邱天堯，付興龍，梁秀日方

（松遼水利委員會水文局黑龍江中游水文水資源中心，黑龍江佳木斯 154000）

0 引言

撫遠水文站是國家基本水文站和中央報汛站，位于撫遠市，是中國最東部的水文站。水文站所處河道每年11 月封凍，笠年4 月解凍，封凍期長達6 個月左右。為了更好地掌握封凍期冰凌數(shù)據(jù)，撫遠水文站引入了冰凌自動觀測系統(tǒng)。

流凌指的是在河流封凍前，冰塊和河水一起流動的現(xiàn)象，也指河流在解凍后冰塊順流而下的現(xiàn)象。流凌起始日期是指某河道的局部地段或斷面首次出現(xiàn)流凌的日期。黑龍江中游一般在岸冰或水內(nèi)冰形成后的25 d 內(nèi)就開始出現(xiàn)流凌。在大江上流凌出現(xiàn)的時間各不相同，流凌的起始日期不僅取決于氣象因素，而且取決于河道的走向。如果河流近似呈東西走向，與地理緯向一致，則全河段可能同時開始出現(xiàn)流凌，或者在很短的時間（1～2 d）內(nèi)全河段出現(xiàn)流凌。當河流近似呈南北走向，水流方向和地理經(jīng)向一致時，處于高緯度的河段先出現(xiàn)流凌。

1 流凌危害

冰凌在狹窄河道中擁塞靜止形成冰壩，冰壩形成時，河道被瘀堵，流水被攔蓄并顯著抬高上游水位，江水出槽，冰排上岸。冰壩發(fā)展到一定規(guī)模，承受不了上游水壓力時，會突然崩潰，冰水俱下，使下游水位急劇上漲，當河道狹窄時冰層不斷堆積，造成對堤壩的壓力過大，即為凌汛，漫灘或決堤，稱為凌洪。冰壩的形成和潰決往往造成災害，冰凌所到之處，各種房屋、設施、設備均被摧毀，對上下游城市、村鎮(zhèn)、土地造成危險。在冬季的封河期和春季的開河期都有可能發(fā)生凌汛。因此，需要對冰凌進行觀測以便實時掌握冰凌演變規(guī)律，為減少流凌危害提供數(shù)據(jù)支撐。

2 冰凌觀測

2.1 觀測內(nèi)容

冰流量要素包括流冰疏密度、敞露水面寬和流冰塊速度、厚度。疏密度變化不大時，于每日8時、20 時觀測2 次；疏密度變化較大時，每日觀測4～8 次；陣性流冰時，加密測次。

2.2 傳統(tǒng)觀測方式

傳統(tǒng)冰凌觀測方式分為人工目測和儀器精測。人工目測為技術人員在河流出現(xiàn)流凌現(xiàn)象的時期內(nèi)進行冰情目測，對敞露河寬、疏密度、冰流速、冰厚等數(shù)據(jù)進行估算。敞露河寬按照兩岸岸冰計算；疏密度按照流凌面積占整個敞露河寬的比例計算；冰流速按照冰凌平均流速計算。

儀器精測為技術人員使用儀器對冰凌數(shù)據(jù)進行測算。敞露河寬用坐標法觀測，使用儀器定位兩岸岸冰、水面邊緣的坐標，通過公式換算出敞露河寬。流冰疏密度用統(tǒng)計法觀測，先依據(jù)敞露河寬規(guī)劃斷面測驗垂線的位置坐標，統(tǒng)計流冰通過斷面的累計時間。用普通秒表記錄總歷時，累計秒表記錄冰塊通過斷面的累計時間，當總歷時達到預定時距時，此時的秒表與普通秒表讀數(shù)之比即為疏密度。冰流速用時間控制法觀測，將儀器置于斷面的高程基點上，測定儀器高程Z，先對斷面上游某一點讀記垂直角α1、水平角β1。當有明顯特征的冰塊通過十字絲時，啟動秒表，轉(zhuǎn)動儀器繼續(xù)對準冰塊，當流冰至中斷面時，讀記垂直角（用于計算起點距），當流冰流至斷面以下某一距離時，固定儀器，同時停止秒表，讀記垂直角α2、水平角β2。冰塊漂流距離L計算公式：

