李 娜，田雪梅，屈海晨

（1.海河水利委員會(huì)綜合管理中心，天津 300170；2.中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700；3.海河下游管理局西河閘管理處，天津 300380）

隨著水文現(xiàn)代化建設(shè)的推進(jìn)，水文測(cè)驗(yàn)要素中水位、流量、泥沙、水溫相關(guān)的自動(dòng)化觀測(cè)技術(shù)已大幅提升[1,2]。為提高水溫自動(dòng)化監(jiān)測(cè)能力，各式水溫自動(dòng)化測(cè)量?jī)x器在國(guó)內(nèi)各區(qū)域得到不同程度的應(yīng)用。高強(qiáng)[3]采用浮舟式自動(dòng)水溫計(jì)在青海的同仁水文站進(jìn)行比測(cè)分析，結(jié)果顯示自動(dòng)水溫計(jì)和人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)具有較好的同步性。蒲靈[4]采用水溫同步原型觀測(cè)方案實(shí)現(xiàn)了河流自動(dòng)觀測(cè)水溫和人工觀測(cè)水溫的同步，結(jié)果顯示自動(dòng)水溫計(jì)和人工水溫計(jì)的總體觀測(cè)誤差小于±0.6℃，且具有較好的同步性。此外，還有研究[5-10]通過建立數(shù)學(xué)模型對(duì)河流水溫進(jìn)行模擬，模擬水溫和人工測(cè)定水溫的相關(guān)性結(jié)果可實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)推定。上述成果均表明河流的水溫具有一定規(guī)律，水溫傳感器可對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)。浮筒式自動(dòng)水溫計(jì)是一種利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動(dòng)測(cè)量技術(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)，已在國(guó)內(nèi)水文測(cè)站得到廣泛應(yīng)用[10-13]。為提高天津地區(qū)河流水溫自動(dòng)化觀測(cè)能力，筆者以楊柳青水文站為例將高精度浮筒式自動(dòng)水溫計(jì)與人工水溫計(jì)測(cè)溫進(jìn)行比對(duì)，并對(duì)誤差進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)自動(dòng)計(jì)量水溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量開展評(píng)估。

1 比測(cè)站點(diǎn)概況

楊柳青水文站位于天津市西青區(qū)楊柳青鎮(zhèn)北，是國(guó)家基本水文站、中央級(jí)報(bào)汛站，水溫?cái)?shù)據(jù)采集是其水文業(yè)務(wù)的重要工作。多年來，該水文站水溫測(cè)驗(yàn)一直采用傳統(tǒng)的人工觀測(cè)方法，由于人為和環(huán)境溫度的影響，測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以達(dá)到準(zhǔn)確數(shù)值。近年來，隨著科技發(fā)展和先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，一些數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和傳輸?shù)南冗M(jìn)設(shè)備在楊柳青水文站水文工作中不斷得到應(yīng)用，不僅極大地提高了工作效率，減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，而且提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 浮筒式自動(dòng)水溫計(jì)設(shè)備組成和主要功能

浮筒式自動(dòng)水溫計(jì)（以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)水溫計(jì)）是運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動(dòng)測(cè)量技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所組成的實(shí)時(shí)在線自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)，云平臺(tái)可隨時(shí)下載各時(shí)段的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及圖表，并可以自行設(shè)定測(cè)定間隔及查看歷史數(shù)據(jù)記錄，同時(shí)具備報(bào)警功能，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)自動(dòng)離線時(shí)可自動(dòng)報(bào)警。

