王加紅,王子偉,秦 鑫,賴 紅,羅含敏,陸 穎,3

(1.云南大學(xué) 國際河流與生態(tài)安全研究院,昆明 650500;2.華能瀾滄江水電股份有限公司,昆明 650214;3.云南省國際河流與跨境生態(tài)安全重點實驗室,昆明 650091)

0 引 言

水溫是水環(huán)境及水生態(tài)系統(tǒng)評價中重要的控制要素之一,水體物理、化學(xué)性質(zhì)及水生生物的生命史都與水溫有密不可分的聯(lián)系[1-4]。水溫不僅影響水生物生長速度、生長周期及其空間分布,異常水溫變化還可能干擾魚類洄游行為,進而導(dǎo)致其種群數(shù)量降低[5-6]。受水電開發(fā)、工業(yè)高溫尾水排放、全球氣候變暖等因素的影響,河、湖、水庫等的水體原有溫度結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,水溫已成為水利工程、水生生態(tài)修復(fù)和水環(huán)境治理的重點觀測內(nèi)容[7-9]。表層水溫的觀測也需向智能化、自動化方向發(fā)展,尤其是在青藏高原等無人區(qū)及水位流速等波動較大區(qū)域,現(xiàn)有設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、連續(xù)性和可靠性面臨挑戰(zhàn)[10]。張建民等[11]提出了全天候浮舟式云端自記水溫計,可實時測量播報河流水溫,但急流環(huán)境適用性有待改善;張宗敏等[12]研發(fā)的水溫自記儀,可遙測水體水溫,但水溫探頭位置固定,無法規(guī)避水位變化影響。

水溫觀測儀器自水銀溫度計開始,經(jīng)歷了熱敏電阻、半導(dǎo)體溫度、鉑電阻和石英溫度計等傳感器技術(shù)發(fā)展階段[13]。目前,就內(nèi)陸水體表層水溫觀測而言,應(yīng)用較為廣泛的方法有人工目視觀測和觀測井儀器自動觀測兩類[14]。2種方法均采用測溫計測量目標(biāo)水體溫度,可滿足一般水溫觀測要求;但人工目視觀測工作量大、精度低;觀測井儀器自動觀測需建立水文觀測井,造價昂貴、需專人維護、易受水位波動影響。現(xiàn)有技術(shù)及設(shè)備難滿足水生態(tài)修復(fù)、高頻度監(jiān)測及偏遠(yuǎn)地區(qū)水溫連續(xù)監(jiān)測需求。紅外測溫技術(shù)具有非接觸、全天候、低功耗等優(yōu)點,目前紅外測溫已被應(yīng)用于多種工業(yè)制造過程監(jiān)測及醫(yī)療行業(yè)。但利用紅外測溫技術(shù)進行環(huán)境水文監(jiān)測應(yīng)用仍處于起步階段,探索紅外水溫觀測研究具有較好創(chuàng)新性和應(yīng)用前景。對比HOBO系列水溫觀測儀,紅外測溫儀突出的優(yōu)勢是無人值守且低耗電量,適用于野外臨時加密觀測。對于水流較急且水位波動大的區(qū)域,無接觸測溫,避免浮漂式測溫設(shè)備因水流沖刷導(dǎo)致遺失的風(fēng)險。本文采用紅外觀測儀結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù),設(shè)計了表層水溫觀測原型實驗,對比現(xiàn)有常規(guī)自動水溫觀測儀器觀測結(jié)果,驗證內(nèi)陸水體紅外水溫觀測可行性。

