，宁夏段河床多为沙质，颗粒相对较细，抗冲刷能力较弱。在水流和冰凌的作用下，河床容易发生冲淤变化，这不仅会改变河道的形态，还会影响水流的流态和冰凌的运动轨迹。例如，在洪水期，水流速度较大，可能会冲刷河床，使河床加深；而在枯水期，水流速度减小，泥沙容易淤积，导致河床抬高。内蒙古段河床则相对复杂，除了沙质外，还含有砾石、黏土等物质，在一些河段，河床还存在基岩出露的情况。不同的河床组成对冰凌的堆积和冰期洪水的影响也有所不同。沙质河床容易使冰凌嵌入其中，增加冰凌的稳定性，从而促进冰塞和冰坝的形成；而基岩河床则相对较为坚硬，冰凌不易堆积，但可能会在基岩附近形成较大的流速和冲击力，对河道岸坡和水工建筑物造成破坏。周边的地形地貌同样对冰期洪水产生重要影响。宁蒙河段北部有阴山山脉，南部有贺兰山等山脉。这些山脉对冷空气的阻挡和引导作用明显，使得该区域的气温分布更加复杂。冬季，冷空气南下时，受到山脉的阻挡，在山脉迎风坡一侧，气温急剧下降，河流更容易结冰，且冰情更为严重。例如，贺兰山阻挡了来自西北方向的冷空气，使得宁夏平原在冷空气影响下，气温迅速降低，黄河宁夏段的封河时间相对较早，冰期持续时间较长。同时，山脉的存在还会影响降水的分布，在山区，地形雨相对较多，而在平原地区，降水相对较少。这种降水分布差异会导致河流的来水量在空间上存在差异，进而影响冰期洪水的形成和发展。宁蒙河段所在的宁夏平原和河套平原地势平坦，坡度较小，河道比降一般在0.1‰-0.3‰之间。这种平坦的地形使得水流流速缓慢，冰凌在河道内的运动速度也较慢，容易发生堆积。当冰凌堆积到一定程度，就会形成冰塞或冰坝，抬高水位，引发冰期洪水。而且，地势平坦的地区，洪水的淹没范围较大，一旦发生冰期洪水，对周边地区的危害也更为严重。例如，在历史上的一些冰期洪水事件中，河套平原地区因地势平坦，洪水漫溢范围广，导致大量农田被淹没，房屋受损，给当地人民的生产生活带来了巨大损失。三、冰期洪水形成机制3.1热力条件影响3.1.1气温变化对凌汛的作用气温作为凌汛形成的关键热力因素，其年际和季节变化对黄河宁蒙河段的流凌、封河、开河时间以及冰量、冰厚有着极为显著的影响。从年际变化来看，20世纪80年代中期以后，黄河宁蒙河段凌汛期气温呈明显上升趋势。据相关研究，包头站1956-2013年增温速率约为0.6℃/10a。这种持续升温导致流凌封河时间推迟，开河时间提前。例如，在20世纪90年代之前，宁蒙河段流凌时间通常在11月上旬，封河时间多在11月下旬；而90年代之后，流凌时间推迟到11月中旬左右，封河时间推迟至12月上旬。开河时间也由原来的3月下旬提前到3月中旬。以1998-1999年度和2008-2009年度为例，1998-1999年度凌汛期，该区域平均气温较常年偏高1-2℃，流凌时间比常年推迟了约10天，封河时间推迟了15天左右；开河时间则提前了约7天。2008-2009年度，平均气温同样偏高，流凌和封河时间分别推迟了8天和12天，开河时间提前了5天。气温的季节变化同样深刻影响着凌汛过程。在冬季，随着气温逐渐降低，河水开始失热，当水温降至0℃以下时，冰晶开始形成，进而发展为流凌。当气温持续下降，冰凌逐渐增多、聚集，最终导致河道封冻。封冻期内，气温越低，冰盖越厚，河道封冻长度也越长。据观测，在封冻期平均气温为-10℃的年份，冰盖厚度可达0.5-0.8m；而在平均气温为-15℃的年份，冰盖厚度可增至0.8-1.2m。在2000-2001年度封冻期，平均气温较低，冰盖厚度普遍超过1m，封冻长度也比常年增加了约50km。春季开河期，气温回升速度对凌汛影响重大。若气温回升快，河道槽蓄水增量集中释放，容易形成较大凌汛洪水。2010年3月，宁蒙河段开河期气温迅速回升，日平均气温升高幅度达到3-5℃，导致河道槽蓄水增量大量释放，形成了较大的凌汛洪水，部分河段水位涨幅超过2m，给沿岸地区带来了严重的洪水威胁。相反，若气温回升缓慢，开河过程相对平稳，凌汛洪水的威胁也会相应减小。如2015年开河期，气温回升较为缓慢，日平均气温升高幅度在1-2℃之间，凌汛洪水的规模和影响范围明显小于2010年。气温在空间上的分布也对凌汛产生重要影响。宁蒙河段冬季气温自上游向下游逐渐降低，这种空间分布特征是导致凌情灾害频发的重要原因之一。由于下游气温较低，封河往往自下游向上游发展，容易在封河处形成冰塞，壅高水位。当上游来水遇到冰塞阻挡时，水流不畅，水位进一步抬高，可能导致漫滩甚至决堤。在开河期，由于上游气温较高，先解冻开河，而下游仍处于封冻状态，上游的冰水汇集向下游，极易在弯曲、狭窄河段卡冰结坝，形成冰坝灾害，导致水位急剧上升，引发严重的凌汛灾害。3.1.2水温与太阳辐射的关联水温在黄河宁蒙河段冰凌形成和融化过程中扮演着关键角色，而太阳辐射通过对气温和水温的影响，间接作用于冰期洪水的形成与发展。水温是冰凌生成和消融的直接因素。当水温降至0℃及以下时，水分子运动速度减小，冰晶开始形成，随着水温持续降低，冰晶不断增多并相互粘结，逐渐形成冰凌。在封河期，水温较低且稳定，冰凌不断生长和堆积，最终形成冰盖。而在开河期，水温升高，冰盖开始融化，冰凌逐渐减少。据观测，在宁蒙河段封河初期，水温一般在-1℃-0℃之间，随着封冻期的推进，水温可降至-2℃--3℃。在2005-2006年度封河期，石嘴山段水温在12月中旬降至-1℃，冰凌开始大量出现，12月下旬水温降至-2.5℃，河道迅速封冻。在开河期，当水温升高到0℃以上时，冰盖开始融化，2012年3月，巴彦高勒段水温回升至0.5℃，冰盖开始脱边、滑动，开河进程启动。太阳辐射是影响气温和水温的重要外部能量来源。太阳辐射强度的变化直接影响地表的热量收支，进而影响气温和水温。