孟聞遠(yuǎn)，張 蕊，王俊鋒

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

黃河防凌減災(zāi)方案新探索

孟聞遠(yuǎn)，張 蕊，王俊鋒

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

雖然傳統(tǒng)的黃河凌災(zāi)防御策略與技術(shù)在減小黃河凌訊災(zāi)害方面發(fā)揮了重大作用，但由于技術(shù)手段與方法的局限，凌災(zāi)防御仍存在被動(dòng)防御的現(xiàn)實(shí).提出了“變被動(dòng)防御為主動(dòng)防御、變軍隊(duì)?wèi)?yīng)急機(jī)制為軍民聯(lián)合防治”的理念，借助先進(jìn)的信息技術(shù)與便捷、安全、高效、迅速、成本低、威力大的“聚能隨進(jìn)”新的爆破技術(shù)，提出了黃河防凌減災(zāi)的新方案，并研發(fā)出相應(yīng)的一系列專用破冰器材，可有效遏制凌災(zāi)的發(fā)生，并能在其他地區(qū)推廣應(yīng)用.

黃河凌汛;傳統(tǒng)技術(shù);聚能隨進(jìn)新技術(shù);主動(dòng)防御

黃河流域由于其特定的地理位置、低緯度到高緯度的氣候差異、熱力和水力作用及曲折多變的河道流勢(shì)邊界條件，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展影響極大，其冰凌災(zāi)害更是不容忽視.并且，近年來隨著極端氣候頻發(fā)，致使冰凌災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，直接經(jīng)濟(jì)損失慘重，防凌形勢(shì)越來越嚴(yán)重.雖然對(duì)黃河凌汛危害采取了“放、蓄、分、排”等多種有力措施，積累了豐富的防凌經(jīng)驗(yàn)，為保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全做出了巨大的貢獻(xiàn)，但黃河凌災(zāi)并沒有得到根治［1］.因此，總結(jié)以往防凌理論和技術(shù)，研究黃河冰凌防治新理論和新技術(shù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 傳統(tǒng)的黃河凌汛防災(zāi)技術(shù)

傳統(tǒng)的冰凌防災(zāi)技術(shù)主觀上采取“主動(dòng)防御”的策略，以工程措施及爆破技術(shù)為主導(dǎo)，采取“上控、下泄、中分”的策略，起到了很好的防御作用，使得文開河年份增加，在黃河凌災(zāi)防治上起到了重要的作用［2］.

1.1 傳統(tǒng)的防凌措施

傳統(tǒng)的防凌措施主要包括:修筑堤防工程、分水分凌工程、水庫防凌工程以及機(jī)械破冰防凌措施等.其中修筑堤防工程防凌只是黃河寧蒙河段凌汛防御的有效措施，在別的河段并不適用.沿黃河兩岸的分水涵閘，可以通過減輕河槽蓄水量，在文開河時(shí)減輕凌洪威脅.但對(duì)于武開河，由于開河速度加快，封凍期間的蓄水量迅速下泄，分凌效率會(huì)大大降低.水庫調(diào)度防凌是通過調(diào)節(jié)水量，改變下游河道水力條件，形成順次開河的形勢(shì)，從而避免凌災(zāi)發(fā)生.然而，黃河的冰凌形成受多種要素的影響，承擔(dān)防凌水量控制的水庫與封凍河段距離較遠(yuǎn)，根據(jù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需水要求，不可能在解凍期完全斷流，而且水庫防凌庫容有限，也不可能較長時(shí)間蓄、排水;另外，如果水量控制不當(dāng)又會(huì)加劇冰凌的成災(zāi)速度，因此采取水量的調(diào)度和控制只能在一定程度上起到輔助排凌的作用［3］.

