基于无人机载雷达技术的黄河冰厚监测试验

河道冰厚是黄河防凌研究的重要指标,目前通过人工钻孔或触冰式探地雷达获取黄河冰厚均要求河流稳定封冻,且工作人员必须在冰面上作业。因此,积极探索更加高效的非接触式冰厚获取方法意义重大。利用无人机搭载探地雷达对黄河什四份子弯道冰厚进行探测,通过现场人工钻孔测量冰厚数据反算雷达波在冰层中的传播速度。结果表明,弯道冰厚分布不均匀,凹岸侧冰厚比凸岸侧大;清沟断面最大冰厚91cm,最小冰厚19cm,靠近水面附近冰厚较小;雷达测量与人工测量结果基本吻合,平均误差不超过2cm。实践证明,无人机载雷达回波图可直观地反映空气-冰、冰-水分界面及冰厚情况,且探测方法具有快速、高效、安全等优点。研究结果对于开发黄河冰厚全新化的监测技术具有重要参考价值。     

黄河河道冰层雷达波特征图谱的现场实验研究

2013年-2014年冬季,利用RIS K2型探地雷达在内蒙古头道拐水文站黄河河道断面开展冰层厚度探测试验。试验使用不同频率天线探测冰厚,并与钻孔实测冰厚对比。结果显示200 MHz频率天线可探测到冰下更深部位的状况,并能够识别出冰花层。利用雷达探测图谱中电磁波传播时间和实测冰厚得到盛冰期雷达电磁波在冰内的实际传播速度为16.3cm/ns;而融化期雷达电磁波在冰内的实际传播速度小于15.0cm/ns。雷达探测结果还显示垂直于河道断面方向的冰层厚度分布不均匀。主流区是以热力学生长的颗粒冰和柱状冰为主,最大冰厚约为60cm;而非主流区是以冰花冰为主,最大冰厚约为70cm。另外,雷达图谱也可以确定冰层裂缝的具体位置、走向。     

用气温和冰厚修正黄河冰内雷达波速的物理机理和参数化

黄河平封冰和立封冰中冰晶体间以水膜形式存在有未冻结的自由水和非自由水,其含量随冰温变化。理论上冰内雷达波速取决于冰体自身的晶体结构和组分,但冰内未冻水含量可对其产生明显的影响;冰内未冻水含量取决于冰温,冰温又受控于气温、辐射和冰厚。分析了黄河什四份子2020—2021年冬季气温和雷达探测冰厚数据,发现气温主导的未冻水含量变化是影响雷达准确探测平封冰厚度的首要因子。通过确定黄河冰-水界面热通量,并引入含有气温、辐射、风速、云量的一维冰热力学模型,结合13个钻孔实测冰厚,计算了与雷达探测冰厚时刻一致的1251个热力学模拟冰厚。在此基础上,分别获得了气温升高过程和降低过程中粒状冰、柱状冰内雷达波速受气温影响以及受气温和冰厚联合影响的统计关系。最终确定将气温和冰厚对雷达波速联合影响的统计关系作为平封冰雷达波速动态修正的参数化方案,依此将固定式雷达冰内雷达波速由常数更换为函数,从而提高了平封冰雷达冰厚探测的精度。根据黄河存在非冻结冰花和堆积碎冰块,建议开展不同类型冰厚探测研究。     

冰上石笼自然沉排的冰热力学和力学理论及应用

为了有效实施冰上石笼的自然沉排,2020—2021年冬季在黄河什四份子弯道开展了现场试验.综合该冬季气象资料、石笼沉排周边冰面变形观测资料、实测冰厚资料以及以往冰力学成果,得到黄河什四份子石笼自然沉排试验期间的冰-水界面热通量9.06 W/m2和冰层长期载荷下承载力衰减系数0.08,构建包含冰厚、冰温和衰减时间的冰层承...     

