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频繁发生的溃决期冰塞洪水对美国纽约州斯克内克塔迪市莫霍克河下游造成严重影响。本文探讨了应用河流冰情模型评估和开发潜在冰塞洪水缓解方案的方法，具体包括：（1）重新配置河道以消除导致冰塞形成的瓶颈点；（2）物理破碎冰盖，为溃决冰运移提供开阔水道以容纳增加的输冰量；
频繁发生的溃决期冰塞洪水对美国纽约州斯克内克塔迪市莫霍克河下游造成严重影响。本文探讨了应用河流冰情模型评估和开发潜在冰塞洪水缓解方案的方法，具体包括：（1）重新配置河道以消除导致冰塞形成的瓶颈点；（2）物理破碎冰盖，为溃决冰运移提供开阔水道以容纳增加的输冰量；（3）修改研究河段下游端的维舍渡口水坝，以更好地管理水流并将破碎冰块冲刷排出。模型模拟表明，河道改造无法有效缓解冰塞洪水。然而，在诺尔斯至水坝之间的深泓线沿线维持一条贯穿冰盖的开阔水道，结合冬季破冰作业，并改进维舍渡口水坝的设计与运行，能够缓解冰塞洪水。该方法在实际应用中证明了其有效性，并以最小的环境影响为现有冰塞洪水预防方法提供了替代方案。
一、研究背景与科学问题
冰塞洪水是河流冰情管理中备受关注的核心问题，尤其在人口密集的城市区域，此类洪水可造成严重的经济损失。冰塞的形成潜力取决于河道内输冰率与河道自身输冰能力之间的平衡。输冰率受冰流量的大小和冰块的集中度控制，而厚而长的冰盖溃决则可能产生更大的冰塞。河道的几何形态和水流条件共同决定了输冰能力。此外，未破裂的冰盖或河道中的障碍物均可能拦截冰运移并形成冰塞。任何缓解措施都必须综合考虑这些因素及其潜在风险。
莫霍克河下游是美国纽约州斯克内克塔迪市（与州府奥尔巴尼同属一个大都市区）的一条重要河流，该河段长期遭受冰塞洪水的困扰。特别是斯克内克塔迪历史悠久的斯托卡德区的低洼社区，面临严重的溃决期冰塞洪水威胁。研究河段从方达延伸至维舍渡口水坝，全长约58.2公里，并包含斯科哈里溪的一段支流。该河段坡度平缓，存在天然基岩狭窄段，其中雷克斯福德诺尔斯是一个典型的慢性冰塞点。尽管已有多种结构性和非结构性冰控方法被开发出来，但诸如撒灰和爆破等非结构性方法存在环境和安全隐患。因此，亟需一种适用于整个冬季冰期的、新的冰塞洪水预防方案。
二、研究方法与技术路线
为评估和开发潜在的冰塞洪水缓解方案，研究人员采用了二维热力-冰动力学耦合模型CRISSP2D。该模型采用拉格朗日光滑粒子流体动力学方法模拟冰动力学行为，考虑了空气和水拖曳力、重力、内部冰阻力、岸摩擦以及冰搁浅时的底床摩擦力。模型域覆盖了从方达到维舍渡口水坝的58.2公里主河段及斯科哈里溪1.7公里长的河段，并包含了斯克内克塔迪地区的洪泛区。模型首先利用2018年1月的冰塞洪水事件进行校准，分别对明水期河床糙率和溃决期冰运移及冰塞洪水条件下的参数进行了率定。校准后的模型随后用于评估三种潜在缓解措施的成效：（1）河道改造，包括削平洛克8下游的高程河床、疏浚奥奈达斯岛的北航道以及平整诺尔斯处的主航道；（2）在预报的溃决前进行破冰作业，并在维舍渡口水坝池区创建无冰水道；（3）修改维舍渡口水坝的设计与运行，利用钢板或气动闸板使溃决冰运移能够通过水坝。
三、主要研究结果
3.1 河道改造评估
模型模拟结果显示，单纯进行河道改造难以有效缓解冰塞洪水。具体而言：
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洛克8下游河床削平：对冰塞洪水缓解的影响微乎其微。
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奥奈达斯岛北航道疏浚：在简单的冰运移情况下产生了积极效果，但在结合破冰作业的情况下却导致了不利后果。
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诺尔斯处航道拓宽和平整：不仅无助于洪水缓解，反而在破冰作业假设下，会在溃决事件早期短暂增加洪水风险；若无破冰作业，则会加剧诺尔斯处的冰塞，增加上游尤其是斯托卡德区的洪水风险。
3.2 破冰作业与维舍渡口水坝运行优化
研究表明，在预报的溃决发生前，于维舍渡口水坝池区至诺尔斯之间沿深泓线进行破冰作业，可以建立一条供溃决冰运移的开阔水道。在破冰作业期间，通过调节水坝泄流使破碎冰块通过水坝。模型模拟了六种不同工况，其中最优方案S6显示：当峰值流量到达时，少量冰块通过了水坝D段，但在诺尔斯和维舍渡口水坝处仍形成了两个小型冰塞。尽管如此，上游的淹没面积得到了显著减小。总体而言，通过在溃决前期建立诺尔斯至水坝间的开阔水道，并结合对水坝闸板的调整，可以有效降低冰塞的严重程度和规模，从而缓解上游洪水。使用与水坝主通道对齐的72英寸高闸板，能为缓解冰塞洪水提供更广泛的流量调控选项。
四、实施与进一步分析
自2020-21年冬季起，研究人员提议并实施了将开阔水道从维舍渡口水坝延伸至洛克8的方案，以进一步增强溃决冰运移的输送能力。实际操作中，破冰作业从封冻初期开始，贯穿整个冬季直至春季溃决，利用常规拖船即可完成，无需专用破冰设备。当破冰水道内的冰厚达到约0.08米时即进行破冰。模型对比分析了三种水坝运行替代方案，所有方案均能降低峰值水位和洪水淹没范围，其中斯托卡德区的水位保持在无损害水位（67.97米）以下。基于此，该方案于2021年冬季得以实际实施。
五、结论
模型模拟表明，河道改造困难且无法有效缓解冰塞洪水。然而，通过在冬季持续进行破冰作业，在维舍渡口水坝上游的深泓线沿线维持一条贯穿固定冰盖的开阔水道，并改进维舍渡口水坝的设计与运行，能够有效缓解冰塞洪水。该破冰方法在整个结冰期内通过保持一条开阔水道来输冰，利用拖船在冰层较薄时定期破冰。现场应用证明了其有效性，并以最小的环境影响为现有冰塞洪水预防方法提供了替代方案。这种方法避免了专用设备和其他非结构性方法的需求，也规避了与冰盖爆破相关的环境和生态影响及安全问题。由于气候变化可能导致流域径流快速增加从而引发冬季中期溃决，因此在整个冬季维持开阔水道可以同时预防春季和冬季中期的溃决期冰塞洪水。该方法适用于下游河段不会受到冰塞洪水严重影响（如无人居住区）的场景。