學(xué)者經(jīng)過長期的研究，對(duì)冰塞、冰壩等實(shí)施爆破已成為一種獨(dú)具優(yōu)越性的有效搶險(xiǎn)方法.傳統(tǒng)爆破方法包括人工小規(guī)模爆破、空中投彈爆破、迫擊炮破冰等.人工爆破一般用于在跨河建筑物周圍防止形成冰蓋，但耗時(shí)長，安全性差，效果不好.空中投彈爆破一般是在河面出現(xiàn)卡冰結(jié)壩時(shí)可立即采取的一種措施，但冰凌介質(zhì)不符合爆破工程學(xué)原則，故此法不科學(xué)且效率低;而且重磅爆破將嚴(yán)重?fù)p壞河床，改變河道，這種精準(zhǔn)度差的無控爆破容易造成跳彈和飛彈破片威脅建筑物以及人身安全的事故.迫擊炮破冰是傳統(tǒng)的破冰方法之一，但由于裝藥量小，且為接觸性爆炸，工效往往比較低［4］.

另外還有破冰船機(jī)械動(dòng)力破冰法，在冰薄水深的領(lǐng)域里有較好的效果，如海洋破冰，但在冰厚、水淺、河道曲折蜿蜒、狹窄的黃河上卻難以進(jìn)行.

1.2 傳統(tǒng)爆破技術(shù)的局限性

傳統(tǒng)爆破技術(shù)有很大的局限性，主要體現(xiàn)為:①在孕災(zāi)致災(zāi)機(jī)理上，對(duì)冰凌結(jié)構(gòu)形成的特性規(guī)律、破冰之后浮冰運(yùn)移規(guī)律以及冰凌致災(zāi)規(guī)律缺少充分的認(rèn)識(shí);②在爆破技術(shù)上，采用無控爆破方式，其爆破范圍小，能量耗散大，冰面以上空氣當(dāng)中能量利用率低;③在防災(zāi)組織形式上，啟動(dòng)部隊(duì)機(jī)制需要調(diào)用周期，飛機(jī)大炮不能全天候作業(yè)，而且投彈準(zhǔn)確性不足，凌災(zāi)來得急時(shí)會(huì)貽誤防凌時(shí)機(jī);④在破冰器材上，現(xiàn)有的爆破器材機(jī)動(dòng)性差、破冰效率低、無成型專用系列;⑤從安全性上，軍用炸彈實(shí)施爆炸的破片或跳彈將危及河床上的建筑物、民用設(shè)施及人身安全，而且過水建筑物處無法施爆;⑥從成本上，費(fèi)用高，投入的物資及人力較多;⑦從理論研究上，沒有形成系統(tǒng)的理論分析體系，在分析模型與思路上有偏差，不能科學(xué)有效地指導(dǎo)防凌爆破，更無法推廣到黃河以外的其他河流的防凌工作上［4］.

2 防治凌訊災(zāi)害的新方案

2.1 新方案的防治理念

針對(duì)黃河的特殊情況，筆者建立了變被動(dòng)減災(zāi)為主動(dòng)防御，變傳統(tǒng)模式為現(xiàn)代技術(shù)的新理念.

1)利用現(xiàn)代技術(shù)手段，研究黃河冰凌形成的機(jī)理和規(guī)律，建立一套完整的監(jiān)測、預(yù)報(bào)、預(yù)警體系，提前消減致災(zāi)的因素與條件，如大塊流凌、冰蓋等.

2)一旦出現(xiàn)冰塞、冰壩，采取應(yīng)急處理措施.利用“機(jī)動(dòng)便攜、安全高效、操作簡易”的現(xiàn)代技術(shù)器材立即去冰面實(shí)施爆破，防止出現(xiàn)大的凌災(zāi).

3)在組織上，變軍隊(duì)機(jī)制為軍民合作聯(lián)合防控或者單純的民防組織［5］.

2.2 新方案的理論與技術(shù)

在理論上，改變傳統(tǒng)的在冰平面方向受力斷裂分析理論，變?yōu)楦咏鼘?shí)際情況的冰水相互耦合的動(dòng)力分析模型作為理論指導(dǎo).新思路下的理論分析:由于冰體材料具有抗拉性，借助現(xiàn)代爆破技術(shù)，使冰水相互作用或爆炸沖擊，在垂直冰平面方向有規(guī)劃施力，冰體受垂直平面力折斷成小尺寸的、較均勻的、對(duì)下游建筑物和堤防沒有傷害的甚至是可以流動(dòng)的冰塊，達(dá)到爆破能少、成本低的效果.