在冬季，太阳高度角较小，太阳辐射强度较弱，地表接收的太阳辐射能量减少，气温和水温随之降低，有利于冰凌的形成和河道的封冻。而在春季，太阳高度角逐渐增大，太阳辐射强度增强，地表接收的太阳辐射能量增多，气温和水温升高，促使冰凌融化和开河。研究表明，太阳辐射强度每增加10%，气温可升高1-2℃，水温也会相应升高0.5-1℃。在2008年春季，由于太阳辐射强度较常年同期增加了约15%，宁蒙河段气温和水温升高明显，开河时间较常年提前了约10天。太阳辐射还通过影响河流水体的热量分布，间接影响冰凌的运动和堆积。在白天，太阳辐射使河面表层水体吸收热量，水温升高，而底层水体由于热量交换相对较慢，水温较低，形成水温的垂直梯度。这种水温梯度会影响水流的流态，使得表层水流速度相对较大，底层水流速度相对较小。冰凌在水流的作用下，更容易在流速变化较大的区域堆积，如河道弯道、浅滩等部位。在太阳辐射较强的时段，表层水体升温快，冰凌融化速度也加快，融化后的冰凌随水流向下游移动，增加了下游河段冰凌堆积的风险。此外，太阳辐射的日变化和季节变化也对冰凌的生消产生影响。在一天中，太阳辐射强度在中午前后达到最大值，此时河面表层水温最高，冰凌融化速度最快；而在夜间，太阳辐射消失，河面散热，水温降低，冰凌生长速度加快。在季节变化上，冬季太阳辐射较弱，冰凌生长和封河过程占主导；春季太阳辐射增强，冰凌融化和开河过程逐渐占据主导。通过对多年观测数据的分析发现，在太阳辐射日变化明显的时期，河道冰凌的生消变化幅度可达10%-20%；在季节变化过程中，从冬季到春季，随着太阳辐射强度的逐渐增强，冰凌覆盖面积可减少30%-50%。3.2水动力条件作用3.2.1水流速度与流量变化水流速度与流量变化在黄河宁蒙河段冰期洪水的形成和发展过程中扮演着关键角色，对冰凌运动、堆积以及冰塞、冰坝的形成有着直接且重要的影响。在封河期，水流速度和流量的变化直接决定了冰凌的运动和堆积情况。当水流速度较快时，冰凌在水流的作用下，能够较为顺畅地向下游移动，冰凌之间难以发生大规模的堆积和聚集，冰塞和冰坝形成的概率相对较低。相反，若水流速度减缓，冰凌的移动速度也随之降低，冰凌之间相互碰撞、粘结的机会增加，容易在河道内堆积形成冰塞，进而发展为冰坝。流量的变化同样会对冰凌的堆积产生影响。流量较大时，水流的输冰能力增强，冰凌能够被水流携带向下游，减少在局部河段的堆积；而当流量减小时，输冰能力减弱，冰凌容易在河道中某些流速较小的区域聚集，如河道弯道、浅滩、卡口等部位，从而增加冰塞和冰坝形成的风险。以2007-2008年度封河期为例，在封河初期，黄河宁蒙河段上游来水流量较大，约为500-600m³/s，水流速度相对较快，平均流速达到0.8-1.0m/s，冰凌在水流的推动下，能够顺利向下游移动，河道内冰情相对平稳。然而，随着封河的推进，上游来水流量逐渐减小，降至300-400m³/s，水流速度也随之减缓至0.5-0.6m/s。在三湖河口至头道拐河段，由于河道较为弯曲，水流速度进一步降低，冰凌开始在弯道处大量堆积，形成了冰塞。随着冰塞的不断发展，河道过水断面逐渐减小，水位不断抬高，最终在该河段形成了冰坝，导致水位急剧上升，给周边地区带来了严重的凌汛灾害。开河期，水流速度和流量的变化对冰期洪水的演进和灾害的形成影响更为显著。当开河时，上游先解冻开河，河槽内积蓄的水量迅速释放，形成凌汛洪水。此时，若水流速度较大，流量增加迅速，凌汛洪水的洪峰流量会增大，洪水传播速度加快，对下游河道的冲击力也会增强。在下游河道仍处于封冻状态的情况下，冰凌容易被洪水推动，在狭窄、弯曲河段卡冰结坝，导致水位急剧上升，形成“武开河”的局面，引发严重的冰期洪水灾害。相反，若水流速度和流量变化较为平缓，凌汛洪水的演进相对平稳，冰坝形成的可能性也会降低，凌汛灾害的威胁相应减小。2012年开河期，黄河宁蒙河段上游来水流量迅速增加，在短时间内从400-500m³/s增加至800-1000m³/s，水流速度也从0.6-0.8m/s增大到1.2-1.5m/s。大量的冰水混合物在高速水流的推动下，迅速向下游推进。在巴彦淖尔市境内的一些狭窄河段，冰凌迅速堆积，形成了冰坝，水位在短时间内上涨了2-3m，导致沿岸部分地区发生洪水漫溢，农田被淹，房屋受损，造成了较大的经济损失。而在2018年开河期，上游来水流量和水流速度变化相对较为平稳，流量逐渐增加，从300-400m³/s缓慢增加至600-700m³/s，水流速度也从0.5-0.7m/s逐渐增大到1.0-1.2m/s。在这种情况下，冰凌能够较为均匀地向下游移动，虽然也有冰坝形成，但规模较小，水位涨幅相对较小，凌汛灾害的影响范围和程度明显小于2012年。3.2.2河道比降与弯曲度影响黄河宁蒙河段的河道比降和弯曲度是影响冰期洪水的重要水动力因素，它们通过改变水流状态，显著增加了冰凌阻塞的可能性，进而对冰期洪水的形成和发展产生深远影响。河道比降是指单位长度河道的落差，它直接影响水流的流速和能量。在黄河宁蒙河段，部分河段河道比降较小，如宁夏平原和河套平原的一些河段，河道比降一般在0.1‰-0.3‰之间。这种较小的比降使得水流流速相对缓慢，冰凌在河道内的运动速度也随之减慢。当冰凌在缓慢流动的水流中移动时，它们更容易相互碰撞、聚集，从而增加了冰塞和冰坝形成的风险。在内蒙古三盛公至包头河段，河道比降较小，水流流速在冰期一般为0.2-0.5m/s，冰凌在该河段容易堆积。据历史资料记载，在1993-1994年度凌汛期，该河段由于河道比降小，冰凌大量堆积，形成了长达数公里的冰塞，导致水位迅速抬高，最终造成了堤防决口，淹没了大量农田和村庄。相反，河道比降较大的河段，水流流速相对较快，冰凌不易堆积。