论三门峡水库的调节在黄河下游防凌中的作用
陈赞廷,孙肇初,蔡 琳,王文才
一、黄河下游凌汛概况
黄河下游凌汛，在历史上决口频繁，危害严重。据不完全统计，自1883年至1936年的54年中，就有21年发生凌汛决口。近三十年来，也曾出现过1951年、1955年、1969年、1979等年度很严重的凌情。其中，1955年解冻时利津站最高水位比1958年最高洪水位还高1.55米;1969年凌汛期的“三封、三开”的严重局面也为历史上所罕见。
黄河下游凌汛之所以严重，是由其特定的地理、水文、气象条件决定的。
第一，下游河道流向自兰考由西南转向东北以后，纬度不断增高。兰考以上河段地处北纬34°55′。而入海口处却达北纬38°左右，两地相差3°左右(见图1)。由于纬度上的差异而导致下段山东河道封冻早、解冻晩、冰厚；上段河南河道封冻晩、解冻早、冰薄。因此，当气温升高，尤其是因水力作用而促使上段河道解冻时，而下段河道往往还处于固封状态，容易形成节节卡冰阻水，造成凌洪。这是形成凌汛的主要原因。
图1 黄河下游平面布置图
第二，上段河道宽浅，下段河道窄深多弯。在封冻期河槽增加的蓄水量，大部分积蓄在宽河道内。当上段河道解冻时，这部分槽蓄水量突然释放出来，凌洪沿程加大，当流至下段窄深而弯曲的河道，由于排泄不畅，势必加重凌汛威胁。
第三，气温、流量变化大。黄河下游地处中纬地区的平原地带，面临海洋。由于各年冬春季节大气环流特征和冷空气来路、强弱的不同，在多数年份中，该时期的气温变化不仅正负频繁，而且变幅大。另外，径流量受内蒙古至三门峡区间冰情的影响，流量忽大忽小。致使各年凌情轻重程度不同，甚至在一个凌汛期内出现多次封冻、解冻的现象，给黄河下游凌汛增加了复杂性。
据资料统计，在近三十年中有二十五年封冻。在封冻的年度中，有的封冻长度长达700多公里，有的只封冻50多公里；河道冰量最多达1.4亿立方米，多年平均为0.5亿立方米；封冻日期滨海河段最早在12月12日，多年平均为1月14日；解冻日期一般在2月20日前后，最晩为3月18日。兰考以上河段封冻日期比滨海河段晚十几天，而解冻却早十几天。冰盖厚度差别亦甚大。滨海河段一般为0.3～0.4米，兰考以上河段仅0.1米左右。这些封冻、解冻、冰厚等方面的差异表明黄河下游是一个不稳定的封冻河段。
新中国建立后，为解除凌汛危害，对凌汛形成的规律进行了大量的观测研究，并在这个基础上逐步改进防凌措施，战胜了多次严重的凌汛，取得了连续二十多年凌汛期未决口的巨大成绩。
在三门峡水库建成前，主要的防凌措施是防、破、分。所谓防，是组织强大的防凌队伍，严守黄河两岸大堤以抗御凌洪；破，是用破冰的办法适时的把狭窄、弯曲河段的坚冰破开，以利凌洪下泄，避免形成冰坝；分，是利用沿黄涵闸适时分洪分凌，减轻凌洪对堤防的威胁。我们在与凌汛斗争的过程中逐步认识到，当上段河道封冻冰层尚未充分解体而以水力作用为主造成的“武开河”是形成严重凌汛的重要原因。而“武开河”的动力大小与来水量、槽蓄水量的多少关系很密切。因此，在整个凌汛期间只要能控制流量不忽大忽小，尤其在解冻前适当减少上游来水，使水位呈下降趋势就不致形成严重凌汛。所以，当三门峡水库于1960年建成后，黄河下游防凌措施，就发展到利用水库以调节河道水量为主的阶段。
二、对影响凌汛的主要因素的分析
影响凌汛的因素较多，主要的有热力、水力和河道特征三个方面。
