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內陸河道冰層厚度定點自動檢測的傳感器和數據采集系統。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溫度變化特性實現冰層界面精確判別的優化算法，并基于黃河的現場實測數據，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據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安全，曾給國家造成了重大的經濟損失。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，目前仍然以傳統的人工觀測為主。

為了解決冰層厚度的精確判別以及連續自動檢測的難題，筆者提出了利用空氣、冰與水的溫度梯度特性差異實現對冰層上、下界面區分的方法，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，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的冰情數據連續采集試驗，獲取了上述黃河河道觀測點的冰情數據。在此基礎上，依據河道冰層溫度梯度變化的特點，設計并優化了專門的冰層厚度判別算法，并與凍冰度日法和人工現場實測方法進行了比較驗證，為內陸河道冬季冰情數據的后期處理提出了一種新的思路。