例如，黄河宁蒙河段中的一些峡谷段，如青铜峡峡谷段，河道比降较大，水流流速可达1-2m/s，冰凌在这些河段能够较快地向下游移动，冰塞和冰坝形成的概率相对较低。然而，当冰凌从比降大的河段进入比降小的河段时，由于流速突然减小，冰凌容易在交界处堆积，增加了冰期洪水的风险。河道弯曲度对冰期洪水的影响同样不容忽视。黄河宁蒙河段河道蜿蜒曲折，弯曲系数较大，特别是在三湖河口至头道拐河段，处于黄河“几”字弯处，河道弯曲系数可达2-3。在弯曲河段，水流受到离心力的作用，形成横向环流，使得凹岸水位较高，流速较大，而凸岸水位较低，流速较小。冰凌在横向环流的作用下，更容易向凹岸聚集，导致凹岸冰凌堆积严重。当冰凌在弯曲河段大量堆积时，会阻塞河道，使河道过水断面减小，水位迅速抬高，从而引发冰期洪水。在2003-2004年度凌汛期，三湖河口至头道拐河段的一处弯道，由于河道弯曲度大，冰凌在凹岸大量堆积，形成了冰坝。冰坝阻塞河道后，上游水位急剧上升，最高水位涨幅超过了3m，导致周边地区遭受了严重的凌汛灾害，大量房屋被冲毁，交通中断，给当地居民的生活和生产带来了极大的困难。此外，弯曲的河道还会使水流的流态变得复杂，增加了冰凌之间的碰撞和粘结机会，进一步促进了冰塞和冰坝的形成。研究表明，在河道弯曲度较大的河段，冰塞和冰坝形成的频率比直河段高出30%-50%，这充分说明了河道弯曲度对冰期洪水的重要影响。3.3河道边界条件因素3.3.1河床形态与糙率作用河床形态与糙率作为重要的河道边界条件因素，在黄河宁蒙河段冰期洪水的形成与发展过程中扮演着关键角色，对水流和冰凌运动产生显著影响，进而左右冰期洪水的水位与流量变化。宁蒙河段的河床形态复杂多样，包括宽窄变化、弯曲程度以及河床的冲淤情况等，这些因素对水流和冰凌运动的影响各异。在河道宽窄变化显著的区域，水流和冰凌的运动状态会发生明显改变。当水流从宽河段进入窄河段时，过水断面减小，水流流速增大，冰凌在高速水流的推动下，运动速度加快，冰凌之间的碰撞和堆积也会加剧。在磴口至三盛公河段，由于处于三盛公库区，水面宽400-1500m，而在进入下游一些窄河段时，河宽可能骤减至300-500m。在这种情况下，冰凌容易在窄河段的入口处堆积，形成冰塞，导致水位抬高。研究表明，在窄河段，冰凌堆积的概率比宽河段高出20%-30%，水位涨幅可达0.5-1.5m。河道的弯曲程度同样对水流和冰凌运动产生重要影响。如前所述，宁蒙河段部分弯道的弯曲系数可达2-3，在弯曲河段，水流受到离心力的作用，形成横向环流。这种环流使得凹岸的水流速度较大，冰凌容易被推向凹岸，在凹岸堆积。当冰凌在凹岸大量堆积时，会阻塞河道，使河道过水断面减小，水位迅速抬高，增加冰期洪水的风险。在2005-2006年度凌汛期，三湖河口至头道拐河段的一处弯道，由于弯曲度大，冰凌在凹岸大量堆积，形成了长达数公里的冰塞，导致该河段水位上涨了2-3m，对周边地区造成了严重的洪水威胁。河床的糙率也是影响水流和冰凌运动的重要因素。糙率反映了河床表面的粗糙程度，糙率越大，水流阻力越大，流速越小；糙率越小，水流阻力越小，流速越大。在黄河宁蒙河段，不同河段的河床糙率存在差异，这主要取决于河床的组成物质和河道的整治情况。在一些河床组成物质较粗、河道整治程度较低的河段，糙率较大。如宁夏段部分河段河床多为沙质，颗粒相对较细，抗冲刷能力较弱，在水流和冰凌的作用下，河床容易发生冲淤变化，导致糙率增大。当糙率增大时，水流流速减小，冰凌在河道内的运动速度也随之减慢，冰凌之间更容易相互碰撞、聚集，增加了冰塞和冰坝形成的风险。研究发现，糙率每增加0.01，水流流速可减小0.1-0.2m/s，冰凌堆积的概率可提高10%-15%。相反，在一些经过整治的河段，如修建了护岸工程、河床表面相对平整的河段，糙率较小，水流流速相对较大，冰凌不易堆积。例如，在内蒙古包头附近的一些河段，通过河道整治工程，河床糙率减小，水流流速增大，冰凌能够较为顺畅地向下游移动，冰期洪水的风险相对较低。河床形态与糙率的变化还会对冰期洪水的水位和流量产生影响。当冰凌在河道内堆积形成冰塞或冰坝时，河道过水断面减小，水位会相应抬高。根据水力学原理，水位的抬高会导致水流的势能增加，进而影响水流的流速和流量。在冰塞或冰坝形成的初期，水位抬高可能会使水流流速增大，以维持流量的平衡；但随着冰塞或冰坝的发展，过水断面进一步减小，水流阻力增大，流速会逐渐减小，流量也会相应减小。在严重的冰期洪水事件中，水位涨幅可达3-5m，流量可能会减小30%-50%，对周边地区的防洪安全构成巨大威胁。3.3.2河岸特征与阻水情况河岸特征与阻水情况在黄河宁蒙河段冰期洪水的发生发展过程中起着不可忽视的作用，河岸的稳定性、植被覆盖以及人为建筑物的存在，都可能导致冰凌堆积，增加冰期洪水灾害的风险。河岸的稳定性对冰期洪水有着重要影响。黄河宁蒙河段部分河岸由松散的砂土或粉质土组成，抗冲刷能力较弱。在冰期，随着冰凌的运动和水流的冲击，河岸容易受到侵蚀，导致河岸坍塌。当河岸坍塌时，会使河道形态发生改变，局部河道变窄，水流流速增大，冰凌在狭窄的河道内更容易堆积，形成冰塞或冰坝。在宁夏石嘴山附近的一些河段，河岸为砂土质地，在2003-2004年度凌汛期，由于冰凌的撞击和水流的冲刷，河岸发生坍塌，导致河道局部变窄，冰凌大量堆积，形成了冰坝，水位迅速上涨，淹没了周边的部分农田和村庄。河岸的植被覆盖情况同样会影响冰期洪水。植被具有固土护坡的作用，能够增强河岸的稳定性。在植被覆盖较好的河岸，冰凌在运动过程中受到植被的阻挡，运动速度会减缓，冰凌之间的碰撞和堆积也会相对减少，从而降低冰期洪水的风险。例如，在内蒙古一些河岸植被茂密的河段，冰凌在通过时，受到植被的缓冲作用，不易形成大规模的堆积，冰期洪水的发生概率相对较低。