在技術(shù)上，變近距離人工操作爆破為遠(yuǎn)距離遙控爆破;變傳統(tǒng)的單點(diǎn)爆破為規(guī)?；年嚵斜?變冰面無控爆破為冰內(nèi)或冰下預(yù)控爆破;變有破片軍用彈丸爆破為無彈片民用彈丸爆破;變飛機(jī)、大炮投射爆破為現(xiàn)代便攜常用器材爆破.從而消除傳統(tǒng)方法的不利因素，實(shí)現(xiàn)“快、準(zhǔn)、大、省;高效、機(jī)動(dòng)、簡便”的技術(shù)目標(biāo).

2.3 具體方案設(shè)計(jì)

2.3.1 技術(shù)方案

首先，要研究黃河河冰的形成、運(yùn)動(dòng)、破壞及冰凌形成的機(jī)理和規(guī)律，開發(fā)一套專門用于模擬黃河局部流域冰凌形成和演化過程的監(jiān)測、預(yù)警、預(yù)報(bào)和災(zāi)害模擬系統(tǒng)，并建立黃河各區(qū)段凌汛期的基于現(xiàn)代高新技術(shù)的水情預(yù)測物聯(lián)網(wǎng)體系.一旦發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)凌情的區(qū)段，依據(jù)先進(jìn)的聚能隨進(jìn)技術(shù)，科學(xué)地主動(dòng)防御，盡量將災(zāi)情消滅在萌芽階段［6］.

其次，如災(zāi)情過于迅猛，導(dǎo)致主動(dòng)防御不利，針對(duì)不同的災(zāi)情又可以采取以下不同的技術(shù)方案.

1)大塊流凌爆破.用火箭聚能隨進(jìn)爆破器、肩扛式火箭聚能隨進(jìn)爆破器在岸上或船上發(fā)射，能摧毀距離岸邊較遠(yuǎn)的大塊流凌.

2)冰蓋爆破.在人員可以行走的冰蓋上，根據(jù)需要，布設(shè)一組聚能隨進(jìn)爆破器，可以一次性開設(shè)一條或者多條有一定寬度的裂縫，消除冰蓋的膨脹作用或者開辟河道泄流通道.也可以按一定的間距或者列距設(shè)置聚能隨進(jìn)破冰器的陣列組合，起爆后，破碎冰蓋，讓小型冰塊漂流到下游.用水下火箭拖帶破冰器組合陣列爆破可實(shí)現(xiàn)冰蓋的大面積破碎.

3)摧毀冰塞、冰壩.對(duì)即將或已經(jīng)形成的冰塞、冰壩，要快速、高效、準(zhǔn)確、安全地予以排除.人員不能到達(dá)的冰塞冰壩，發(fā)射肩扛式火箭聚能隨進(jìn)破冰器或水下火箭拖帶聚能破冰器破冰.

2.3.2 器材簡介

專用破冰器材有聚能隨進(jìn)破冰器、(肩扛式)火箭聚能破冰器、水下火箭拖帶破冰器.其中前2種都利用了聚能隨進(jìn)爆破技術(shù).聚能隨進(jìn)技術(shù)就是俗稱的鉆地彈技術(shù)，主要由聚能鉆地部分和隨進(jìn)后的戰(zhàn)斗部分構(gòu)成.這2種器材可分別在靜態(tài)和遠(yuǎn)程實(shí)施爆破，目前已有實(shí)驗(yàn)成品，并獲得了專利［5］.

與傳統(tǒng)器材比較，專用破冰器材具有以下特點(diǎn):破冰器材輕便簡單，便于組裝和機(jī)動(dòng)攜帶;爆破勞動(dòng)強(qiáng)度低，作業(yè)速度快;彈藥均為全備全保險(xiǎn)型，安全可靠;按照破冰常用器材設(shè)計(jì)，可以長期儲(chǔ)存和安全使用;爆破時(shí)無金屬破片，不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生影響;火箭隨進(jìn)破冰器可實(shí)現(xiàn)岸邊遠(yuǎn)距離準(zhǔn)確控制爆破;可多種器材隨機(jī)組合使用，破冰效率高、綜合成本低;不需專門的技術(shù)人員，常規(guī)防凌隊(duì)伍簡單訓(xùn)練后即可操作.

