表层水温红外原型观测实验及准确性评价

王加红,王子伟,秦 鑫,赖 红,罗含敏,陆 颖,3

(1.云南大学 国际河流与生态安全研究院,昆明 650500;2.华能澜沧江水电股份有限公司,昆明 650214;3.云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室,昆明 650091)

0 引 言

水温是水环境及水生态系统评价中重要的控制要素之一,水体物理、化学性质及水生生物的生命史都与水温有密不可分的联系[1-4]。水温不仅影响水生物生长速度、生长周期及其空间分布,异常水温变化还可能干扰鱼类洄游行为,进而导致其种群数量降低[5-6]。受水电开发、工业高温尾水排放、全球气候变暖等因素的影响,河、湖、水库等的水体原有温度结构发生改变,水温已成为水利工程、水生生态修复和水环境治理的重点观测内容[7-9]。表层水温的观测也需向智能化、自动化方向发展,尤其是在青藏高原等无人区及水位流速等波动较大区域,现有设备监测数据的准确性、连续性和可靠性面临挑战[10]。张建民等[11]提出了全天候浮舟式云端自记水温计,可实时测量播报河流水温,但急流环境适用性有待改善;张宗敏等[12]研发的水温自记仪,可遥测水体水温,但水温探头位置固定,无法规避水位变化影响。

水温观测仪器自水银温度计开始,经历了热敏电阻、半导体温度、铂电阻和石英温度计等传感器技术发展阶段[13]。目前,就内陆水体表层水温观测而言,应用较为广泛的方法有人工目视观测和观测井仪器自动观测两类[14]。2种方法均采用测温计测量目标水体温度,可满足一般水温观测要求;但人工目视观测工作量大、精度低;观测井仪器自动观测需建立水文观测井,造价昂贵、需专人维护、易受水位波动影响。现有技术及设备难满足水生态修复、高频度监测及偏远地区水温连续监测需求。红外测温技术具有非接触、全天候、低功耗等优点,目前红外测温已被应用于多种工业制造过程监测及医疗行业。但利用红外测温技术进行环境水文监测应用仍处于起步阶段,探索红外水温观测研究具有较好创新性和应用前景。对比HOBO系列水温观测仪,红外测温仪突出的优势是无人值守且低耗电量,适用于野外临时加密观测。对于水流较急且水位波动大的区域,无接触测温,避免浮漂式测温设备因水流冲刷导致遗失的风险。本文采用红外观测仪结合物联网传感器技术,设计了表层水温观测原型实验,对比现有常规自动水温观测仪器观测结果,验证内陆水体红外水温观测可行性。

1 红外水温监测系统

1.1 原理与组成

1.1.1 红外水温监测系统原理

1800年,William Herschel在寻找新的光学材料时,发现了红外辐射。在测试不同颜色光谱加热特性实验中,当温度计移到光谱红端以外的黑暗区域时,温度继续上升,这个区域被称为“红外波长区”,波长范围为0.78～1 000 μm。一切有温度的物体(温度高于绝对零度-273.15 ℃=0 K),其表面都会发射电磁辐射,总电磁辐射里就包括红外辐射,红外辐射与物体本身的温度成比例关系[15-16]。红外传感器测温原理就是利用被测物体发出的红外辐射,再通过特殊镜头使辐射聚集在探测器上,探测器会生成与辐射成比例的电信号,借助信号放大器将信号放大,进一步将接收到的连续数字信号处理计算转化成与被测物体温度成比例的输出信号,最终能够将物体的温度测量值显示在监测终端。红外辐射可在空间传播,故红外测温仪可非接触监测流动液体的表层温度。将红外辐射转换成电信号并计算物体温度公式为：

(1)

(2)

式中：U为探测器信号;Tobj为物体温度;Tamb为背景辐射温度;Tpyr为设备年温度(℃);C为设备特定常数;ε为发射率;指数n的取值范围为2～17 (长波长在2～3之间,短波长在15～17之间)。