相反，在植被覆盖较差的河岸，冰凌容易直接撞击河岸，导致河岸受损，同时冰凌在无植被阻挡的情况下，更容易在河道内聚集，增加冰期洪水的风险。据调查，在植被覆盖率低于30%的河岸，冰凌堆积的概率比植被覆盖率高于60%的河岸高出50%-80%。人为建筑物也是导致冰凌堆积和冰期洪水灾害的重要因素。在黄河宁蒙河段，存在着大量的桥梁、码头、拦河闸坝等人为建筑物。这些建筑物改变了河道的自然形态和水流条件，使得冰凌在通过时容易受阻，发生堆积。桥梁的桥墩会阻挡冰凌的运动，使冰凌在桥墩周围聚集，形成冰塞。当冰塞发展到一定程度，就会阻塞河道，抬高水位，引发冰期洪水。在2007-2008年度凌汛期，黄河内蒙古段的一座桥梁，由于桥墩阻挡冰凌，导致冰凌在桥墩周围大量堆积，形成了冰塞，冰塞向上游延伸，使得河道水位上涨了1-2m，对周边地区造成了较大的洪水威胁。拦河闸坝的存在也会对冰凌的运动和冰期洪水产生影响。在封河期，拦河闸坝的蓄水作用会使上游水位抬高，水流流速减小，冰凌容易在闸坝前堆积。而在开河期，若闸坝的调度不合理，如突然开闸泄水，可能会导致上游大量冰凌迅速下泄，在下游河道狭窄或弯曲处卡冰结坝，引发冰期洪水。在1993-1994年度封河期，三盛公枢纽闸下3-5km处堤防决口，主要原因就是闸坝蓄水导致上游冰凌堆积，形成冰塞，冰塞溃决后引发洪水，冲毁了堤防。此外，河道内的一些非法采砂、乱建鱼塘等行为，也会破坏河道的行洪能力，增加冰凌堆积和冰期洪水的风险。3.4人类活动的影响3.4.1水利工程建设影响龙羊峡和刘家峡水库作为黄河上游重要的水利枢纽工程，对黄河宁蒙河段的径流调节和水动力条件产生了深远影响，进而改变了冰期洪水的发生发展规律。龙羊峡水库于1986年10月蓄水运用，其总库容达247亿m³，调节库容193.5亿m³，是一座具有多年调节性能的大型水库。刘家峡水库于1968年10月蓄水运用，总库容57亿m³，调节库容41.5亿m³，为季调节水库。两座水库联合运用后，显著改变了黄河宁蒙河段的径流过程。在凌汛期，水库通过调节下泄流量，改变了河道的水动力条件，对冰期洪水产生了重要影响。在封河期，水库调节径流对冰凌的堆积和冰期洪水的形成有着直接作用。龙羊峡、刘家峡水库联合运用后，封河期流量得到有效调控，减少了冰凌堆积的可能性。在1986年以前，封河期上游来水流量变化较大，冰凌容易在河道内大量堆积，形成冰塞和冰坝。而1986年龙羊峡水库蓄水运用后，通过合理控制下泄流量，使得封河期流量相对稳定。例如，在2000-2001年度封河期，龙羊峡水库根据上游来水情况和宁蒙河段的冰情，将下泄流量稳定控制在300-400m³/s之间，相比以往年份，该年度冰凌堆积情况明显减少，冰塞和冰坝形成的风险降低。水库调节径流还会改变河道的水动力条件，进而影响冰期洪水的水位和流量变化。当水库下泄流量减小时，河道流速降低，冰凌运动速度减慢，冰凌之间更容易相互粘结，增加冰塞和冰坝形成的风险，导致水位抬高。相反，当水库下泄流量增大时，河道流速增加，冰凌能够较快地向下游移动，减少局部河段的冰凌堆积，但如果下游河道过流能力不足，也可能引发下游河段的冰期洪水。在2005-2006年度凌汛期，由于水库下泄流量突然增大，下游河道在短时间内无法容纳过多的冰凌和水流，导致部分河段出现冰坝，水位急剧上涨，给当地带来了较大的洪水威胁。水库的存在改变了河道的水温分布，影响了冰凌的生消过程。冬季，水库下泄的水温相对较高，使得下游河道的水温也有所升高，延缓了冰凌的形成和发展。龙羊峡水库冬季下泄水温一般在2-4℃，相比天然河道水温高出1-2℃，这使得水库下游一定范围内的河段流凌和封河时间推迟。在2008-2009年度凌汛期，龙羊峡水库下游河段由于水温较高，流凌时间比上游未受水库影响的河段推迟了约5天，封河时间推迟了8天。水温的变化还会影响冰盖的厚度和强度，进而影响冰期洪水的发生发展。水温较高时，冰盖厚度相对较薄，强度较低，在水流和冰凌的冲击下，更容易破裂和融化，增加了冰期洪水的不确定性。3.4.2水资源开发利用作用黄河宁蒙河段周边地区的农业灌溉和工业用水等水资源开发利用活动，导致河流水量发生显著变化，对冰期洪水的发生频率和强度产生了重要影响。宁蒙河段所在地区是我国重要的农业产区，农业灌溉用水量巨大。宁夏和内蒙古的引黄灌区是我国著名的灌溉农业区，引黄灌溉历史悠久。随着农业的发展，灌溉用水量不断增加。据统计，宁夏引黄灌区年引水量约为70-80亿m³，内蒙古河套灌区年引水量可达50-60亿m³。大量的农业灌溉用水导致黄河宁蒙河段的水量减少，在非冰期，河道流量的减少使得河流水动力条件发生改变，河道萎缩，过水能力降低。进入冰期后，由于水量减少，河道内的冰凌更容易堆积，冰塞和冰坝形成的概率增加。在2003-2004年度凌汛期，由于该年度农业灌溉用水量大，宁蒙河段水量明显减少，在一些狭窄河段，冰凌大量堆积，形成了冰塞和冰坝，导致水位急剧上升，引发了严重的冰期洪水灾害，淹没了大量农田和村庄。工业用水的增加也对河流水量产生影响。近年来，宁蒙河段周边地区工业发展迅速，工业用水量不断攀升。一些高耗水的工业企业，如能源、化工等行业，对水资源的需求较大。工业用水的增加进一步减少了河道的水量，加剧了水资源的供需矛盾。在一些工业用水集中的河段，冰期洪水的发生频率和强度有所增加。在内蒙古乌海地区，由于当地工业用水量大，黄河水量减少，在2007-2008年度凌汛期，该河段冰凌堆积严重，冰期洪水水位比以往年份高出1-2m，对沿岸工业设施和居民生活造成了较大影响。水资源开发利用导致的河流水量变化还会影响冰期洪水的传播和演进过程。当河流水量减少时，河道的行洪能力降低，冰期洪水在传播过程中更容易受到阻碍，导致洪水的传播速度减慢，洪峰持续时间延长。