凌汛是河流由低纬度流向较高纬度时产生的一种自然灾害, 黄河就是这样的河流, 同时由于本身泥沙含量高, 经多年沉积, 河床普遍高于地面, 河水在由南向北流动过程中极易发生凌汛灾害。尽管每年的凌险期较短, 但凌险来势快, 危险性极大。尤其是随着全球气候变暖而带来的气温升幅加大, 黄河凌险的危害将更为严重^[1]。

黄河内蒙古段是内蒙古自治区的主要粮食产区和经济较发达地区, 该区人口主要集中在沿河两岸。据近50年的资料记载, 黄河凌汛灾害平均每2年在该地区出现1次, 且开河期灾情重于封河期^[2]。凌汛灾害发生突然, 往往带来较大的经济损失和人员伤亡。因此开展黄河凌汛灾害分析以及防御对策研究意义重大。

发源于巴颜喀拉山的黄河, 在“入海流”的过程中, 经过3个阶梯。上游流经崇山峻岭, 在源头至青铜峡的2604 km河道中, 海拔从4448 m下降到1133 m, 比降超过1.27‰; 中游流经黄土高原, 在青铜峡至桃花峪的2092 km的河道中, 海拔从1133 m下降到89 m, 比降为0.5‰左右; 下游流经华北平原, 在桃花峪以下的768 km河道中, 落差89 m, 比降仅为0.1‰^[3]。特别是在兰州附近, 黄河折向东北流, 北进近4.5个纬度, 沿岸的气温也降低了4~6 ℃(表 1)。正是这南高北低的气温分布和黄河内蒙古段很小的比降, 成为这些地区凌汛形成的主要原因。

表 1

表 1 黄河兰州—内蒙古段沿河主要气象站点及其气温情况 Table 1 The geographical and temperature features of the major stations along the Yellow River bank from Lanzhou to Inner Mongolia

表 1 黄河兰州—内蒙古段沿河主要气象站点及其气温情况 Table 1 The geographical and temperature features of the major stations along the Yellow River bank from Lanzhou to Inner Mongolia

黄河内蒙古段凌汛最危险的地区是磴口县到托克托县一带。该河段全长504 km, 落差63 m, 是黄河比降最小的地段之一 (见表 2)。比降与河水的流速有关, 比降越小, 流速越缓。而这些地段在黄河河道中位置最偏北, 温度也最低。由于河道开阔、比降小、流速低、气温低, 河水易于结冻, 所以该河段成为黄河最先封冻和最后开河的河段。一般该河段流凌封冻比兰州提早20余天, 而解冻开河要晚一个多月。这些地区封冻之后, 上游下泄的河水有很大一部分冻结在河道中。第二年春天, 上游又率先解冻, 大量冰水由上向下逐段释放下泄, 形成了由上向下不断增大的凌峰。由于下游河面上还结着厚冰, 冰层下面, 水的过流能力又不足以通过上游的凌峰, 最终不断增大的冰下水流压力, 迫使河面厚冰开裂。这种水鼓冰裂的“武开河”方式, 使河中大块流冰增多。冰块在水流推动下, 继续下移, 在浅滩或河道弯曲、狭窄处, 极易卡住, 后至的冰块上爬下插, 拥塞结坝。冰坝一旦形成, 拦住冰水去路, 上游水位便猛烈抬升, 很快就会漫堤决口, 酿成凌灾。

表 2

表 2 黄河兰州—内蒙古段各段比降与弯曲度 Table 2 The gradient and curvature of each section along the Yellow River bank from Lanzhou to Inner Mongolia

表 2 黄河兰州—内蒙古段各段比降与弯曲度 Table 2 The gradient and curvature of each section along the Yellow River bank from Lanzhou to Inner Mongolia