2.4 新技術(shù)的部分試驗(yàn)結(jié)果

圖1 靜態(tài)聚能隨進(jìn)破冰器及爆破效果

課題組于2010年3月在內(nèi)蒙古的磴口、2011年3月在黑龍江佳木斯，分別進(jìn)行了靜態(tài)聚能隨進(jìn)破冰器、火箭聚能隨進(jìn)破冰器的爆破效能試驗(yàn)，爆破效果分別如圖1和圖2所示.試驗(yàn)結(jié)果表明，聚能隨進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于冰體爆破具有可行性;同時(shí)驗(yàn)證了這2種專用破冰器材的優(yōu)良效果.

圖2 火箭聚能破冰器的爆破效果

該試驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到預(yù)期的破冰效果，為后續(xù)整個(gè)方案的系統(tǒng)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).目前以計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的預(yù)警、預(yù)報(bào)物聯(lián)網(wǎng)體系正在構(gòu)思，相關(guān)軟件開發(fā)、其他爆破參數(shù)的試驗(yàn)與力學(xué)計(jì)算正在有序進(jìn)行.同時(shí)，對(duì)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)平衡的問題也將進(jìn)行系統(tǒng)地研究［6］.

3 結(jié)語

新思路下的防凌新技術(shù)方案，將是一套理念先進(jìn)、力學(xué)理論支撐、科學(xué)合理、爆破技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、低成本、高效能、人員組織簡單高效的合理方案.該技術(shù)方案不僅可用于黃河流域的防凌，還可推廣用于渤海灣、黃海近岸等地區(qū)的防凌.預(yù)期成果將是一套具有巨大創(chuàng)新意義的新規(guī)程.

［1］可素娟，王敏，饒素秋，等.黃河冰凌研究［M］.鄭州:黃河水利出版社，2002.

［2］馬喜祥，白世錄，袁學(xué)安，等.中國河流冰情［M］.鄭州:黃河水利出版社，2009.

［3］馮國華，朝倫巴根，閆新光.黃河內(nèi)蒙古段冰凌形成機(jī)理及凌汛成因分析研究［J］.水文，2008，28(3):74－76.

［4］佟錚，馬萬珍，王寧.黃河內(nèi)蒙古河段凌汛期爆炸破冰的基本方法［J］.人民黃河，2011，25(12):8 －9.

［5］孟聞遠(yuǎn)，郭穎奎，王璐.黃河冰凌特點(diǎn)及防治措施［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，31(6):27－29.

［6］張傲妲.黃河內(nèi)蒙段冰清特點(diǎn)及預(yù)報(bào)模型研究［D］.呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

New Research on the Mitigation of Ice Disasters in the Yellow River

MENG Wen-yuan，ZHANG Rui，WANG Jun-feng
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The traditional active defence strategy and technology to prevent ice disasters take an important role in reducing ice flood damages in the Yellow River，however，due to the limit in relevant techniques and methods，the ice prevention is subject to the passive defence.Thus，the new idea is proposed that the passive defence should be turned to the active defence，and the military emergency mechanism should be changed into joint military-civilian control.By means of the advanced information technology and new“energybinding and following-up”blasting technology which is convenient，safe，efficient，rapid，powerful and cost-effective，a new scheme is put forward for the mitigation of ice disasters in the Yellow River，and a series of special ice-breaking equipments are developed，which can prevent the ice disaster effectively，and can also be popularized in other areas.

ice flood in the Yellow River;traditional technology;the new energy-binding and following-up technology;active defence

1002－5634(2012)02－0050－03

2012－02－02

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201201080).

孟聞遠(yuǎn)(1965—)，男，河南郾城人，教授，博士，主要從事數(shù)值計(jì)算新方法、結(jié)構(gòu)動(dòng)靜態(tài)分析等方面的研究.

(責(zé)任編輯:陳海濤)