作用于水流的热力因素，主要有太阳辐射、大气与水的热交换、有效辐射及蒸发等，此外地下水的加入、降水、河床与水体间的热传导以及水流的动力加热等，也或多或少影响着水流的增热或冷却的过程。冬季，由于太阳辐射的减弱，强冷空气的侵入，往往使气温迅速地、大幅度地下降，这时气温与水温的差值较大，它们之间热交换的结果，往往使水流急剧冷却转化为冰。所以，对于影响凌汛的热力因素来说，气温的变化就具有决定性的作用。
水力因素主要包括流量、流速和水位等。在河面出现浮冰以后，如果流量大、流速快，则水流的输冰能力强，冰块就较难停止下来；反之，则水流的输冰能力弱，冰块流动慢。在河床断面形状、糙率特征和纵比降相对稳定的情况下，水位和流速的变化将主要受流量大小的支配。所以，对于影响凌汛的水力因素来说，流量的变化就具有决定性的作用。
河道特征对凌汛的影响，通常多注重于它的几何边界条件对冰凌的卡塞作用，这一点确是很重要的；然而，除此以外，河道的特征还可以通过改变河流的热力和水力状况而对凌汛施加影响。就范围大的平面形态而言，黄河下游河道流经地区的气温是上暖下寒，就是直接影响凌汛的热力因素，至于局部河段的宽窄、河床纵比降的陡缓等，也都直接影响到该河段水流形态的变化，这就是河道特征通过水力作用对凌汛的影响。从这个意义上来说，着重分析热力和水力因素对凌汛的影响，是十分必要的。
在黄河下游，气温和流量的变化对凌情的影响是比较复杂的；但是通过一些现象以及对有关资料的分析看出，由气温反映的热力因素和由流量反映的水力因素在影响凌汛的过程中有着明显的规律性。
为了阐明这一规律性，我们将黄河上游包头、中游吴堡和下游济南三个河段的流速、气温及冰情状况列于表1中。包头河段地处东经110°、北纬40°30′左右，冬季气温低，极端最低气温曾达-33 ℃,河床纵比降亦小，即使流量为600～700秒立方米时，断面平均流速仍小于1米/秒，低气温占主导地位，以致年年封冻。一般从11月下旬或12月上旬封冻，至次年3月下旬前后解冻，稳定封冻期较长。吴堡河段地处东经110°45′、北纬37°27′左右，气温较包头河段略高，极端最低气温曾达-25.4 ℃,但由于河床纵比降大，即使流量为300秒立方米时，断面平均流速亦达1.3米/秒，当流量为700秒立方米时,流速已接近2米/秒，水力作用占主导地位，以致年年皆不封冻。济南河段地处东经116°48′、北纬36°44′左右，气温较上述两个河段均高，极端最低气温曾达-19.7 ℃,河床纵北降稍大于包头而小于吴堡河段。当流量为600秒立方米时，流速仍小于1米/秒，水力作用较弱，所以气温虽不算低，但它仍占主导地位，除少数冬季气温明显偏高而水力作用又偏大的年份没有封冻外，一般年分均封冻。
表1 黄河包头、吴堡、济南三河段流速、比降、气温、封冻情况统计表
为进一步阐明其规律性，我们对黄河下游近三十年的凌情进行了全面分析，从中可以看出：1965—1966年冬暖枯水封冻了,1964—1965年冬暖丰水未封冻；1956—1957年冬寒枯水封冻了，1967—1968年冬寒丰水也封冻了，1971—1972年亦属冬寒丰水，但由于流量达700～1 000秒立方米，较前更丰，因此后期在严寒的情况下却未封冻，见表2。
表2 黄河下游封冻与未封冻典型年份气温、流量比较表
这说明气温和流量在影响凌汛过程中的作用大小，随着它们的不同组合和数值高低其结果完全不同。同是属于冬暖或冬寒的年份，枯水时能封冻，丰水时却不能封冻。这就是说，在一定的河道形态下，当流量大到一定程度，水力作用的增大就可以抗御在一定低气温条件下的热力作用而不致封冻，使流量成为不封冻的决定因素。