从黄河流进内蒙古段的区域气温变化来看 (见表 3), 达旗至托克托县段为黄河内蒙古段1月和3月平均气温最低的区域, 1月为-13 ℃左右, 3月为0 ℃左右; 乌海至磴口段为封河期和开河期气温最高区域, 1月为-6 ℃以上, 3月为1 ℃以上。气温的区位分布特征, 造成达旗至托克托县段为黄河内蒙古段封河最早、开河最晚的区域, 多年平均开河期为3月20日左右, 封河期为12月17日左右; 乌海至磴口段为开河最早、封河最晚区域, 多年平均开河期为3月13日左右, 封河期为1月10日左右。乌海至磴口段位于内蒙古黄河段的上游地区, 在上游已开河而下游仍以封河为主, 加之春季内蒙古地区春温回升快, 气温变化幅度大, 开封河时间的不同步, 造成磴口至托县为凌险最重区域, 并且开河期重于封河期。

表 3

表 3 黄河内蒙古段沿河主要气象站点及其气温变化情况 Table 3 The stations and its temperature features of the major stations along the Yellow River bank in Inner Mongolia

表 3 黄河内蒙古段沿河主要气象站点及其气温变化情况 Table 3 The stations and its temperature features of the major stations along the Yellow River bank in Inner Mongolia

内蒙古河套地区为古湖盆冲积平原^[4], 地形平坦, 而黄河土堤是两岸唯一的保护屏障, 一旦发生凌灾, 河水携带着大块流冰和有很大冲击力的土堤冰水混合物, 破坏力极大。因此, 黄河土堤是凌灾发生的又一原因。

黄河凌汛出现时段为:初春2月下旬至3月下旬, 初冬11月下旬至12月下旬。这段时间是气温变化幅度最大时期, 尤其是初春的2月下旬至3月下旬, 气温回升快, 是黄河凌汛最易发生的时段; 其次为初冬, 冷空气活动频繁, 气温乍暖乍寒, 使冰面夜冻昼化, 也是黄河凌汛易发时段之一。

从黄河凌汛的空间分布来看 (图 1), 巴彦淖尔市磴口县至呼和浩特市托克托县是黄河内蒙古段凌汛重点防御区域。

图 1

图 1. 黄河内蒙古段分布图 Fig 1. The distribution of the Yellow River bank in Inner Mongolia

利用趋势分析预测方法, 以年代t为自变量, 封河日、开河日为因变量y, 进行封、开河的长期趋势预测。其趋势预测模型为:

(1)

利用最小二乘法来估计其演变趋势b:

(2)

其中, b为封河日和开河日的线性趋势, b > 0表示开河日期在提前, 封河日期在推后; b < 0则表示封河日期在提前, 开河日期在推后。t_i, y_i分别表示某i时间封河日期、开河日期原序列值, t, y表示相应要素的多年平均值。

利用1961—2005年黄河内蒙古段水文站点所测的开河日期、封河日期资料的年际变化及其线性趋势演变 (图 2、图 3), 可以明显看出, 随着全球气候的变暖, 内蒙古黄河段的气温在显著增加, 其表现就是开河日期在逐渐提早, 封河日期在逐年推后。根据国家气候中心的未来气候变化情景预估, 未来内蒙古西部地区年均气温仍以变暖为主, 尤其是冬季、春季增温幅度更大。冬春季气温的明显增加, 使黄河凌汛期开河日未来的变化趋势为逐年提前, 封河日期逐年延后, 而流凌期不断延长, 但气温的冷暖异常波动, 使得黄河凌汛的危险依然存在, 因此必须引起有关部门的高度重视。

图 2

图 2. 磴口站开河趋势变化 Fig 2. The ice thawing trend variation of Dengkou station

图 3

图 3. 磴口站封河趋势变化 (图中1月为次年1月) Fig 3. The ice closing trend variation of Dengkou station (January in the figure refers to that of the next year)

影响黄河凌汛的因素很多, 既与黄河河堤堤坝状况、大型水库的调节蓄水能力、地形等因素有关, 又与前期降水量多少、开封河时气温变化幅度大小等气候因素相关^[5]。随着经济的发展, 堤坝加固以及水库调控能力会不断加强, 气候因素成为影响黄河凌汛的主要因子。