1 紅外水溫監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 原理與組成

1.1.1 紅外水溫監(jiān)測系統(tǒng)原理

1800年,William Herschel在尋找新的光學(xué)材料時,發(fā)現(xiàn)了紅外輻射。在測試不同顏色光譜加熱特性實驗中,當(dāng)溫度計移到光譜紅端以外的黑暗區(qū)域時,溫度繼續(xù)上升,這個區(qū)域被稱為“紅外波長區(qū)”,波長范圍為0.78～1 000 μm。一切有溫度的物體(溫度高于絕對零度-273.15 ℃=0 K),其表面都會發(fā)射電磁輻射,總電磁輻射里就包括紅外輻射,紅外輻射與物體本身的溫度成比例關(guān)系[15-16]。紅外傳感器測溫原理就是利用被測物體發(fā)出的紅外輻射,再通過特殊鏡頭使輻射聚集在探測器上,探測器會生成與輻射成比例的電信號,借助信號放大器將信號放大,進一步將接收到的連續(xù)數(shù)字信號處理計算轉(zhuǎn)化成與被測物體溫度成比例的輸出信號,最終能夠?qū)⑽矬w的溫度測量值顯示在監(jiān)測終端。紅外輻射可在空間傳播,故紅外測溫儀可非接觸監(jiān)測流動液體的表層溫度。將紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號并計算物體溫度公式為：

(1)

(2)

式中：U為探測器信號;Tobj為物體溫度;Tamb為背景輻射溫度;Tpyr為設(shè)備年溫度(℃);C為設(shè)備特定常數(shù);ε為發(fā)射率;指數(shù)n的取值范圍為2～17 (長波長在2～3之間,短波長在15～17之間)。

本原型觀測實驗基于紅外測溫原理,設(shè)計紅外水溫監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)管理層3部分。首先,利用紅外傳感器連續(xù)收集表層水溫紅外輻射,根據(jù)式(1)和式(2)將紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號并計算表層水溫;然后、通過遠(yuǎn)程終端單元(Remote Terminal Unit,RTU)模塊對信號進行監(jiān)測、控制和存儲;最后,將觀測數(shù)據(jù)通過4G通訊模塊實時傳輸?shù)皆破脚_實現(xiàn)在線存儲和展示。監(jiān)測系統(tǒng)采用太陽能電池供電,為確保供電的穩(wěn)定性,系統(tǒng)中配備了備用膠體蓄電池。同時,數(shù)據(jù)采集、儲存及傳輸系統(tǒng)具有不銹鋼外殼和IP67的防水等級,防護能力強,其原理見圖1。

圖1 紅外水溫監(jiān)測系統(tǒng)原理示意圖

1.1.2 儀器組成及布設(shè)

觀測點位于昆明安寧某水庫,水庫年內(nèi)消落幅度可達(dá)2 m,水體流速較緩。該地區(qū)位于中亞熱帶低緯度高海拔地區(qū)的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年溫差變化不明顯,日溫差有較大變化,光照充足,干、濕季分明[17]。年平均氣溫的范圍在14.0～17.0 ℃之間,年平均降水量在900.7～1 000.5 mm之間,雨季主要集中在5—9月份。年日照時數(shù)為2 327.5 h,年蒸發(fā)量為1 856.4 mm,年平均相對濕度達(dá)71.5%,年平均風(fēng)速為2.0 m/s。

紅外水溫監(jiān)測系統(tǒng)于2020年5月安裝于水庫岸邊,輔以浮漂測溫儀和入水式自動水溫儀同步觀測表層水溫,設(shè)置于同一斷面。浮漂測溫儀探頭采用PT100,為德國產(chǎn)鉑電阻溫度傳感器,溫度系數(shù)TRC=0.003 851,電阻R0=100,測量誤差為±(0.15+0.002|t|),其中t為實際溫度。布設(shè)的入水式測溫儀為美國Onset公司產(chǎn)HOBO U20,觀測地點為控制性野外環(huán)境,無人為干擾。紅外水溫系統(tǒng)由紅外水溫傳感器、光伏供電系統(tǒng)和RTU模塊組成,固定于河道或水庫岸邊,非接觸測溫方式,可減少水位波動干擾。紅外水溫傳感器為拓普瑞TP2360V1,常溫范圍內(nèi)精度可達(dá)±0.2 ℃,可自調(diào)發(fā)射率,固定在水體上方用于測量水體表面(水深0～1 m)水溫;另設(shè)支撐體固定于岸邊,太陽能板設(shè)置于支撐體上方,為測溫系統(tǒng)提供電量;RTU設(shè)置于支撐體中部,外有保護箱,在線傳輸測量數(shù)據(jù)。紅外水溫監(jiān)測系統(tǒng)工作示意圖及觀測斷面布設(shè)位置見圖2。同時,設(shè)備具有自動報警功能,當(dāng)監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)離線、被人為破壞、數(shù)據(jù)存儲空間不足等情況時,可通過數(shù)據(jù)平臺發(fā)出警報。