在一些水量减少较为严重的河段，冰期洪水的洪峰流量虽然可能相对较小，但由于传播时间长，洪水的影响范围和持续时间增加，同样会给沿岸地区带来较大的危害。例如，在宁夏石嘴山附近的一些河段，由于长期的水资源开发利用，河流水量减少，在2010-2011年度凌汛期，冰期洪水的传播速度比正常年份减慢了约20%，洪峰持续时间延长了3-5天，使得沿岸地区遭受洪水浸泡的时间增加，造成了大量农田和基础设施的损坏。四、冰期洪水特点4.1洪峰流量与水位变化4.1.1洪峰流量特征黄河宁蒙河段冰期洪水的洪峰流量特征独特，与其他时期洪水存在显著差异，对冰期洪水的危害程度起着关键作用。从历史数据来看，冰期洪水的洪峰流量相对较小，但变化范围较大。宁蒙河段石嘴山凌峰流量一般接近1000m³/s，而头道拐可达2000m³/s。在1993-1994年度凌汛期，头道拐站的洪峰流量达到了2300m³/s，这在冰期洪水中属于较大流量。而在一些年份，石嘴山站的凌峰流量可能仅为600-800m³/s。相比之下，非冰期洪水的洪峰流量往往更大，如2012年7-10月的“12.7”洪水，兰州站7月30日洪峰流量达到3860m³/s，远超过冰期洪水的洪峰流量。冰期洪水洪峰流量的出现时间具有一定的规律性。一般来说，冰期洪水主要发生在开河期，这是因为开河时，上游先解冻开河，河槽内积蓄的水量迅速释放，形成凌汛洪水。在黄河宁蒙河段，开河期一般从3月开始，凌峰流量也多在3月中下旬出现。在2007-2008年度凌汛期，开河期从3月上旬开始，头道拐站的凌峰流量在3月20日左右出现，达到了2100m³/s。然而，由于每年的气候条件和河道情况不同，洪峰流量的出现时间也会有所波动。在气温回升较快的年份，开河时间提前，洪峰流量也可能提前出现；而在气温回升缓慢或河道冰情复杂的年份，洪峰流量的出现时间则可能推迟。冰期洪水洪峰流量与其他时期洪水的差异还体现在其形成机制上。冰期洪水主要是由于冰凌阻塞河道，导致水位抬高，当冰凌破裂或冰坝溃决时，积蓄的水量突然下泄形成洪峰。而非冰期洪水则主要是由降雨、融雪等因素引起的，其形成机制相对较为简单。由于冰期洪水受到冰凌的影响，洪峰流量的变化更为复杂，难以准确预测。冰凌的堆积和融化过程受到气温、水温、水流速度等多种因素的影响，这些因素的不确定性增加了冰期洪水洪峰流量预测的难度。4.1.2水位变化规律黄河宁蒙河段冰期洪水的水位变化规律复杂，对堤防安全构成了严重威胁，其水位的上涨速度、持续时间及沿程变化都具有独特的特点。在冰期洪水发生时，水位上涨速度较快。特别是在开河期，当上游来水遇到下游未解冻的冰凌阻塞时，水位会迅速抬升。在2003-2004年度凌汛期，三湖河口至头道拐河段由于冰凌阻塞，水位在短时间内上涨了2-3m，平均每天上涨幅度可达0.5-1m。这种快速的水位上涨，使得堤防难以承受突然增加的水压，容易出现险情。当水位上涨速度超过堤防的设计承受能力时，堤防可能会发生漫溢、管涌、滑坡等险情，严重威胁沿岸地区的人民生命财产安全。冰期洪水水位的持续时间因具体情况而异。在一般情况下，水位上涨后会持续一段时间，然后逐渐回落。若冰坝持续存在，阻塞河道，水位可能会长时间维持在较高水平，给堤防带来长时间的压力。在1998-1999年度凌汛期，内蒙古段的一处冰坝持续了近一周时间，导致该河段水位在这一周内一直居高不下，对堤防的稳定性造成了极大的考验。长时间的高水位浸泡，会使堤防的土体饱和，强度降低，增加堤防决口的风险。而且，水位持续时间长还会对周边的生态环境和农业生产造成不利影响，如淹没农田、破坏湿地生态系统等。沿程变化也是冰期洪水水位的一个重要特点。由于宁蒙河段河道形态复杂，宽窄不一，水流阻力不同，水位沿程变化较大。在狭窄河段，冰凌容易堆积，水流不畅，水位会明显抬高；而在宽阔河段，水流相对顺畅，水位升高幅度相对较小。在宁夏石嘴山附近的狭窄河段，冰期洪水时水位涨幅可达1.5-2m，而在内蒙古河套平原的一些宽阔河段，水位涨幅可能只有0.5-1m。水位沿程变化还受到河道比降、弯道等因素的影响。在河道比降小的河段，水流速度慢，水位容易抬高；在弯道处，由于离心力的作用，凹岸水位会高于凸岸水位。在三湖河口至头道拐河段的一处弯道，凹岸水位比凸岸水位高出0.5-1m，这种水位差异会导致河道两岸的堤防承受的压力不同，增加了堤防防护的难度。4.2洪水过程与历时特点4.2.1洪水过程描述黄河宁蒙河段冰期洪水的形成与消退是一个复杂的过程，涉及流凌、封河、开河以及冰塞、冰坝的形成与溃决等多个关键阶段，每个阶段都对洪水的发展和演变产生重要影响。每年11月中下旬，随着气温逐渐降低，黄河宁蒙河段开始进入流凌期。此时，河水表面开始结冰，水内产生冰花，冰花随水流而下逐渐凝结成冰花团或冰块，俗称“流凌”。流凌密度随着气温、水温的继续降低而逐渐加大，首先在狭窄、弯曲河段冻结封河。在流凌过程中，冰凌顺流而下，相互碰撞、粘结，冰凌的数量和规模逐渐增加。当流凌密度达到一定程度时，冰凌开始在河道内堆积，形成冰塞的雏形。随着气温进一步下降，12月上中旬，河段进入封河期。在封河初期，冰凌在河道内继续堆积，冰塞逐渐发展壮大，河道过水断面减小，水流受阻，水位开始逐渐抬高。由于宁蒙河段水流自低纬度流向高纬度，下游气温较低，封河通常自下游向上游发展，这种封河顺序使得冰凌在下游河段更容易堆积，增加了冰塞和冰坝形成的风险。在封河过程中，冰盖逐渐形成并加厚，冰盖的厚度和强度受到气温、水流速度等因素的影响。在气温较低、水流速度较小的河段，冰盖厚度可达0.7-1米以上，强度较大；而在气温相对较高、水流速度较大的河段，冰盖厚度相对较薄，强度也较弱。翌年3月中下旬，气温逐渐回升，河段进入开河期。开河期是冰期洪水形成的关键阶段，也是冰期洪水危害最为严重的时期。