以上仅说明了气温、流量与河流封冻之间存在着一些定性关系。那么它们之间究竟有无定量的关系呢？为此将黄河下游济南以下各水文站多年观测的有关资料点绘于图2中。图中左侧属于封冻区，右侧为未封冻区，二者之间有一个明显的过渡区。其总的趋势是气温越低，不封冻要求的流量越大。这种相应的关系还随不同的河段而有所变化，像宽浅河段就比窄深河段所需要的不封冻流量为大，这是由于要取得同样的流速，前者的流量必须大于后者。
图2 黄河下游济南以下河段历年凌汛气温流量与封冻关系
我们知道，河流在小流速情况下封冻时，冰块顺序平列的相冻结，称为“平封”，封初的冰盖厚度决定于浮冰的厚度；如封冻时流速较大，则冰块倾斜地堆叠而互相冻结，称为“立封”，封初的冰盖厚度与冰块的大小及其堆叠的倾斜度密切相关。显然，后者大于前者。当流速超过某一极限值以后，则冰盖沿水流向上游的发展即告停止，漂浮的冰块将钻入冰盖层底下，于是产生冰塞。实际情况表明，河流的封冻形势不仅影响封冻初期和稳定封冻期的水流形态，还会影响到河流的解冻形势。
通过上述分析我们还可以看出，如果较大的流量不能*制抵**低气温的影响而封冻时，不仅会形成“立封”，增加初始冰盖的厚度，而且还会导致严重的冰塞，迫使河水位大幅度上升，增加河道的槽蓄水量。一般情况下，槽蓄水量大，解冻时的凌峰流量也大。见图3。
图3 槽蓄量与凌峰流量关系
众所周知，大的冰量是解冻开河时卡冰结坝的物质基础，而解冻开河时由于槽蓄量的释放所形成的凌峰是卡冰结坝的动力条件。从这个意义上说，在河段封冻过程中以及稳定封冻以后，流量的大幅度增加是极其不利的。
综上所述，气温和流量在影响黄河下游凌汛的过程中是互相关联而又互相制约的。河道封冻以前，低气温促使河道封冻,而较大的流量却抗御河道的封冻；河道稳定封冻以后，低气温要维持河道稳定封冻，而流量增大却要促使河道解冻，尤其是流量的突然加大，很易导致“武开河”的发生。如果在封冻以后，河道里的流量是一个逐渐减小的过程，那么不仅可以抑制“武开河”的形成，而且能够削减河道的槽蓄量,推迟解冻日期，为热力因素为主的“文开河”创造有利的条件。
三、关于三门峡水库运用方式的讨论
通过上面的分析，从而得出一个结论，就是利用河段上游的水库，按照水力因素和冰情形态演变间的规律，调整河道冬季流量变化的过程，可以控制下游冰凌的危害。但对调节运用的具体方式，应视河流的天然流量变化过程以及水库的特点而定。因此，在论述三门峡水库防凌运用方式以前，有必要对黄河下游冬季流量的天然变化情况和三门峡水库的一些特点作一扼要的说明。
冬季，地下径流的变化，一般具有一个较为稳定的退水趋势，所以，河道里的流量也相应的是一个逐渐减小的变化过程。然而，黄河下游冬季流量变化的过程却不是如此。由于黄河上游内蒙古河段封冻日期早于黄河下游河段，封初河槽蓄水量的大幅度上升，致使黄河下游流量突然的减小；内蒙古河段稳定封冻后，冰盖下过流能力的提高，又使下游流量增加。这样影响而形成的由大到小，又由小到大的下凹形的流量变化过程，就是黄河下游冬季流量变化的最大特点。图4是1965—1966年凌汛期利津河段日平均流量和日平均气温过程线。是年11月底内蒙古河段封冻，当12月19日利津河段日平均流量下降到300秒立方米以下时，恰好遭遇冷空气的侵袭而封冻，这种小流量与低气温的遭遇，常常是黄河下游河道封冻的直接原因。小流量封冻对凌汛形势的影响是：封河早、冰盖低、冰下过流面积小，在后期流量又复增大时，就会破坏封冻的稳定性，尤其是在流量突然增大时，往往造成“武开河”的严重局面。