1.2 對比分析方法

1.2.1 相關(guān)性分析

當(dāng)2個或多個因素具有密切關(guān)系時,可以使用相關(guān)系數(shù)來衡量它們的相關(guān)性程度,也就是相關(guān)性分析法[18]。本次原型觀測采用相關(guān)性分析法對紅外水溫監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,假設(shè)紅外水溫監(jiān)測系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)為x,浮漂測溫儀觀測數(shù)據(jù)為y,則有：

x：x1,x2,…,xn;

(3)

y：y1,y2,…,yn。

(4)

由兩觀測儀觀測得到的兩組水溫數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)r計算公式為[19]

其中,相關(guān)系數(shù)r的取值為[-1,1],當(dāng)r值越接近1時,表明兩觀測儀觀測結(jié)果為正相關(guān),且相關(guān)度越高;r越接近0,說明二者越不相關(guān),密切程度越弱;r越接近-1,則表示兩觀測儀觀測結(jié)果負(fù)相關(guān)度程度越高[20-21]。

1.2.2 線性回歸法

本文采用回歸方程對紅外測溫數(shù)值進行修正,選取紅外監(jiān)測系統(tǒng)水溫觀測值為自變量,浮漂測溫儀水溫觀測值為因變量,采用相關(guān)分析法求出y關(guān)于x的回歸方程,相關(guān)性分析相關(guān)系數(shù)r的計算公式如相關(guān)性分析中,具體步驟如下：

(6)

(7)

y=a+bx。

(8)

2 紅外水溫監(jiān)測系統(tǒng)比測結(jié)果

2.1 比測可靠性檢驗結(jié)果

對比浮漂測溫儀與HOBO U20測溫儀水溫觀測結(jié)果,見圖3,發(fā)現(xiàn)二者測值相近,變化趨勢相同,浮漂測溫儀所測水溫值普遍高于HOBO U20測溫儀所測水溫,兩套儀器的日平均水溫相差0.5 ℃,為系統(tǒng)誤差。將HOBO U20測溫儀測溫曲線向上平移0.5個單位,兩水溫曲線基本重合,曲線平移后的測溫最大正誤差為0.24 ℃,最大負(fù)誤差為-0.18 ℃,故使用浮漂測溫儀所測水溫數(shù)值作為對比觀測真值具有穩(wěn)定性和可靠性。

圖3 浮漂測溫儀與HOBO U20測溫儀觀測數(shù)據(jù)對比

2.2 原型對比觀測結(jié)果

對比2020年6月至2021年4月紅外測溫儀與浮漂觀測儀同步觀測水溫曲線(圖4(a))可知,兩者變化趨勢性較好,但在5 min觀測間隔上,紅外測溫儀所測峰值普遍高于浮漂比測溫度,而谷值則普遍低于浮漂比測溫度。6—9月份,兩者觀測值較為接近;10月份至次年1月份,紅外測溫對低溫變化的快速響應(yīng)不足,且易高估實際水溫;進入2月份后,浮漂測溫值波動范圍劇烈,紅外測溫值則處在中間值。

圖4 兩觀測儀同步觀測的水溫動態(tài)曲線及日平均水溫修正前后對比

對比日平均水溫動態(tài)曲線(圖4(b))可知,紅外水溫儀日平均水溫變化動態(tài)曲線與浮漂測溫儀日平均水溫變化趨勢一致,波動幅度明顯降低,削弱了峰值和谷值。當(dāng)水溫<20 ℃時,紅外水溫儀觀測誤差變大,這主要受輻射原理的限制。

由式(5)計算得出,紅外觀測數(shù)據(jù)與浮漂同步測溫數(shù)據(jù)的日平均水溫的相關(guān)系數(shù)r為0.98,相關(guān)系數(shù)接近1,說明二者有很好的相關(guān)關(guān)系,但仍然有一定差距。當(dāng)水溫<20 ℃,紅外觀測數(shù)據(jù)與浮漂測溫數(shù)據(jù)的最大相對誤差在8%以內(nèi),差值≤1 ℃;當(dāng)水溫>20 ℃時,二者相對誤差高達(dá)27%。因此若要用紅外測溫系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為水溫觀測值,需要對<20 ℃紅外測溫數(shù)據(jù)進行修正。

