基于溫度梯度特性的河道冰厚判別算法研究

郝彥升　鄧霄　崔麗琴　秦建敏　張麗　申小強　石元

摘要：基于空氣、冰與水的溫度梯度特性差異，設計了適應高寒地區(qū)內陸河道冰層厚度定點自動檢測的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為了解決溫度梯度式冰層厚度傳感器在判別冰層上界面（冰與空氣的分界面）時存在較大誤差的問題，提出了一種利用連續(xù)溫度變化特性實現(xiàn)冰層界面精確判別的優(yōu)化算法，并基于黃河的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，將該算法與凍冰度日法和人工實測方法的結果進行了對比。研究結果為內陸河道冬季冰情數(shù)據(jù)的后期處理提供了一種新的思路。

關鍵詞：冰情；冰層厚度；溫度梯度；判別算法；黃河

1引言

位于我國較高緯度地區(qū)的黃河寧蒙河段，冬季寒冷而漫長，每年封凍早，解凍晚，冰層厚度較大，河道彎曲回轉，河道中發(fā)生冰塞、冰壩等冰情災害非常頻繁。每當春季氣溫回升，河流解凍時，冰塊破裂，河水漫溢，高速流凌和巨大冰塊的沖擊嚴重威脅著兩岸人民的生命財產(chǎn)安全，曾給國家造成了重大的經(jīng)濟損失。相關研究表明。河道中冰層的消融狀況是凌汛預報的重要指標之一。近年來我國水文和氣象部門開展了河流河道冬季冰情的定點觀測，但是受到各方面條件的限制，目前仍然以傳統(tǒng)的人工觀測為主。

為了解決冰層厚度的精確判別以及連續(xù)自動檢測的難題，筆者提出了利用空氣、冰與水的溫度梯度特性差異實現(xiàn)對冰層上、下界面區(qū)分的方法，同時采用低功耗MSP430單片機設計了一種新型冰情自動檢測系統(tǒng)，于2013年冬季在內蒙古黃河河道的包頭水文站、頭道拐水文站進行了為期45 d的冰情數(shù)據(jù)連續(xù)采集試驗，獲取了上述黃河河道觀測點的冰情數(shù)據(jù)。在此基礎上，依據(jù)河道冰層溫度梯度變化的特點，設計并優(yōu)化了專門的冰層厚度判別算法，并與凍冰度日法和人工現(xiàn)場實測方法進行了比較驗證，為內陸河道冬季冰情數(shù)據(jù)的后期處理提出了一種新的思路。