由公式（1）求出距離后，再除以測得的漂流歷時，既得出冰速。冰厚用量冰尺或直尺測量，測量的冰塊數(shù)為5～10 塊且應大小兼有，但不應包括碎冰塊，平均冰塊厚度應按大小冰塊的比例用加權平均法計算。

2.3 冰凌自動觀測

冰凌自動觀測系統(tǒng)采用軟、硬件結(jié)合的方式，通過高清攝像頭抓取并分析視頻圖像信息的方法，實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并由冰情處理控制器設備實時測算當前時間段的冰凌流速、密度、敞露河寬等數(shù)據(jù)。目前，系統(tǒng)每10 min 采集50 s 視頻計算1次，計算結(jié)果可在39 s 內(nèi)發(fā)送到客戶端顯示；系統(tǒng)通過計算模型對視頻圖像數(shù)據(jù)進行分割，再使用透視變換將圖像轉(zhuǎn)換成平面數(shù)據(jù)，從而計算觀測區(qū)域內(nèi)的冰凌流速、疏密度等數(shù)據(jù)。

2.4 觀測方法對比

1）敞露河寬

儀器精測采用人工方式對敞露河寬按照流冰和兩岸交匯處進行計算。冰凌自動觀測系統(tǒng)自動將圖像數(shù)據(jù)按照像素分為若干行，如果該行全部為水或6 行中連續(xù)4 行流速大于0，則岸冰結(jié)束，總河寬減去近遠岸冰寬度，則得到敞露河寬值。

2）冰密度

儀器精測采用人工方式分析冰塊部分占整個河段的比例，計算疏密度。冰凌自動觀測系統(tǒng)通過計算自動扣除明水后的凈冰量占整個敞口河寬面積的比例來確定冰密度。

3）冰流速

儀器精測采用人工測量每50 s 冰流過的距離來計算速度；冰凌自動觀測系統(tǒng)自動將圖像數(shù)據(jù)按照像素分為若干行，當每6 行中有4 行有速度才會保留速度值，通過計算平均值得到最終流速值。

3 冰凌自動觀測成果

撫遠水文站觀測點的數(shù)據(jù)均保證了圖像和視頻數(shù)據(jù)的存儲，且時間連續(xù)可追溯。視頻前期按照每1 min錄制10 s的頻率采集，中期改為每5 min 錄制50 s 的頻率，為后期的數(shù)據(jù)追溯及數(shù)據(jù)研判提供依據(jù)。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)可以計算并生成基本斷面的冰流量數(shù)據(jù)，其頻率高于目前的采集手段。

撫遠水文站2022 年4 月23 日自動觀測和人工觀測結(jié)果的對比如表1 所示。從表1 中可以看出，系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)較人工觀測數(shù)據(jù)浮動值較大，但平均值較為接近，初步達到了觀測目標。

表1 2022 年4 月23 日視頻分析結(jié)果與人工觀測結(jié)果對比表

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的冰凌觀測工作主要依靠觀測人員的經(jīng)驗，已無法適應“數(shù)字水利”的發(fā)展要求。冰凌自動觀測系統(tǒng)，可以實時了解冰凌變化的情況，及時掌握冰凌數(shù)據(jù)，有效地推動數(shù)字化水利建設進程，提高科技創(chuàng)新發(fā)展的水平。但冰凌自動觀測系統(tǒng)也存在些問題，系統(tǒng)對視頻監(jiān)測圖像質(zhì)量要求高，而視頻質(zhì)量受風力、天氣、視頻碼率、安裝位置等影響，會不同程度地導致監(jiān)測的數(shù)據(jù)精度出現(xiàn)偏差。因此，今后應對冰凌自動觀測系統(tǒng)如何提高視頻質(zhì)量作進一步研究，以提高監(jiān)測精度。