Monitorización del hielo del río Amarillo basada en tecnología hiperespectral

Los témpanos de hielo son bloques de hielo que se desplazan con el agua del río antes de que este se congele. Dado que el hielo en movimiento se denomina "témpano de hielo", el hielo que se mueve sobre la superficie del agua o dentro de una masa de agua recibe este nombre. Los témpanos de hielo se pueden dividir en témpanos de hielo de invierno y témpanos de hielo de deshielo primaveral. Los primeros se componen principalmente de fragmentos y grumos de hielo, mientras que los segundos se componen principalmente de hielo roto. Esto se refiere a los témpanos de hielo que se forman antes de que el río se congele.

△ Figura 1. Monitoreo del flujo de hielo a través de agujeros en el hielo

△ Figura 2 Desastre por atasco de hielo

¿Por qué vigilar los carámbanos?

1. Control de inundaciones y reducción de desastres:Las inundaciones o el bloqueo de los cauces fluviales por el hielo pueden provocar reflujos, formando atascos de hielo que amenazan las zonas aguas abajo. El monitoreo de los témpanos de hielo permite emitir alertas oportunas y tomar medidas para reducir la frecuencia y el impacto de las inundaciones.

2. Proteger las instalaciones de conservación del agua:La acumulación de hielo puede dañar las infraestructuras hidráulicas, como presas, puentes y diques, afectando el funcionamiento normal y la seguridad de los proyectos de conservación del agua. El monitoreo del flujo de hielo permite identificar posibles riesgos a tiempo y tomar las medidas de mantenimiento y refuerzo necesarias.

3. Gestión de los recursos hídricos:La formación y evolución de los témpanos de hielo reflejan cambios en la temperatura del agua y las características hidrológicas, lo que proporciona información valiosa para la gestión de los recursos hídricos y la previsión hidrológica. El monitoreo de los témpanos de hielo permite comprender mejor las condiciones del hielo fluvial, ofreciendo datos que respaldan la gestión de los recursos hídricos.

4. Investigación científica:La monitorización y el estudio de los témpanos de hielo ayudan a comprender mejor el mecanismo de formación, la evolución y la relación con el cambio climático de los témpanos de hielo en ríos o arroyos, lo cual es de gran importancia para la investigación del cambio climático y el desarrollo de la hidrología.

△ Figura 3 Mapa de localización del área de estudio de monitoreo del hielo del río Amarillo

Introducción al área de investigación

El área de estudio se ubica en la sección de Mongolia Interior del río Amarillo, en el extremo norte del río, a una altitud superior a los 1000 metros. Lejos del océano, las corrientes de aire cálido y templado rara vez la alcanzan, y con frecuencia está influenciada por el anticiclón mongol. Presenta características climáticas continentales significativas, con inviernos largos y rigurosos donde las temperaturas se mantienen bajo cero durante 4 o 5 meses, llegando incluso a -35 °C. El río se congela durante 4 o 5 meses en esta sección, siendo la mayor parte una zona estable y congelada. En invierno, el caudal del río en la sección de Mongolia Interior generalmente supera los 400 metros cúbicos por segundo. Las bajas temperaturas y las gruesas capas de hielo en esta sección, junto con el impacto de las crecidas que provocan la rotura de los témpanos y la formación de grandes bloques de hielo, así como la morfología del río, dan lugar a densas formaciones de hielo que pueden atrapar y represar el hielo, causando un aumento brusco del nivel del río y haciendo que la zona sea altamente susceptible a rupturas, inundaciones y otros desastres.

El área de estudio es un tramo de río de 103 kilómetros de longitud ubicado en la parte sur de la ciudad de Baotou, que discurre de este a oeste. El área del cauce del río es de aproximadamente 70 kilómetros cuadrados.