2.1 設(shè)備組成

自動(dòng)水溫計(jì)主要由浮筒、機(jī)箱支架、保護(hù)筒、太陽(yáng)能板、鋰電池、太陽(yáng)能控制器、DTU、機(jī)箱、傳感器、數(shù)據(jù)平臺(tái)組成。其中，浮筒提供整體浮力，為環(huán)形結(jié)構(gòu)，外徑550 mm，內(nèi)徑300 mm；機(jī)箱支架用于固定太陽(yáng)能板和機(jī)箱；保護(hù)筒位于浮筒下方水中，用于保護(hù)探頭不被懸浮物撞擊；太陽(yáng)能板功率30 W，位于浮筒正上方，對(duì)鋰電池進(jìn)行充電；鋰電池為19.6 AH 12 V鋰電池，內(nèi)置保護(hù)板（電池與太陽(yáng)能板功率配比已經(jīng)做過2 a的實(shí)際測(cè)定）；太陽(yáng)能控制器用于管理太陽(yáng)能板對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，默認(rèn)12.6 V 為截止電壓，9.8 V 為關(guān)閉負(fù)載電壓，11.1 V 為系統(tǒng)恢復(fù)電壓；DTU 數(shù)據(jù)傳輸模塊，支持移動(dòng)/電信/聯(lián)通三網(wǎng)4G，非特殊情況下一般使用移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)卡；機(jī)箱野外防護(hù)等級(jí)IP68，水濺和下雨不會(huì)進(jìn)水，可承受短時(shí)間浸泡，其中間固定鋰電池、太陽(yáng)能控制器、DTU，并且用Φ12 mm 航空插頭連接太陽(yáng)能板和傳感器；傳感器為18B20探頭，線纜上集成Max485 模塊，整體執(zhí)行RS485/MODBUS 協(xié)議；數(shù)據(jù)平臺(tái)為查詢/回復(fù)模式，根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔發(fā)送查詢報(bào)文，設(shè)備在線無(wú)故障情況下發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)報(bào)文，目前存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)無(wú)時(shí)間限制。

2.2 主要功能

自動(dòng)水溫計(jì)主要參數(shù)為：最小分辨率0.1℃；測(cè)量精度≤0.5℃；供電電流≤100 mA（工作）；整體功率約1 W；工作電壓12 V DC；運(yùn)行溫度-20～60℃；測(cè)量范圍-55～80℃；野外防護(hù)等級(jí)為IP68；信號(hào)輸出執(zhí)行RS485/MODBUS 協(xié)議。該水溫計(jì)能按照水溫觀測(cè)有關(guān)規(guī)范要求，自動(dòng)測(cè)量水溫，并將測(cè)得數(shù)據(jù)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中心站服務(wù)器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水溫監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化。該水溫計(jì)的特點(diǎn)是水溫傳感器始終處于水面以下0.5 cm位置，定時(shí)測(cè)量水溫，自動(dòng)生成相關(guān)水溫報(bào)表，支持短信、微信、電子郵件3 種方式查詢歷史水溫。

3 人工比測(cè)試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

采用自動(dòng)水溫計(jì)觀測(cè)水溫?cái)?shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)采用SW-1 型水溫計(jì)、一等水溫計(jì)對(duì)水溫?cái)?shù)據(jù)（兩者屬于人工觀測(cè)）進(jìn)行同步觀測(cè)，通過比較分析探討三者之間的關(guān)系，尋找水溫變化規(guī)律。

3.2 試驗(yàn)儀器和步驟

（1）試驗(yàn)儀器和材料。包括SW-1型水溫計(jì)、一等水溫計(jì)、自動(dòng)水溫計(jì)各1只，600 mm×300 mm×300 mm透明亞克力水槽1個(gè)，熱水壺1個(gè)，冰塊若干。

（2）試驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)。向水槽內(nèi)加滿水，將SW-1 型水溫計(jì)、一等水溫計(jì)、自動(dòng)水溫計(jì)探頭精確固定在水下同一深度0.5 m 處，并將自動(dòng)水溫計(jì)18B20 自動(dòng)監(jiān)測(cè)探頭設(shè)為5 min 上傳1 次讀數(shù)；通過冰塊降溫和電熱水器加溫，使水槽內(nèi)水溫控制在5～35℃，并同時(shí)開展水溫?cái)?shù)據(jù)觀測(cè)和采集。在自動(dòng)水溫計(jì)上傳讀數(shù)的同時(shí)，對(duì)SW-1 型水溫計(jì)、一等水溫計(jì)進(jìn)行人工讀數(shù)并記錄。讀數(shù)時(shí)，平視液體液面，盡量減少誤差。對(duì)3只水溫計(jì)測(cè)得溫度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并分別繪制其變化曲線，對(duì)比分析其中存在的差異。