本原型观测实验基于红外测温原理,设计红外水温监测系统,系统主要包括数据采集层、数据传输层和数据管理层3部分。首先,利用红外传感器连续收集表层水温红外辐射,根据式(1)和式(2)将红外辐射转换成电信号并计算表层水温;然后、通过远程终端单元(Remote Terminal Unit,RTU)模块对信号进行监测、控制和存储;最后,将观测数据通过4G通讯模块实时传输到云平台实现在线存储和展示。监测系统采用太阳能电池供电,为确保供电的稳定性,系统中配备了备用胶体蓄电池。同时,数据采集、储存及传输系统具有不锈钢外壳和IP67的防水等级,防护能力强,其原理见图1。

图1 红外水温监测系统原理示意图

1.1.2 仪器组成及布设

观测点位于昆明安宁某水库,水库年内消落幅度可达2 m,水体流速较缓。该地区位于中亚热带低纬度高海拔地区的亚热带季风气候区,年温差变化不明显,日温差有较大变化,光照充足,干、湿季分明[17]。年平均气温的范围在14.0～17.0 ℃之间,年平均降水量在900.7～1 000.5 mm之间,雨季主要集中在5—9月份。年日照时数为2 327.5 h,年蒸发量为1 856.4 mm,年平均相对湿度达71.5%,年平均风速为2.0 m/s。

红外水温监测系统于2020年5月安装于水库岸边,辅以浮漂测温仪和入水式自动水温仪同步观测表层水温,设置于同一断面。浮漂测温仪探头采用PT100,为德国产铂电阻温度传感器,温度系数TRC=0.003 851,电阻R0=100,测量误差为±(0.15+0.002|t|),其中t为实际温度。布设的入水式测温仪为美国Onset公司产HOBO U20,观测地点为控制性野外环境,无人为干扰。红外水温系统由红外水温传感器、光伏供电系统和RTU模块组成,固定于河道或水库岸边,非接触测温方式,可减少水位波动干扰。红外水温传感器为拓普瑞TP2360V1,常温范围内精度可达±0.2 ℃,可自调发射率,固定在水体上方用于测量水体表面(水深0～1 m)水温;另设支撑体固定于岸边,太阳能板设置于支撑体上方,为测温系统提供电量;RTU设置于支撑体中部,外有保护箱,在线传输测量数据。红外水温监测系统工作示意图及观测断面布设位置见图2。同时,设备具有自动报警功能,当监测设备出现离线、被人为破坏、数据存储空间不足等情况时,可通过数据平台发出警报。

1.2 对比分析方法

1.2.1 相关性分析

当2个或多个因素具有密切关系时,可以使用相关系数来衡量它们的相关性程度,也就是相关性分析法[18]。本次原型观测采用相关性分析法对红外水温监测系统监测数据进行分析,假设红外水温监测系统观测数据为x,浮漂测温仪观测数据为y,则有：

x：x1,x2,…,xn;

(3)

y：y1,y2,…,yn。

(4)

由两观测仪观测得到的两组水温数据之间的相关系数r计算公式为[19]

其中,相关系数r的取值为[-1,1],当r值越接近1时,表明两观测仪观测结果为正相关,且相关度越高;r越接近0,说明二者越不相关,密切程度越弱;r越接近-1,则表示两观测仪观测结果负相关度程度越高[20-21]。

1.2.2 线性回归法

本文采用回归方程对红外测温数值进行修正,选取红外监测系统水温观测值为自变量,浮漂测温仪水温观测值为因变量,采用相关分析法求出y关于x的回归方程,相关性分析相关系数r的计算公式如相关性分析中,具体步骤如下：

(6)

(7)

y=a+bx。

(8)

2 红外水温监测系统比测结果

2.1 比测可靠性检验结果

对比浮漂测温仪与HOBO U20测温仪水温观测结果,见图3,发现二者测值相近,变化趋势相同,浮漂测温仪所测水温值普遍高于HOBO U20测温仪所测水温,两套仪器的日平均水温相差0.5 ℃,为系统误差。将HOBO U20测温仪测温曲线向上平移0.5个单位,两水温曲线基本重合,曲线平移后的测温最大正误差为0.24 ℃,最大负误差为-0.18 ℃,故使用浮漂测温仪所测水温数值作为对比观测真值具有稳定性和可靠性。