开河时，上游先解冻开河，河槽内积蓄的水量迅速释放，形成凌汛洪水。由于下游河道可能仍处于封冻状态，冰凌阻塞河道，导致水位急剧上升。若冰凌在狭窄、弯曲河段大量堆积，就会形成冰坝。冰坝一旦形成，会严重堵塞河道过水断面，使来水来冰不能下泄，上游水位迅速涨高，极易造成漫滩偎堤的严重凌情。在2003-2004年度开河期，三湖河口至头道拐河段就因冰凌堆积形成冰坝，导致水位在短时间内上涨了2-3米，淹没了周边大量农田和村庄。在冰期洪水的发展过程中，冰塞和冰坝的形成与溃决对洪水的影响至关重要。冰塞是冰凌在河道内堆积形成的阻塞体，它会使河道过水断面减小，水位抬高。冰塞的形成与发展受到冰凌数量、水流速度、河道形态等多种因素的影响。当冰凌数量较多、水流速度较小、河道狭窄或弯曲时，冰塞更容易形成。冰坝则是由大量冰凌堆积而成的更为坚固的阻塞体，它对河道的阻塞作用更强，往往会导致水位急剧上升，引发严重的洪水灾害。冰坝的形成通常与河道的特殊地形有关，如狭窄河段、弯道、浅滩等部位，冰凌容易在这些地方受阻堆积，形成冰坝。当冰坝溃决时，积蓄的水量会突然下泄，形成更大的洪峰，对下游河道和沿岸地区造成更大的威胁。在1993-1994年度凌汛期，内蒙古三盛公枢纽闸下3-5km处堤防决口，就是由于冰坝溃决，洪水冲毁了堤防，导致周边地区遭受严重的洪水灾害。随着气温持续升高，冰坝逐渐融化，河道逐渐恢复畅通，冰期洪水进入消退阶段。在消退过程中，水位逐渐回落，水流速度逐渐恢复正常，冰凌逐渐减少。但在消退过程中，仍需密切关注水位变化和冰凌的残留情况，防止出现二次灾害。4.2.2洪水历时分析黄河宁蒙河段冰期洪水历时长短受到多种因素的综合影响，其中气温、河道条件以及水利工程调度等因素起着关键作用，这些因素的变化导致洪水历时呈现出不同的特点。气温是影响冰期洪水历时的重要因素之一。在凌汛期，气温的高低直接决定了冰凌的形成、发展和消融速度，进而影响洪水历时。当冬季气温较低且持续时间较长时，河道封冻时间早，封冻期长，冰盖厚度较大，开河时间相对较晚，冰期洪水历时相应延长。在2000-2001年度凌汛期，宁蒙河段冬季平均气温较常年偏低，封河时间比常年提前了约10天，开河时间推迟了8天，冰期洪水历时比常年增加了近20天。相反，若冬季气温偏高，河道封冻时间推迟，封冻期缩短，开河时间提前，冰期洪水历时则会缩短。在2008-2009年度凌汛期，由于气温偏高，流凌封河时间推迟，开河时间提前，冰期洪水历时比常年减少了约15天。河道条件对冰期洪水历时也有着显著影响。河道的宽窄、弯曲程度、河床糙率以及比降等因素都会影响水流速度和冰凌的堆积情况，从而影响洪水历时。在狭窄、弯曲河段，冰凌容易堆积，形成冰塞和冰坝，阻碍水流，导致水位抬高，洪水历时延长。在三湖河口至头道拐河段，由于河道弯曲系数大，冰凌在该河段容易堆积，在2003-2004年度凌汛期，该河段因冰凌堆积形成冰坝，导致水位长时间居高不下，洪水历时比其他河段延长了约10-15天。而在河道宽阔、比降较大、河床糙率较小的河段，水流速度相对较快，冰凌不易堆积，洪水历时相对较短。水利工程调度同样对冰期洪水历时产生重要影响。龙羊峡和刘家峡水库等水利工程通过调节下泄流量，改变了河道的水动力条件，进而影响冰期洪水历时。在封河期，水库合理控制下泄流量，可使河道流量相对稳定，减少冰凌堆积，缩短封河时间，从而缩短冰期洪水历时。在2005-2006年度封河期，龙羊峡和刘家峡水库联合调度，将下泄流量稳定控制在适宜范围内，该年度封河时间比以往年份缩短了约5-7天，冰期洪水历时也相应缩短。而在开河期，水库的不合理调度可能会导致凌汛洪水的洪峰流量增大，洪水传播速度加快，洪水历时延长。若水库在开河期突然增大下泄流量，可能会使下游河道在短时间内无法容纳过多的冰凌和水流，导致冰坝形成，水位急剧上升，洪水历时延长。在2007-2008年度开河期，由于水库下泄流量突然增大，下游部分河段形成冰坝，水位上涨，洪水历时比正常年份延长了约10-12天。4.3洪水发生时间与频次规律4.3.1发生时间规律黄河宁蒙河段冰期洪水通常发生在凌汛期，即当年11月至次年3月，这一时期的气候和水文条件为冰期洪水的形成提供了基础。从月份分布来看，流凌期一般从11月中下旬开始，此时气温逐渐降低，河水表面开始结冰，水内产生冰花，冰花随水流而下逐渐凝结成冰花团或冰块，形成流凌。随着气温继续下降，12月上中旬进入封河期，冰凌在河道内堆积，形成冰盖，河道过水断面减小，水流受阻，水位开始逐渐抬高。翌年3月中下旬，气温回升，进入开河期，开河期是冰期洪水形成的关键阶段，也是冰期洪水危害最为严重的时期。在开河期，上游先解冻开河，河槽内积蓄的水量迅速释放，形成凌汛洪水，若冰凌在下游河道阻塞，就会导致水位急剧上升，引发冰期洪水。在2007-2008年度凌汛期，11月15日左右开始流凌，12月10日前后封河，翌年3月15日左右开河，开河期由于冰凌阻塞，部分河段发生了冰期洪水。冰期洪水的发生时间与气温、降水等因素密切相关。气温是影响冰期洪水发生时间的首要因素，如前文所述，气温的年际和季节变化对凌汛有着显著影响。当冬季气温较低且持续时间较长时，流凌封河时间会提前，封冻期延长，开河时间相对较晚，冰期洪水发生的时间也会相应提前且历时延长。在2000-2001年度凌汛期，宁蒙河段冬季平均气温较常年偏低，流凌时间比常年提前了约5天，封河时间提前了8天，开河时间推迟了10天，冰期洪水发生时间提前，历时比常年增加了近20天。而当冬季气温偏高时，流凌封河时间推迟，开河时间提前，冰期洪水发生时间则会推迟且历时缩短。降水对冰期洪水发生时间也有一定影响。虽然冬季降水稀少，但降雪量的多少和降雪时间的早晚可能会影响河道的积雪量和融雪时间。