图4 1965—1966年利津河段日平均流量及日平均气温过程线
三门峡水库位于黄河中游下首，它是黄河下游防洪、防凌的控制性工程，原设计库容较大，后因库区泥沙淤积严重，不得不改为低水位径流调节运用。三门峡水库用于黄河下游防凌，已有20年的历史，目前它能用于防凌的蓄水库容约为18亿立方米。但是，黄河下游12月、1月和2月的多年月平均流量分别为616、526和634秒立方米，这三个月的平均径流总量达46亿立方米左右，有些年分还更大，这就形成了库容小，径流量大的矛盾。尤其是在小流量封冻以后，要完全依靠三门峡水库控蓄后期的流量，则更感库容不足。在这种情况下，水库调节运用的合理方案不仅仅是蓄，而应是有泄有蓄。所谓泄，就是在河道封冻以前，通过水库前期预蓄水量的补给，适当加大河道流量，发挥水力因素在抗御河道封冻方面的作用，争取不封冻，或尽可能推迟封冻日期。所谓蓄，就是在封冻后，通过水库的蓄水，适当减小下泄流量，抑制水力因素，避免形成“武开河”，推迟解冻时间，争取“文开河”。
1.封冻前的泄水运用
在该时段内，三门峡水库下泄流量的大小可以根据两种不同的目的来分别确定。一种是大幅度地提高下泄流量，以达到*制抵**河道封冻不致产生凌汛的目的；另一种是较小幅度的加大并调匀封冻前的流量，以避免小流量封冻或推迟封冻日期从而达到减轻凌汛威胁的目的。
根据黄河下游历年的统计来看，将流量加大到800秒立方米以上时，就有可能不封冻。然而，鉴于凌汛的复杂性，目前尚难确定保证下游河道不封冻的临界流量值。如果流量偏小，非但不能*制抵**封冻，还会在封冻时产生严重的冰塞。图5是1967—1968年凌汛期，黄河下游艾山以下河段，在流量为750秒立方米左右封冻并产生冰塞后的水位上升情况。冰塞以上河段的水位壅高值达3米以上，使大片河滩地淹没。如果为了使河道不封冻更有把握些，而将流量增大到1 000秒立方米以上，那么水库的预蓄水量有时将达25亿立方米以上，这不仅受到库容不足的限制，而且长时间的高水位蓄水运用会过多地增加库区的淤积。因此，加大流量不封冻的设想，在现有工程条件下，黄河下游尚难实现。
图5 艾山以下河段形冰塞后水位变化
至于适当加大并调匀封冻前流量的问题，通过近几年的试验运用取得了一些初步的经验。根据封冻时不产生冰塞、不漫滩以及尽量减少水库预蓄水量的原则，最近几年将封冻前的流量调匀在500秒立方米左右，这样调节运用，不仅可以避免200～300秒立方米的小流量封冻，增加冰下过流能力，而且三门峡水库的预蓄水量不大，一般不超过4亿立方米，对库区淤积影响也不大。
2.封冻后的蓄水运用
河流封冻以后，水流的边界条件明显地改变，湿周的加大，水力半径的减小，冰盖底面糙率的作用以及水内冰的堆积占去了一部分过水断面等等，均会促使大河水位上升，河槽蓄水量大幅度的增加。据统计，黄河下游河道封冻期产生的槽蓄增量，多年平均为3.2亿立方米，最大的年份可达7.4亿立方米。槽蓄增量大，槽蓄总量亦大。槽蓄量的大小与解冻时凌峰流量的大小直接相关，所以槽蓄增量是形成凌峰流量的物质基础；而稳定封冻期上游来流的突然增大，又往往是导致槽蓄增量急剧释放的直接原因。因此，逐步降低河槽蓄水量，并避免河道流量大幅度的变化，应是河道封冻后水库调节运用的基本原则。
