黑龙江抚远水文站冰凌自动观测系统应用

邱天尧，付兴龙，梁秀日方

（松辽水利委员会水文局黑龙江中游水文水资源中心，黑龙江佳木斯 154000）

0 引言

抚远水文站是国家基本水文站和中央报汛站，位于抚远市，是中国最东部的水文站。水文站所处河道每年11 月封冻，笠年4 月解冻，封冻期长达6 个月左右。为了更好地掌握封冻期冰凌数据，抚远水文站引入了冰凌自动观测系统。

流凌指的是在河流封冻前，冰块和河水一起流动的现象，也指河流在解冻后冰块顺流而下的现象。流凌起始日期是指某河道的局部地段或断面首次出现流凌的日期。黑龙江中游一般在岸冰或水内冰形成后的25 d 内就开始出现流凌。在大江上流凌出现的时间各不相同，流凌的起始日期不仅取决于气象因素，而且取决于河道的走向。如果河流近似呈东西走向，与地理纬向一致，则全河段可能同时开始出现流凌，或者在很短的时间（1～2 d）内全河段出现流凌。当河流近似呈南北走向，水流方向和地理经向一致时，处于高纬度的河段先出现流凌。

1 流凌危害

冰凌在狭窄河道中拥塞静止形成冰坝，冰坝形成时，河道被瘀堵，流水被拦蓄并显著抬高上游水位，江水出槽，冰排上岸。冰坝发展到一定规模，承受不了上游水压力时，会突然崩溃，冰水俱下，使下游水位急剧上涨，当河道狭窄时冰层不断堆积，造成对堤坝的压力过大，即为凌汛，漫滩或决堤，称为凌洪。冰坝的形成和溃决往往造成灾害，冰凌所到之处，各种房屋、设施、设备均被摧毁，对上下游城市、村镇、土地造成危险。在冬季的封河期和春季的开河期都有可能发生凌汛。因此，需要对冰凌进行观测以便实时掌握冰凌演变规律，为减少流凌危害提供数据支撑。

2 冰凌观测

2.1 观测内容

冰流量要素包括流冰疏密度、敞露水面宽和流冰块速度、厚度。疏密度变化不大时，于每日8时、20 时观测2 次；疏密度变化较大时，每日观测4～8 次；阵性流冰时，加密测次。

2.2 传统观测方式

传统冰凌观测方式分为人工目测和仪器精测。人工目测为技术人员在河流出现流凌现象的时期内进行冰情目测，对敞露河宽、疏密度、冰流速、冰厚等数据进行估算。敞露河宽按照两岸岸冰计算；疏密度按照流凌面积占整个敞露河宽的比例计算；冰流速按照冰凌平均流速计算。

仪器精测为技术人员使用仪器对冰凌数据进行测算。敞露河宽用坐标法观测，使用仪器定位两岸岸冰、水面边缘的坐标，通过公式换算出敞露河宽。流冰疏密度用统计法观测，先依据敞露河宽规划断面测验垂线的位置坐标，统计流冰通过断面的累计时间。用普通秒表记录总历时，累计秒表记录冰块通过断面的累计时间，当总历时达到预定时距时，此时的秒表与普通秒表读数之比即为疏密度。冰流速用时间控制法观测，将仪器置于断面的高程基点上，测定仪器高程Z，先对断面上游某一点读记垂直角α1、水平角β1。当有明显特征的冰块通过十字丝时，启动秒表，转动仪器继续对准冰块，当流冰至中断面时，读记垂直角（用于计算起点距），当流冰流至断面以下某一距离时，固定仪器，同时停止秒表，读记垂直角α2、水平角β2。冰块漂流距离L计算公式：

由公式（1）求出距离后，再除以测得的漂流历时，既得出冰速。冰厚用量冰尺或直尺测量，测量的冰块数为5～10 块且应大小兼有，但不应包括碎冰块，平均冰块厚度应按大小冰块的比例用加权平均法计算。

2.3 冰凌自动观测

冰凌自动观测系统采用软、硬件结合的方式，通过高清摄像头抓取并分析视频图像信息的方法，实时采集现场数据，并由冰情处理控制器设备实时测算当前时间段的冰凌流速、密度、敞露河宽等数据。目前，系统每10 min 采集50 s 视频计算1次，计算结果可在39 s 内发送到客户端显示；系统通过计算模型对视频图像数据进行分割，再使用透视变换将图像转换成平面数据，从而计算观测区域内的冰凌流速、疏密度等数据。

2.4 观测方法对比

1）敞露河宽

仪器精测采用人工方式对敞露河宽按照流冰和两岸交汇处进行计算。冰凌自动观测系统自动将图像数据按照像素分为若干行，如果该行全部为水或6 行中连续4 行流速大于0，则岸冰结束，总河宽减去近远岸冰宽度，则得到敞露河宽值。

2）冰密度

仪器精测采用人工方式分析冰块部分占整个河段的比例，计算疏密度。冰凌自动观测系统通过计算自动扣除明水后的净冰量占整个敞口河宽面积的比例来确定冰密度。

3）冰流速

仪器精测采用人工测量每50 s 冰流过的距离来计算速度；冰凌自动观测系统自动将图像数据按照像素分为若干行，当每6 行中有4 行有速度才会保留速度值，通过计算平均值得到最终流速值。

3 冰凌自动观测成果

抚远水文站观测点的数据均保证了图像和视频数据的存储，且时间连续可追溯。视频前期按照每1 min录制10 s的频率采集，中期改为每5 min 录制50 s 的频率，为后期的数据追溯及数据研判提供依据。根据采集的数据可以计算并生成基本断面的冰流量数据，其频率高于目前的采集手段。

抚远水文站2022 年4 月23 日自动观测和人工观测结果的对比如表1 所示。从表1 中可以看出，系统观测数据较人工观测数据浮动值较大，但平均值较为接近，初步达到了观测目标。

表1 2022 年4 月23 日视频分析结果与人工观测结果对比表

4 结语

传统的冰凌观测工作主要依靠观测人员的经验，已无法适应“数字水利”的发展要求。冰凌自动观测系统，可以实时了解冰凌变化的情况，及时掌握冰凌数据，有效地推动数字化水利建设进程，提高科技创新发展的水平。但冰凌自动观测系统也存在些问题，系统对视频监测图像质量要求高，而视频质量受风力、天气、视频码率、安装位置等影响，会不同程度地导致监测的数据精度出现偏差。因此，今后应对冰凌自动观测系统如何提高视频质量作进一步研究，以提高监测精度。