机载雷达在黄河稳封期冰厚测量中的应用

为提高稳封期河道冰厚的测量效率,利用机载雷达对黄河内蒙古什四份子弯道进行了冰厚测验,并与量冰尺实测冰厚进行了对比。结果表明,什四份子弯道稳封期凹岸一侧冰厚范围在50～90 cm左右,比凸岸一侧冰厚约厚10～30 cm;清沟两侧冰厚分布一致,平均约50 cm,离清沟越近冰厚越小。机载雷达的测冰效果,平封冰盖最好(绝对误差小于5 cm)、立封冰盖次之、堆积冰盖最差,雷达实测冰厚与量冰尺实测冰厚的标准差为0.039 4,随机不确定度为7.88%,满足冰厚观测规范要求。机载雷达能快速对较大尺度的冰厚区域进行连续测量,极大地提升了冰厚的测验效率,可应用于黄河稳封期的冰厚测验。     

冰凌监测新技术研究进展

我国有关研究机构通过现场试验,在冰凌监测技术方面提出了冰水情数据与图像远程连续自动监测系统、地质雷达冰厚探测技术、ADCP(acoustic doppler current profilers)冰下流速测验技术、无人机航拍应急监测等先进技术,可以实现对河道冰凌形成过程的自动测报和应急监测。新技术的实施可以对河道冰层厚度、冰下水位、气温、冰温、水温等参数同时进行连续自动监测,并可获取冰凌图像、流冰速度、流凌密度等重要参数,实现冰层生消全过程的连续监测。     

冰层厚度探测仪

前苏联科学院研制成一种能准确测量冰层厚度的无线电探测仪。仪器靠支架固定在汽车或拖拉机上,雷达天线方向朝下并指向冰层。仪器可连续提供所在位置的冰层厚度数据。这种无线电测厚仪的工作性能可靠,即使在冰层上覆盖有0.4米厚积雪的情况下,也能保证冰厚的测量精度。仪器的首批样机已在西西伯利亚投入使用。     

桥墩影响下弯槽冰塞形成临界条件和冰厚变化的试验研究

天然河道中,桥墩的存在改变了局部水流特性,对冰塞形成及演变产生影响。通过模型试验,研究了桥墩存在及桥墩位置不同时对冰塞演变过程的影响,试验结果表明:桥墩的存在改变了桥墩附近的水流结构,使得桥墩附近水流输冰能力相对增大,冰塞厚度减小;相比于将桥墩安置在两弯连接直道段,将桥墩安置于弯道顶点处时,桥墩附近水流输冰能力增大;在两弯连接的直道段和弯道顶点处同时放置桥墩时,弯道平衡冰塞厚度介于单墩放置于两弯连接的直道段与单墩放置于弯道顶点处时的弯道平衡冰塞厚度之间。     

2019—2020年度黄河头道拐断面冰厚增长影响因素分析

为了解黄河干流同一断面冰厚增长差异及其产生原因,依据2019—2020年度冬季对头道拐断面封冻期原型观测数据,分析冰厚增长方式以及负积温、流速、冰花等对冰厚增长的影响.结果表明:头道拐断面冰层上层由冰花冻结形成;距左岸400～500 m为非主流区且区间内测点的冰生长方式为热力学生长,主要形成柱状冰;距左岸500～740...     

基于电容感应技术的黄河冰层厚度监测方法

根据空气、冰与水不同的介电特性,利用空气层、冰层和水层3种不同介质组合成的电容传感器容值不同的原理,研制了电容感应式冰层厚度传感器,其可将采集的冰层厚度信息通过GSM短消息进行传输,实现对黄河冰层厚度的测报。电容传感器采用同面规则排列的多极结构,激励信号经多路开关从上至下分别接通电极,获取不同电极板间的电压值序列,将电压值信号经过合理的算法进行数据处理和分析,能准确测量冰层-水层、冰层-空气层的分界面,计算两个分界面的距离,就可得出冰层的厚度。应用结果表明:电容感应式冰层厚度传感器的测量数据与手工实测数据非常接近,在某些测量点存在约10%的测量误差,基本能满足冰水情测量的要求。     

