基于温度梯度特性的河道冰厚判别算法研究

郝彦升　邓霄　崔丽琴　秦建敏　张丽　申小强　石元

摘要：基于空气、冰與水的温度梯度特性差异，设计了适应高寒地区内陆河道冰层厚度定点自动检测的传感器和数据采集系统。为了解决温度梯度式冰层厚度传感器在判别冰层上界面（冰与空气的分界面）时存在较大误差的问题，提出了一种利用连续温度变化特性实现冰层界面精确判别的优化算法，并基于黄河的现场实测数据，将该算法与冻冰度日法和人工实测方法的结果进行了对比。研究结果为内陆河道冬季冰情数据的后期处理提供了一种新的思路。

关键词：冰情；冰层厚度；温度梯度；判别算法；黄河

1引言

位于我国较高纬度地区的黄河宁蒙河段，冬季寒冷而漫长，每年封冻早，解冻晚，冰层厚度较大，河道弯曲回转，河道中发生冰塞、冰坝等冰情灾害非常频繁。每当春季气温回升，河流解冻时，冰块破裂，河水漫溢，高速流凌和巨大冰块的冲击严重威胁着两岸人民的生命财产安全，曾给国家造成了重大的经济损失。相关研究表明。河道中冰层的消融状况是凌汛预报的重要指标之一。近年来我国水文和气象部门开展了河流河道冬季冰情的定点观测，但是受到各方面条件的限制，目前仍然以传统的人工观测为主。

为了解决冰层厚度的精确判别以及连续自动检测的难题，笔者提出了利用空气、冰与水的温度梯度特性差异实现对冰层上、下界面区分的方法，同时采用低功耗MSP430单片机设计了一种新型冰情自动检测系统，于2013年冬季在内蒙古黄河河道的包头水文站、头道拐水文站进行了为期45 d的冰情数据连续采集试验，获取了上述黄河河道观测点的冰情数据。在此基础上，依据河道冰层温度梯度变化的特点，设计并优化了专门的冰层厚度判别算法，并与冻冰度日法和人工现场实测方法进行了比较验证，为内陆河道冬季冰情数据的后期处理提出了一种新的思路。