2.3 紅外測溫數(shù)值修正結(jié)果

紅外測溫數(shù)值修正采用線性回歸法,選取紅外監(jiān)測系統(tǒng)水溫觀測值(測量值<20 ℃)為自變量,浮漂測溫儀水溫觀測值(對應(yīng)紅外測溫值)為因變量,通過式(6)—式(8)的計算,求出兩觀測儀觀測水溫之間的線性回歸方程為：y=0.841 8x+4.009 5,通過該函數(shù)對<20 ℃的紅外測溫儀水溫觀測數(shù)據(jù)進行修正,修正結(jié)果見圖4(b)。圖4(b)表明,紅外測溫數(shù)值經(jīng)函數(shù)修正后與浮漂測溫數(shù)值更為接近,兩條曲線擬合程度更好。

紅外測溫修正前后比測試驗誤差統(tǒng)計分析結(jié)果見表1。誤差分析表明采用線性擬合的方法,將浮漂測量值y與紅外水溫系統(tǒng)測量值x建立函數(shù)關(guān)系,并利用此函數(shù)關(guān)系對紅外系統(tǒng)測溫數(shù)值進行修正,可提高紅外水溫監(jiān)測系統(tǒng)測量精度,最終85%以上相對誤差都≤5%,紅外測溫系統(tǒng)日平均水溫的相對誤差均<10%,由此可見通過修正紅外水溫監(jiān)測系統(tǒng)基本滿足表層水溫監(jiān)測精度及水文儀器設(shè)備野外觀測要求,可以用于后續(xù)水溫連續(xù)觀測。

3 結(jié)論及展望

本文利用紅外測溫的原理設(shè)計了紅外水溫監(jiān)測系統(tǒng),原型觀測比測實驗顯示：

(1)紅外水溫系統(tǒng)與浮漂測溫儀觀測值總變化趨勢一致,二者相關(guān)系數(shù)為0.98,高頻次(5 min)觀測存在一定誤差,日尺度觀測結(jié)果較為接近,但仍有誤差,需進行修正。

(2)利用線性回歸法對紅外測溫數(shù)值進行函數(shù)修正,修正后的紅外測溫值精度提高,超過85%的相對誤差可≤5%,80%以上的絕對溫差≤1 ℃,滿足表層水溫監(jiān)測精度要求。

(3)紅外測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、省時省力,在野外以及無水文站點等區(qū)域,可使用紅外測溫監(jiān)測系統(tǒng)作為傳統(tǒng)水溫觀測的替代方案,尤其適合水位波動水體,實現(xiàn)非接觸全天候連續(xù)自動水溫遙測。

原型觀測實驗還發(fā)現(xiàn)：運行6個月后,紅外測溫系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)高估,可能受到環(huán)境中微顆粒影響。大氣中灰塵、S水汽和氣溶膠對鏡頭的污染,以及周圍熱源導(dǎo)致的環(huán)境溫度升高都會影響測量結(jié)果?？稍谠O(shè)備運行半年內(nèi),清除鏡頭雜質(zhì),或增加鏡頭保護裝置,同時考慮環(huán)境溫度補償,有助于提高測量精度。紅外水溫監(jiān)測系統(tǒng)日平均水溫在低水溫時期觀測誤差大于高水溫時期,主要受輻射原理的限制。理論黑體發(fā)出的全部輻射與其絕對溫度的4次方成正比,當(dāng)溫度變化時,會導(dǎo)致最大發(fā)射輻射的波長變化,最大輻射波長隨溫度的升高向短波長范圍移動,在波長范圍為0.78～14 μm區(qū)域內(nèi),輻射強度隨溫度降低逐漸減弱,波長移動到14 μm以上時,無法獲取紅外輻射,因此在寒冷地區(qū)開展水溫觀測時,應(yīng)著重關(guān)注低水溫,提高紅外測溫技術(shù)在低環(huán)境溫度條件下的觀測精度,仍需進一步研究。