若冬季降雪量较大，且在春季气温回升时，积雪迅速融化，会增加河道的来水量，可能导致冰期洪水提前发生或加剧洪水的规模。在2005-2006年度冬季，宁蒙河段降雪量较常年偏多，春季气温回升后，积雪融化，使得开河期的来水量增加，冰期洪水提前发生，且水位涨幅比常年更大。4.3.2发生频次分析通过对历史资料的统计分析可知，黄河宁蒙河段冰期洪水的发生频次呈现出一定的变化趋势，且与气候变化、人类活动密切相关。据不完全统计，20世纪50年代以来，黄河宁蒙河段共发生较大的凌汛灾害95次，平均每年发生1.4次。其中，1950-1968年（刘家峡水库运行前）发生凌灾20次，平均每年发生1次；1969-1986年（龙羊峡水库运行前）发生凌灾11次，平均1.6a发生1次；1987-2008年发生凌灾64次，平均每年3次；2009年以来，宁蒙河段未发生较大凌灾。从这些数据可以看出，在不同时期，冰期洪水的发生频次存在明显差异。20世纪80年代中期以后，随着龙羊峡和刘家峡水库的联合运用，以及气候变化的影响，冰期洪水的发生频次有所变化。水库的调节作用在一定程度上改变了河道的水动力条件，减少了冰凌堆积和冰期洪水发生的可能性。然而，在某些年份，由于气候异常或水库调度不合理等原因，冰期洪水的发生频次仍然较高。在1993-1994年度和2007-2008年度，尽管有水库调节，但由于当年气候异常，气温变化剧烈，仍然发生了较为严重的冰期洪水灾害。气候变化对冰期洪水发生频次的影响也不容忽视。20世纪80年代中期以后，凌汛期气温呈明显上升趋势，这种变化导致流凌封河时间推迟，开河时间提前，河道冰情发生改变。气温的升高使得冰盖厚度变薄，冰期缩短，但同时也可能导致冰期洪水发生的不确定性增加。在气温升高的情况下，开河期的水温回升速度加快，河槽蓄水增量集中释放，容易形成较大凌汛洪水，从而增加冰期洪水发生的频次。在2010年3月，宁蒙河段开河期气温迅速回升，导致河道槽蓄水增量大量释放，形成了较大的凌汛洪水。人类活动除了水利工程建设外，水资源开发利用也对冰期洪水发生频次产生影响。如前文所述，宁蒙河段周边地区农业灌溉和工业用水量大，导致河流水量减少，河道萎缩，过水能力降低。在这种情况下，冰凌更容易堆积，冰期洪水发生的频次增加。在2003-2004年度凌汛期，由于该年度农业灌溉用水量大，宁蒙河段水量明显减少，冰凌在河道内大量堆积，形成冰塞和冰坝，导致冰期洪水发生的频次增加。五、冰期洪水危害5.1对生命财产的威胁5.1.1人员伤亡情况黄河宁蒙河段冰期洪水在历史上曾多次造成人员伤亡，给当地人民带来了沉重的灾难。1967-1968年凌汛期，青铜峡库区上游出现冰塞，初封河时流量500m³/s的水位即与汛期流量2500m³/s的接近，最高水位比汛期流量5240m³/s时的高出0.40-1.32m，造成中宁康滩—枣园16km河段的5个乡、9840人受灾。此次冰期洪水导致部分房屋被冲毁，居民来不及撤离，一些老人和儿童因洪水围困而受伤甚至失去生命。当时，由于交通和通讯条件有限，救援力量难以迅速到达受灾地区，导致受灾群众无法及时得到有效的救助，进一步加剧了人员伤亡的程度。1993-1994年度封河期，三盛公枢纽闸下3-5km处堤防决口，淹没土地80km²，0.95万人受灾。在这次灾害中，部分群众在洪水来临时未能及时接到预警信息，对洪水的危害认识不足，缺乏有效的应对措施。一些群众在洪水到来时试图抢救财物，却不幸被洪水冲走，造成了人员伤亡。这也暴露出当时在防凌减灾宣传教育方面存在的不足，群众的自我保护意识和应急能力有待提高。2008年3月，黄河内蒙古杭锦旗独贵塔拉奎素段发生凌汛决口，受灾群众10241人。虽然此次灾害中大部分群众在政府的组织下得到了及时转移，但仍有少数群众因行动不便或对洪水危险估计不足，未能及时撤离，导致受伤。在这次灾害应对中，救援队伍在救援过程中面临着冰凌阻碍、道路不通等困难，影响了救援效率，这也反映出在应急救援的装备和技术方面还需要进一步改进和提升。5.1.2财产损失统计黄河宁蒙河段冰期洪水对房屋、农田、基础设施等造成了巨大的财产损失，严重阻碍了当地的经济发展和社会稳定。在房屋方面，冰期洪水常常冲毁或浸泡沿岸的房屋，使其失去居住功能。在1993-1994年度凌汛期，三盛公枢纽闸下堤防决口，导致周边大量房屋被淹，许多房屋墙体倒塌，屋顶损坏。据统计，此次灾害中受损房屋达到数千间，直接经济损失达数千万元。2007-2008年度凌汛期间，黄河宁蒙段封河时水位骤涨1-2m，宁夏中卫市至石嘴山市惠农区沿河10个县（市、区）及渠口农场的部分房屋被冲毁或浸泡，造成了严重的财产损失。这些房屋的修复或重建需要大量的资金投入，给受灾群众带来了沉重的经济负担。冰期洪水对农田的破坏也十分严重。洪水淹没农田，导致农作物被浸泡、冲毁，土壤肥力下降，影响后续的农业生产。在2003-2004年度凌汛期，宁蒙河段的冰期洪水淹没了大量农田，当年农作物绝收面积达到数万亩。以宁夏平原的一些灌区为例，被洪水淹没的农田需要进行清淤、排水等工作，才能恢复耕种，这不仅增加了农业生产成本，还可能导致当年农作物减产甚至绝收，给农民带来了巨大的经济损失。而且，长期的洪水浸泡还可能导致土壤盐碱化加重，进一步降低土地的生产力，对农业的可持续发展造成威胁。基础设施同样未能幸免。冰期洪水对桥梁、道路、堤防、水利设施等基础设施造成了严重破坏。桥梁在洪水和冰凌的冲击下，桥墩可能受损，桥梁结构稳定性下降，甚至垮塌。道路被洪水淹没、冲毁，导致交通中断，影响物资运输和人员通行。堤防在洪水的长时间浸泡和冰凌的撞击下，可能出现管涌、滑坡、坍塌等险情，一旦决口，将引发更大的洪水灾害。水利设施如灌溉渠道、泵站等被破坏后，会影响农田灌溉和水资源的合理利用。