黄河宁蒙河段凌汛灾害特点及防御措施

针对黄河宁蒙河段多年来，凌汛灾害防御措施及其效果加以分析总结，供具有凌汛特点的流域河流制定防凌措施参考。     

黄河宁蒙河段冰期洪水波运动过程中的变形分析

河道中冰盖的存在会影响到洪水波的演进变形。以黄河宁蒙河段为研究对象,将马斯京根法尝试应用于冰期洪水计算,分析了马斯京根法参数与糙率的关系,比较了冰盖冻结增厚和融化减薄过程对洪水波变形的影响差异。研究结果表明,将马斯京根法应用于冰期洪水计算是可行的;断面的糙率越大,洪水波传播时间越久,变形越大;冰盖冻结增厚过程中,洪水波的变形存在先增加再减少而后又增加的现象;冰盖融化减薄过程中,洪水波随冰厚的减薄而变形增大。相同冰厚下,两种过程的变形程度存在交点。交点之前的冰厚范围,冰盖融化减薄时的洪水波变形更大;交点之后的冰厚范围,冰盖冻结增厚时的洪水波变形更大。     

黑龙江上游开江期河道特征对流冰速度的影响

为探究黑龙江上游江段开江期流冰速度沿程变化规律和运移过程，通过抛投微型冰浮标定位器进行流冰追 踪试验，分析黑龙江干流开江期流冰速度分布特征及河道形态对流冰速度的影响规律。结果表明：2019 年开江期 距黑龙江干流源头 69~692?km 河段流冰速度分布为 0.79~3.56?m/s，平均速度为 1.65?m/s，流冰速度与河道宽度、河 道弯曲系数呈负相关关系；在弯曲河段、江心岛河段和弯曲分汊型河段流冰速度降低趋势明显，且河道特征对流 冰速度的影响依次减弱。流冰速度沿程分布规律可为冰坝预测及预防凌汛灾害提供数据支持，研究成果对寒区 河流治理具有十分重要的意义。     

探地雷达在冬季冰下水深探测中的应用研究

本文从理论上分析了探地雷达用于冰下水深探测的基本原理。介绍了采用该项技术对辽河福德店段的探测过程。通过对采集数据处理和图像解释分析,得到河道断面连续水深值,并进行钻取冰眼测量验证,证明探测结果是可靠的。     

黄河源区河道冰凌特征变化及影响因素分析

黄河流域是我国凌汛灾害常发的地区,其中黄河源区是黄河上游凌情研究的空白区。为掌握该区域的凌情规律,对黄河沿-唐乃亥河段黄河沿、吉迈、玛曲3个常封断面的气象资料(1960-1987,2007-2011)和水文资料(1960-1987,2007-2011)进行研究,分析3个站的封河、开河日期以及冬季最大冰厚的变化规律,得出黄河源区封河从黄河沿附近开始向下游延伸,封河日期和开河日期均有推迟趋势,但总封冻天数在减少,冬季最大冰厚则各站趋势不同。通过对冬季气温、流量等因素进行分析,得出冬季累计负气温和冬季平均流量对于凌情主要特征的影响十分显著,可以作为预报因子进行进一步的研究。     

黄河防凌工作50年

黄河冰凌洪水突发性强、涨势猛、持续时间长，产生的灾害有时更甚于暴雨洪水。人民治黄以来，经过５０年的努力，初步建成了黄河防凌体系．以干流水库、堤防、分凌工程组成的工程体系，是防凌体系的主体；非工程措施主要包括人民防凌队伍、冰情测报预报和防凌调度系统、分凌区管理等，是防凌体系的重要组成部分。５０年来，对黄河冰凌运行规律、水库防凌调度及防凌决策支持系统的研究有了较大进展，为做好黄河防凌工作奠定了基础．今后，小浪底等干流水利枢纽工程建成后，将为黄河的防凌安全提供更大的保证．     

中巴地球资源一号02星在黄河凌汛监测中的应用

通过2003~2004年及2004~2005年两年度应用中巴地球资源一号卫星02星(简称CBERS-02)CCD数据进行黄河凌汛监测实践得出主要结论:CBERS-02具有较高的空间和光谱分辨率,对冰凌具有良好的识别能力,与GIS相结合,完全可以为黄河防汛减灾及黄河凌期的槽蓄水量计算、黄河流域生态环境的评价等应用决策提供帮助。利用CBERS-02的侧摆功能快速监测黄河凌灾,是利用国产卫星进行突发灾害监测的一个成功典范,对江河污染、洪涝灾害、山体滑坡等自然灾害的监测工作也具有很好的参考和借鉴价值。