图3 浮漂测温仪与HOBO U20测温仪观测数据对比

2.2 原型对比观测结果

对比2020年6月至2021年4月红外测温仪与浮漂观测仪同步观测水温曲线(图4(a))可知,两者变化趋势性较好,但在5 min观测间隔上,红外测温仪所测峰值普遍高于浮漂比测温度,而谷值则普遍低于浮漂比测温度。6—9月份,两者观测值较为接近;10月份至次年1月份,红外测温对低温变化的快速响应不足,且易高估实际水温;进入2月份后,浮漂测温值波动范围剧烈,红外测温值则处在中间值。

图4 两观测仪同步观测的水温动态曲线及日平均水温修正前后对比

对比日平均水温动态曲线(图4(b))可知,红外水温仪日平均水温变化动态曲线与浮漂测温仪日平均水温变化趋势一致,波动幅度明显降低,削弱了峰值和谷值。当水温<20 ℃时,红外水温仪观测误差变大,这主要受辐射原理的限制。

由式(5)计算得出,红外观测数据与浮漂同步测温数据的日平均水温的相关系数r为0.98,相关系数接近1,说明二者有很好的相关关系,但仍然有一定差距。当水温<20 ℃,红外观测数据与浮漂测温数据的最大相对误差在8%以内,差值≤1 ℃;当水温>20 ℃时,二者相对误差高达27%。因此若要用红外测温系统监测数据作为水温观测值,需要对<20 ℃红外测温数据进行修正。

2.3 红外测温数值修正结果

红外测温数值修正采用线性回归法,选取红外监测系统水温观测值(测量值<20 ℃)为自变量,浮漂测温仪水温观测值(对应红外测温值)为因变量,通过式(6)—式(8)的计算,求出两观测仪观测水温之间的线性回归方程为：y=0.841 8x+4.009 5,通过该函数对<20 ℃的红外测温仪水温观测数据进行修正,修正结果见图4(b)。图4(b)表明,红外测温数值经函数修正后与浮漂测温数值更为接近,两条曲线拟合程度更好。

红外测温修正前后比测试验误差统计分析结果见表1。误差分析表明采用线性拟合的方法,将浮漂测量值y与红外水温系统测量值x建立函数关系,并利用此函数关系对红外系统测温数值进行修正,可提高红外水温监测系统测量精度,最终85%以上相对误差都≤5%,红外测温系统日平均水温的相对误差均<10%,由此可见通过修正红外水温监测系统基本满足表层水温监测精度及水文仪器设备野外观测要求,可以用于后续水温连续观测。

3 结论及展望

本文利用红外测温的原理设计了红外水温监测系统,原型观测比测实验显示：

(1)红外水温系统与浮漂测温仪观测值总变化趋势一致,二者相关系数为0.98,高频次(5 min)观测存在一定误差,日尺度观测结果较为接近,但仍有误差,需进行修正。

(2)利用线性回归法对红外测温数值进行函数修正,修正后的红外测温值精度提高,超过85%的相对误差可≤5%,80%以上的绝对温差≤1 ℃,满足表层水温监测精度要求。

(3)红外测温系统结构简单、省时省力,在野外以及无水文站点等区域,可使用红外测温监测系统作为传统水温观测的替代方案,尤其适合水位波动水体,实现非接触全天候连续自动水温遥测。

原型观测实验还发现：运行6个月后,红外测温系统监测数据出现高估,可能受到环境中微颗粒影响。大气中灰尘、S水汽和气溶胶对镜头的污染,以及周围热源导致的环境温度升高都会影响测量结果。可在设备运行半年内,清除镜头杂质,或增加镜头保护装置,同时考虑环境温度补偿,有助于提高测量精度。红外水温监测系统日平均水温在低水温时期观测误差大于高水温时期,主要受辐射原理的限制。理论黑体发出的全部辐射与其绝对温度的4次方成正比,当温度变化时,会导致最大发射辐射的波长变化,最大辐射波长随温度的升高向短波长范围移动,在波长范围为0.78～14 μm区域内,辐射强度随温度降低逐渐减弱,波长移动到14 μm以上时,无法获取红外辐射,因此在寒冷地区开展水温观测时,应着重关注低水温,提高红外测温技术在低环境温度条件下的观测精度,仍需进一步研究。