在2008年凌汛期，黄河内蒙古杭锦旗独贵塔拉奎素段凌汛决口，冲毁了部分道路和桥梁，修复这些基础设施所需的费用高达数亿元。而堤防的修复和加固更是需要大量的人力、物力和财力投入，以确保其在后续的凌汛期能够发挥防洪作用。从整体经济损失来看，据不完全统计，20世纪50年代以来宁蒙河段共发生较大凌汛灾害95次，不同时期灾害损失程度不同。1950-1968年（刘家峡水库运行前）平均每年凌灾直接经济损失15.12万元；1969-1986年（龙羊峡水库运行前）平均每年凌灾直接经济损失1182万元；1987-2008年平均每年凌灾直接经济损失8546万元。这些数据充分显示了冰期洪水对当地经济造成的严重破坏，不仅影响了当年的经济发展，还对区域经济的长期稳定增长带来了负面影响。五、冰期洪水危害5.2对基础设施的破坏5.2.1堤防损毁情况黄河宁蒙河段冰期洪水对堤防的破坏形式多样，主要包括冲刷、浸泡、崩塌等，给防洪安全带来了巨大隐患，以一些具体堤段为例，能更直观地展现堤防损毁的严重程度。在冰期洪水过程中，水流和冰凌的共同作用对堤防产生强烈的冲刷。当冰凌随着水流冲击堤防时，其尖锐的棱角和巨大的冲击力会破坏堤防的护坡结构，使堤坡的防护层剥落，进而导致堤身土体被冲刷。在宁夏石嘴山附近的部分堤段，由于冰期洪水的冲刷，堤坡的混凝土护坡出现裂缝、剥落现象，部分堤段的护坡损坏面积达到30%-50%。据当地水利部门监测，在2007-2008年度凌汛期，石嘴山某堤段的护坡被冰凌冲刷掉的混凝土块达数百立方米，堤身土体也被冲刷掉一定厚度，严重影响了堤防的稳定性。长时间的洪水浸泡也是导致堤防损毁的重要原因。冰期洪水水位上涨后，堤防长时间处于浸泡状态，堤身土体饱和，抗剪强度降低。在内蒙古巴彦淖尔市境内的一些堤段，经过冰期洪水的长时间浸泡，堤身土体含水量大幅增加，达到饱和状态。据检测，这些堤段的土体抗剪强度相比正常情况降低了30%-40%，使得堤防在洪水压力下更容易发生滑坡、坍塌等险情。在1993-1994年度凌汛期，巴彦淖尔市一处堤段因长时间浸泡，发生了大规模的滑坡，滑坡长度达到500多米，严重威胁到周边地区的防洪安全。崩塌现象在冰期洪水期间也时有发生。当堤防受到水流、冰凌的冲刷和浸泡后，堤身土体结构被破坏，在自身重力和洪水压力的作用下，容易发生崩塌。在三湖河口至头道拐河段的一处堤段，由于河道弯曲，冰凌在弯道处大量堆积，对堤防产生巨大的侧向压力。在2003-2004年度凌汛期，该堤段因无法承受冰凌的压力和洪水的冲刷，发生了崩塌，崩塌长度约为200米，导致洪水漫溢，淹没了周边的部分农田和道路。为了应对冰期洪水对堤防的破坏，当地采取了一系列修复措施。对于被冲刷损坏的护坡，采用重新铺设混凝土块、增设土工织物等方法进行修复。在石嘴山堤段，修复被冲刷的护坡时，先对损坏的部位进行清理，然后铺设土工织物以增强土体的稳定性，再重新铺设混凝土块，并加强了混凝土块之间的连接，提高了护坡的抗冲刷能力。对于因浸泡导致滑坡的堤段，采用卸载、反压等方法进行加固。在巴彦淖尔市的滑坡堤段，通过在堤坡上部卸载，减轻堤身的重量，同时在堤坡下部进行反压，增加堤身的稳定性，有效防止了堤段的进一步滑坡。对于崩塌的堤段，则需要重新填筑堤身，恢复堤防的防洪功能。在三湖河口至头道拐河段崩塌堤段的修复中，先对崩塌部位进行清理，然后按照设计标准重新填筑堤身，分层压实，确保堤身的质量和稳定性。然而，这些修复工作需要投入大量的人力、物力和财力，且修复后的堤防在短期内仍需加强监测，以确保其能够有效抵御后续的冰期洪水威胁。5.2.2桥梁、水闸等设施损坏黄河宁蒙河段冰期洪水对桥梁、水闸、码头等水利和交通设施造成了严重的撞击和冻胀破坏，给区域的水利调度和交通运输带来极大不便，修复这些设施所需的成本也十分高昂。在冰期洪水期间，大量的冰凌随着水流冲向桥梁，对桥梁的桥墩、桥台等部位产生强烈的撞击。这种撞击力可能导致桥墩出现裂缝、破损，桥台基础松动，严重影响桥梁的结构安全。在内蒙古包头市境内的一座黄河大桥，在2008-2009年度凌汛期，受到冰凌的猛烈撞击，桥墩表面出现多处裂缝，最大裂缝宽度达到3-5厘米。经检测，桥墩的混凝土强度降低，钢筋也受到一定程度的损伤，桥梁的承载能力下降。为了修复这座桥梁，需要对桥墩进行加固处理，采用粘贴碳纤维布、增设支撑等方法，修复费用高达数百万元。水闸在冰期洪水时同样面临严峻考验。冰凌的堆积可能会堵塞水闸的闸门槽，导致闸门无法正常开启和关闭，影响水闸的正常运行。水闸的闸墩、底板等部位也会受到冰凌的撞击和洪水的浸泡，发生冻胀破坏。在宁夏中卫市的一处水闸，在2003-2004年度凌汛期，由于冰凌堵塞闸门槽，闸门无法正常开启，导致上游水位持续升高，对周边地区造成了严重的洪水威胁。同时，闸墩和底板因冻胀出现裂缝，部分混凝土剥落，修复工作不仅需要清理闸门槽内的冰凌，还需要对受损的闸墩和底板进行修补，修复成本约为100-150万元。码头设施在冰期洪水的冲击下也难以幸免。码头的栈桥、平台等结构可能会被冰凌冲毁，基础被掏空，导致码头无法正常使用。在黄河宁蒙河段的一些小型码头，栈桥在冰期洪水的冲击下，部分桥段坍塌，平台倾斜，无法停靠船只。修复这些码头设施需要重新修建栈桥和平台，加固基础，修复费用根据码头规模的不同而有所差异，一般在数十万元到上百万元不等。从整体修复成本来看，黄河宁蒙河段冰期洪水对桥梁、水闸、码头等设施造成的损坏，修复费用总计可达数千万元甚至上亿元。这些设施的损坏不仅影响了当前的水利和交通运行，还对区域的经济发展和社会稳定产生了负面影响。而且，修复后的设施在后续的冰期洪水期间仍可能面临再次损坏的风险，因此需要加强防护措施和监测力度，以降低冰期洪水对这些设施的破坏程度。5.3对生态环境的影响5.3.1