△ Figura 4 Imagen satelital del área de monitoreo del hielo del río Amarillo

△ Figura 5 Tipos de características de los ríos

△ Figura 6 Mapa de reflectancia de los tipos de cobertura del suelo del cauce del río

Zhongke Xiguang Aeroespacial - Agua corriente Métodos de investigación de seguimiento

1. Adquisición de datos: Se utilizaron imágenes hiperespectrales de 150 bandas del área de Baotou en Mongolia Interior, tomadas por el satélite hiperespectral XIGUANG003 el 5 de enero de 2024.
2. Determinación del área de estudio: Los datos ráster originales se enmascararon utilizando vectores de límites fluviales para extraer imágenes hiperespectrales dentro del área de estudio.
3. Determinar el número de categorías: Antes[Columna de Aplicaciones Hiperespectrales] Monitoreo de la capa de nieve y hielo en Dalad Banner, Mongolia Interior, basado en la descomposición espectral de mezcla hiperespectralSegún la clasificación del hielo y la nieve, se identificaron tres tipos de accidentes geográficos en el cauce del río: superficie de agua corriente (zanja despejada*), mezcla de hielo y nieve, y superficie de hielo cubierta de nieve. Como se muestra en la Figura 5, en la banda de 450-850 nm, la reflectividad de la superficie de agua corriente es la más baja, con un promedio inferior al 10 %, la reflectividad de la mezcla de hielo y agua oscila entre el 10 % y el 30 %, mientras que la reflectividad de la superficie de hielo cubierta de nieve alcanza el 65 %.
4. Clasificación: Clasificación no supervisada basada en píxeles de las características del terreno dentro del cauce del río.
5. Análisis estadístico: Estadísticas sobre el área y el porcentaje de área de cada elemento en diferentes regiones.

En los tramos congelados de los ríos, quedan expuestas superficies de agua de longitud variable, denominadas canales despejados. Los canales despejados que se forman durante el período de congelación se llaman canales despejados primarios; los que se forman durante el período de deshielo se llaman canales despejados secundarios.

△ Figura 8. Mapa de distribución de témpanos de hielo en la sección Baotou del río Amarillo.

Conclusiones y aplicaciones de la investigación

Mediante la extracción y el análisis de témpanos de hielo bajo diferentes condiciones de mezcla en el cauce del río Amarillo, se creó un mapa de distribución de témpanos que muestra de forma intuitiva su ubicación en distintos estados. Asimismo, se analizaron estadísticamente el área de distribución y su proporción, lo que permite determinar el estado de congelación del cauce del río en la actualidad, identificar zonas de riesgo y proporcionar una herramienta útil para el monitoreo de témpanos de hielo a gran escala.

Wenkaihe: El hielo se derrite y el río se abre principalmente debido a la acción térmica. La situación es relativamente estable, pero lleva mucho tiempo.

Río Wukai: La ruptura del hielo y la apertura del río se producen principalmente por la fuerza del agua. El cauce superior se descongela primero, mientras que el hielo en el tramo inferior permanece sólido. Cuando el caudal aumenta repentinamente y se encuentra con la capa de hielo en el tramo inferior, se produce un fenómeno en el que el agua y el hielo fluyen simultáneamente por el cauce, generando oleadas de agua y rompimiento del hielo. 

Mientras tanto, el monitoreo de témpanos de hielo mediante teledetección satelital a gran escala proporciona datos precisos sobre su distribución en un período de tiempo específico, lo que constituye la base para el desarrollo de modelos de predicción. Al combinar datos meteorológicos, datos de monitoreo de equipos fijos en el cauce del río y datos de teledetección de vehículos aéreos no tripulados (UAV), se puede obtener información integral sobre la congelación del río y los témpanos de hielo, reduciendo los costos laborales y logrando un monitoreo continuo y una predicción de riesgos en toda la cuenca.

Además, la combinación de imágenes hiperespectrales y atlas permite una inversión cuantitativa más precisa y una clasificación a nivel de subpíxel, lo que ayuda a investigadores y profesionales de la conservación del agua a determinar con mayor exactitud el tipo y el estado de los témpanos de hielo. Esto posibilita una comprensión más profunda de las condiciones de congelación del río (plana o vertical) y los procesos de descongelación (gradual o rápida), como el monitoreo de la proporción de hielo y agua en el cauce, la morfología de los cristales de hielo, el tipo de casquete polar (estático o dinámico) y el aumento o la disminución de la claridad del cauce. Por ejemplo, los cambios en la claridad pueden utilizarse para predecir el tipo de descongelación (una mayor claridad indica una descongelación gradual), lo que permite tomar medidas proactivas para reducir las pérdidas causadas por los atascos de hielo.