3.3 比測(cè)誤差計(jì)算公式

參照《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）中水位校核標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其誤差分析標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行固定，以人工觀測(cè)的水溫?cái)?shù)據(jù)作為實(shí)際測(cè)量水溫，進(jìn)行誤差分析計(jì)算。誤差計(jì)算公式如下：

式中：δ為人工觀測(cè)水溫和自動(dòng)水溫計(jì)觀測(cè)水溫之間的誤差（℃）；Ai為自動(dòng)水溫計(jì)觀測(cè)值（℃）；A為人工觀測(cè)水溫值（℃）。

4 水溫比測(cè)誤差分析

4.1 冷水試驗(yàn)水溫比測(cè)誤差分析

使用冰塊降溫，使得水體溫度為5～6℃，同步觀測(cè)自動(dòng)水溫計(jì)、SW-1 型水溫計(jì)、一等水溫計(jì)的水溫讀數(shù)，并統(tǒng)計(jì)自動(dòng)與人工觀測(cè)水溫之間的誤差。冷水試驗(yàn)水溫比測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，詳見表1。

表1 冷水試驗(yàn)水溫比測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)℃

冷水試驗(yàn)自動(dòng)水溫計(jì)與SW-1型水溫計(jì)、一等水溫計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合度及相關(guān)系數(shù)，如圖1—2所示。

圖1 冷水試驗(yàn)自動(dòng)水溫計(jì)與SW-1型水溫計(jì)、一等水溫計(jì)觀測(cè)水溫對(duì)比

由表1 可知，冷水試驗(yàn)自動(dòng)水溫計(jì)與人工觀測(cè)的水溫計(jì)之間的水溫誤差除1 個(gè)觀測(cè)時(shí)間外，其余觀測(cè)時(shí)間均在±0.2℃。參照《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）中水位校核標(biāo)準(zhǔn)要求誤差標(biāo)準(zhǔn)在±0.2℃以內(nèi)即可滿足要求，自動(dòng)水溫計(jì)和一等水溫計(jì)之間的水溫誤差均達(dá)到此要求，且其水溫誤差分布總體要好于自動(dòng)水溫計(jì)與SW-1 型水溫計(jì)之間的水溫誤差分布。由圖1 可以看出，自動(dòng)水溫計(jì)與一等水溫計(jì)觀測(cè)水溫在各觀測(cè)時(shí)間的吻合度總體要好于自動(dòng)水溫計(jì)與SW-1 型水溫計(jì)的的吻合度。由圖2 可以看出，自動(dòng)水溫計(jì)與人工觀測(cè)水溫之間的相關(guān)系數(shù)高于0.6，具有較好的相關(guān)性，其中自動(dòng)水溫計(jì)與SW-1 型水溫計(jì)觀測(cè)水溫之間的相關(guān)性總體好于自動(dòng)水溫計(jì)與一等水溫計(jì)觀測(cè)水溫之間的相關(guān)性。

圖2 冷水試驗(yàn)自動(dòng)水溫計(jì)與SW-1型水溫計(jì)、一等水溫計(jì)觀測(cè)水溫相關(guān)性

4.2 熱水試驗(yàn)水溫比測(cè)誤差分析

使用電熱水壺加熱方式，使得水體溫度為32～36℃，同步觀測(cè)自動(dòng)水溫計(jì)、SW-1型水溫計(jì)、一等水溫計(jì)的水溫讀數(shù)，并統(tǒng)計(jì)自動(dòng)水溫計(jì)和人工觀測(cè)水溫之間的誤差。熱水試驗(yàn)水溫比測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，詳見表2。