根据上述原则，并考虑到三门峡水库有限的防凌库容，近年来采取了稳定封冻期和解冻前期逐级降低水库下泄流量的蓄水运用方式。具体而言，就是在稳定封冻时段，水库下泄的流量以稍小于冰下过流能力为宜。从实践经验来看，如封冻时流量为500秒立方米，那么该时段下泄400秒立方米是比较适宜的。待到解冻前期，再进一步降低下泄流量，这时水库下泄流量可减小到200秒立方米左右，以期适时地、有效地减小河槽蓄水量，为安全解冻创造条件。
1976—1977年凌汛期，黄河下游不仅气温偏低，流量偏大，而且变幅大。1976年12月至1977年2月三个月中，较强的冷空气活动多达12次，其中12月25日前后的一次寒潮，济南的日平均气温从9.8 ℃骤降至-10.2 ℃。12月中旬以后，天然来流也出现了两次下降，两次上升的现象，变幅大到600秒立方米左右，见图6中虚线。像这样的气温和流量的大幅度的变化情况，是近30年来所罕见，因此，出现严重的凌汛局面将是无疑的。但是，三门峡水库自12月20日,利用12月上中旬预蓄的水量开始进行封冻前的泄水运用，使下泄流量维持在800秒立方米左右；当下游河口河段于12月27日在650秒立方米流量条件下开始封冻，出现冰塞造成了局部漫滩时，三门峡水库便立即转入封冻后的蓄水运用阶段，控制下泄流量为400秒立方米左右，至1月23日前后，气温回升，兰考以上河段有解冻象征时，进一步将下泄流量降低至300秒立方米左右，见图6中实线。此外，自2月上旬开始，还利用沿黄涵闸分水，使河道槽蓄水量显著减少，以致下段河道在解冻时的水位比封冻期最高水位下降了0.7～2.4米，冰凌就地融化，因而，未出现凌峰，安度了凌汛。
图6 1976—1977年凌汛期三门峡水库入出流量过程线
另外，如果在解冻前，河槽蓄水量依然很大时，亦可采取关闸断流的应急措施。例如在1966—1967年凌汛期，黄河下游封冻河道长达616公里，总冰量1.4亿立方米，1月下旬全河槽蓄增量达6亿立方米以上。针对这种情况三门峡水库于1月20日关闸断流，从而大大削减了河槽蓄水量，降低了凌峰流量，见图7。这也是在凌情比较严重的年份水库调节运用得当的实例之一。
图7 1966—1967年凌汛期黄河下游槽蓄量变化过程线
四、结 语
就黄河下游防凌而论，三门峡水库的调节运用方式，基本上经历了两个阶段。最初，采用单纯的蓄水方式，即在河道解冻前控制下泄流量，减小槽蓄量，抑制水流避免形成“武开河”。而后，逐步发展到泄、蓄兼施的运用方式，即在封冻前通过水库的补给，适当增加河道的流量，在不产生冰塞的前提下，以期抬高冰盖，提高冰盖下的泄流能力；河道稳定封冻以后，水库下泄流量则稍小于冰盖下允许渲泄的流量，藉以维持河道的稳定封冻状态，并逐步减少河道槽蓄量；至解冻前期，则进一步减少下泄流量，使槽蓄量减至最小，以保证安全解冻。
近十余年来，这种运用方式，不仅在减免黄河下游凌汛灾害方面发挥了作用，而且也为水库的防凌运用方法积累了经验。
然而，水力作用和冰情形状演变间的关系尚属一个新的研究课题，对它的许多规律有待于进一步的研究和认识；同时，三门峡水库离下游封冻河段距离较远，而有关气象、冰情等预报在预见期及其精度方面尚难满足水库运用的要求，因而适时运用三门峡水库的时机不易掌握。我们相信，随着对凌汛规律的进一步认识，以及有关学科的不断发展，三门峡水库的防凌运用方式将会更加完善，它在黄河下游防凌中的作用将会越来越大。
(本文原载于《人民黄河》1980年第5期)