基于历年黄河内蒙古段凌汛灾情资料, 结合所影响地区的气候特点, 分析黄河凌汛与气温、降水量以及河水水位深度、大型水库调控能力等因素的关系, 建立黄河内蒙古段凌汛灾害损失评估模型。在黄河内蒙古段凌汛来临前, 根据未来天气预报趋势与结果, 开展灾前损失评估工作, 为科学防御黄河凌汛灾害和救灾提供决策依据。同时对一些强度较大的凌汛灾害, 开展灾损跟踪服务和影响评估工作, 为政府指挥炸冰或疏散群众提供决策服务。对受灾严重的地区, 根据未来气候条件变化趋势, 开展灾后恢复评估影响分析, 提出恢复性的对策建议。对沿黄地区农村、重点工程设施、水库建设和调控能力、河堤堤防等进行凌汛灾害风险性评估, 提出风险规避防御措施。

随着天基、空基、地基等气象探测手段的加强, 以及黄河流域自动气象站网的建设, 黄河凌汛期的监测、预报、预测及服务水平得到明显提高。根据黄河内蒙古段凌汛期的气候特点, 已开展了黄河内蒙古段开河期、封河期、凌险危害程度等级的预报、预警服务。同时借助卫星遥感技术, 对黄河段开河凌险等情况, 进行了实时监测, 并通过网络资源和各种通信设备以及社会公共服务体系, 向社会各界及时提供了黄河内蒙古段凌汛期监测预报产品。这些为凌汛灾害防御措施, 对减轻凌汛灾害所造成的损失发挥了重要作用。但也存在着监测手段滞后和水文资料不能及时得到等问题。

黄河内蒙古段凌险严重地段, 基本位于以灌溉为主的农业区。为了调节黄河水资源的利用率, 在沿黄流域相继修建了多座大型水库。黄河又称“悬河”, 河岸堤坝主要以土堤为主, 近年来对堤坝也进行了除险加固, 这些工程措施对防御和减轻黄河凌汛灾害的影响均起到了重要作用。但由于受投入有限等诸多因素的限制, 黄河堤防的建设缺乏长远规划, 每年只维修一些危堤、险堤; 黄河流域水库的调控能力缺乏统一调度; 因农民凿堤取水而形成的许多穿堤涵洞, 没有及时得到处理而留下隐患等。

利用新一代多普勒天气雷达、卫星、闪电定位、多探头的自动气象观测站以及飞机、车载移动观测等手段, 建立多部门合作, 以气象和水文信息分析、加工处理为主体的、资料数据高度共享的黄河内蒙古段凌汛灾害监测预测预报预警系统, 实现对黄河凌汛灾害预测预报预警的精细、准确和及时服务, 加强上下游联防, 提高黄河凌汛灾害临近预测预报预警水平。利用各种现代通讯手段, 建立黄河凌汛灾害监测信息和预警信号发布系统, 实现黄河凌汛灾害警报进社区、进企业、进农村, 提高黄河凌汛灾害警报覆盖范围。利用地理信息技术, 建立黄河凌汛灾害损失评估模型, 开展本区域内黄河凌汛灾害损失的定量化评估, 为各级政府采取各项防灾减灾措施提供服务。

由政府统一规划, 加强黄河堤防建设, 及时维护、抢修河道涵洞; 加大对沿黄流域各水库蓄水、泄水能力的调控力度; 通过给予适当补助的方式, 有计划转移凌汛灾害频发区的群众, 建立能抗御10~30年一遇凌汛重灾的工程体系。

黄河凌汛灾害防御工作涉及到社会的各个方面、各个部门, 需要社会各部门通力合作。必须建立健全黄河凌汛灾害防御工作管理体系, 成立由水利和气象部门共同合作, 其他部门参与的黄河凌汛防灾减灾管理机构。

气象防灾减灾工作是一项长期持久的工作, 必须纳入各级政府防灾减灾体系建设规划中, 由政府统一计划安排资金, 组织黄河凌汛灾害防御预警预报预测评估系统、法律法规、防御规划等的建设和实施。此外, 应加大宣传教育力度, 引导沿黄地区人们科学取水、合理用水的意识。