表2 熱水試驗(yàn)水溫比測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)℃

熱水試驗(yàn)自動(dòng)水溫計(jì)與SW-1型水溫計(jì)、一等水溫計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合度及相關(guān)系數(shù)，如圖3—4 所示。

圖3 熱水試驗(yàn)自動(dòng)水溫計(jì)與SW-1型水溫計(jì)、一等水溫計(jì)觀測(cè)水溫對(duì)比

圖4 熱水試驗(yàn)自動(dòng)水溫計(jì)與SW-1型水溫計(jì)、一等水溫計(jì)觀測(cè)水溫相關(guān)性

由表2可知，熱水試驗(yàn)自動(dòng)水溫計(jì)與SW-1型水溫計(jì)之間的水溫誤差除1 個(gè)觀測(cè)時(shí)間外，其余觀測(cè)時(shí)間均在±0.2℃。參照《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）中水位校核標(biāo)準(zhǔn)要求誤差標(biāo)準(zhǔn)在±0.2℃以內(nèi)即可滿足要求，自動(dòng)水溫計(jì)和一等水溫計(jì)之間的水溫誤差均達(dá)到此要求，且其水溫誤差分布總體要好于自動(dòng)水溫計(jì)與SW-1 型水溫計(jì)之間的水溫誤差分布。由圖1—4 可以看出，熱水試驗(yàn)下自動(dòng)水溫計(jì)與人工觀測(cè)水溫在各觀測(cè)時(shí)間的吻合度均好于冷水試驗(yàn)下吻合度，其相關(guān)系數(shù)均在0.9 以上，其中熱水試驗(yàn)下自動(dòng)水溫計(jì)與SW-1 型水溫計(jì)、一等水溫計(jì)觀測(cè)水溫之間的相關(guān)系數(shù)總體要好于冷水試驗(yàn)下的相關(guān)系數(shù)。

5 誤差原因探討

（1）在冷水和熱水試驗(yàn)中，自動(dòng)水溫計(jì)與SW-1型水溫計(jì)觀測(cè)溫度誤差僅有1個(gè)觀測(cè)時(shí)間未在±0.2℃的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。這可能是由于隨機(jī)誤差導(dǎo)致的，如儀器計(jì)量誤差或者人工讀數(shù)誤差。使用自動(dòng)水溫計(jì)，需盡量降低測(cè)量?jī)x器的系統(tǒng)誤差，并避免隨機(jī)誤差。

（2）人工水溫計(jì)與自動(dòng)水溫計(jì)觀測(cè)水溫基準(zhǔn)值存在一定程度的偏差。若發(fā)現(xiàn)自動(dòng)水溫計(jì)觀測(cè)讀數(shù)存在異常值，需及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整、校準(zhǔn)；若存在系統(tǒng)偏離，則要及時(shí)調(diào)整自動(dòng)水溫計(jì)的基準(zhǔn)值。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）建議自動(dòng)水溫計(jì)觀測(cè)水溫單次誤差的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置在±0.2℃以內(nèi)，年水溫測(cè)驗(yàn)合格率高于95%，各月份、時(shí)段平均水溫誤差控制在±0.2℃以內(nèi)。若自動(dòng)水溫計(jì)觀測(cè)水溫滿足以上要求，則可以將其應(yīng)用在河流水文測(cè)驗(yàn)中。

（2）結(jié)合河流測(cè)站實(shí)際情況，對(duì)水溫自動(dòng)觀測(cè)儀器類型及性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，選擇性價(jià)比高的自動(dòng)水溫計(jì)。

（3）具體使用時(shí)若發(fā)現(xiàn)自動(dòng)水溫計(jì)觀測(cè)讀數(shù)存在異常值，要及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整、校準(zhǔn)；若存在系統(tǒng)偏離，則要及時(shí)調(diào)整自動(dòng)水溫計(jì)的基準(zhǔn)值。