张 利1 吴 潇1
1.黄委会山东水文水资源局，山东 济南 250100；
摘要：黄委会山东水文水资源局利津水文站为替代升级凌汛期传统的人工水温测量方法，设计实验了新型的全天候浮舟式云端自记水温计，并对自记水温计进行了比测实验、连续观测实验和测试使用实验。综合实验的实验结果显示该自记水温计性能稳定、可以准确地测量播报河流水温，并证明可以实际投产使用。由于黄河存在含沙量大、下游河床不稳定的特点，使得水温测量的客观环境较其他江河水体更为复杂恶劣，增加了此类强适应性自记水温计的重要性和必要性。目前，该项技术在黄河山东测区属于首创。
关键词：自记水温计；研制；应用
1 研制背景
传统的水温观测是通过观测人员持水温表到河边去人工测量，不但费时费力，而且由于观测人员的差异，存在观测精度较差，且不能取得完整连续的资料数据。随着测报能力提升工作的开展，急需研制一种自动水温观测设备，实现水温数据的连续自动观测，且数据能够自动存储，满足凌汛期水温观测的需要。
2 主要技术原理
常温测量设备在生产生活中较为普遍，主要设备类型包括人工温度计、机械自记温度计、电子自记温度计、温湿度集中器等；其中人工温度计和机械自记温度计属于传统的温度测量设备，目前应用范围逐渐缩小，逐渐被其他形式的温度测量设备取代；电子温度计和温湿度集中器性能先进，适用性强，日渐成为主流的温度测量设备。
电子温度计便于携带，当前替代人工观测的主要设备，并在生产生活中应用广泛。用于常温测量的电子温度计主要通过热敏电阻感应并测量温度，具有数据显示功能，部分电子温度计具有数据存储功能。电子温度计机体适宜在稳定的环境下工作，因此主要用于固体温度、气温和室内水温的测量，在没有外部设备支持的情况下，难以在自然环境下的非稳态水体中工作。
温湿度集中器集温度和湿度测量为一体，是当前先进的温湿度测量设备，除数据显示以外，具有在线监控、数据传输和数据存储功能。然而，温湿度集中器机体远大于普通的电子温度计，因此较难以携带并无法在非稳态水体中独立工作。在执行长期的自然水体温度测量任务时，需配备必要的静水建筑或设备。
相较于电子温度计和温湿度集中器，全天候浮舟式云端自记水温计具备测量自然环境中非稳态水体的工作条件：金属浮舟既保证了水温计探头的入水深度，又赋予了水温计抗风浪、抗碰撞的适应能力；光伏电池保证了水温计的自持能力，降低了人工定期检查的需求；云端支持使得水温测量数据可以及时上传并收集，使得全天候浮舟式云端自记水温计适合整流域、整地区的大规模投入使用，对数据管理提供极大便利。见图1
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图1. 全天候浮舟式云端自记水温计装配及尺寸
3 性能指标
3.1 实时更新
借助浮舟，在凌汛期间自记水温计的探头感应部分始终停留在水中，并可以保证稳定的入水深度，从而保证了水温测验环境的稳定。因此，自记水温计具有连续实时的播报能力。水温播报的时间间隔可调节，最短间隔为1分钟。保证了水温观测的连续性和合理性，并在替代室外人工作业的同时，通过多段次测量提高了水温观测的准确性。
3.2 数据存储
自记水温计具有数据存储功能，可将连续播报的水温数值存储，从而为工作人员提供了延时观测的便利。根据RS-GPRS-M型 GPRS温湿度集中器的规格，自记水温计内置存盘容量为256M，可连续存储超过4万条观测记录，当观测间隔为1分钟时，可连续存储超过一个月的数据；当观测间隔为10分钟时，可存储超过三个凌汛期的测验数据。当数据的存储量达到上限后，每存储一条新的观测数据，将自动将存储器内最早的一条观测数据清空。
3.3 定位能力
自记水温计除水温观测功能外，还具有地图上定位功能。单一测站或测点对于地图定位功能的需求较低，但地图定位功能可以为多站多点的若干自记水温计的同一管理提供很大便利。借助温湿度集中器的联网功能，自记水温计可以将测点位置与水温观测数据一并上传，使工作人员可以在地图上明确分辨不同观测地点的具体每台仪器，真正形成水温观测在时间上和区域上的系统管理。
3.4 云端管理
自记水温计可以将监测数据上传至环境监控云平台，并在云端平台上对测验数据实施进一步综合管理。在云端平台上，将若干自记水温计设备列表；对于具体每个水温计，具有在线监控和数据管理功能，包括对水温观测数据、仪表性能指数和地图定位进行监控和管理；通过云端平台，工作人员可以查询历史观测数据和过程线，并可以设置将观测数据以短信或邮件的形式发送给相关管理人员；此外，云端平台提供了设备设置功能，避免了现场配置造成的繁琐和不便。见图2
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图2.自记水温计的云平台页面及功能
3.5 环境适应
利津水文站设计的自记水温计，相较于普通电子温度计和温湿度集中器，具备在自然环境中对非稳态水体进行测量的工作条件。金属浮舟随水位和风浪沉浮，从而保证了水温计探头的入水深度，并提高了水温计抗风浪、抗碰撞的能力。为自记水温计安装的光伏电池，保证了水温计的自持能力，降低了人工定期检查维护的需求。
4 先进性与创新性
4.1 浮舟式水温计
该自记水温计为浮舟式自记水温计，为电子温度计和温湿度集中器提供了在大江大河观测播报水温的工作条件，并提高了水温计抗风浪、抗碰撞的能力。
4.2 耗能自持
自记水温计安装的太阳能电池板，给予了水温计耗能自持能力，解决了水面仪器电池更换、充电的难题。
4.3 连续观测
实现了凌汛期水温连续观测，在水温观测方面实现了水文测报升级工作。
4.4 系统管理
实现水温观测资料在时间上和区域上的系统管理，极大地提高了水温观测方面的管理能力。通过云端平台，将不同位置的水温计汇总列表，并对具体每个水温计的历史数据进行收集整理，从而实现了水温观测数据的系统管理。
4.5 数据电子存储
自记水温计可将观测数据存储，便于数据查询，并为工作人员提供了延时观测的便利；自记水温计的存储量较大，可存储相当长一段时间的观测数据，对水温资料的研究分析提供便利。
4.6 提高了水温观测的精度。
自记水温计从两个层面提高了水温观测的精度：分辨力为0.1°C，高于人工水温计的分辨力（0.2°C）；此外，自记水温计对于水温的连续观测，便于工作人员分析水温变化的连续性和合理性。
5 国内外同类技术比较
利津水文站为替代升级凌汛期传统的人工水温测量方法，设计实验了新型的全天候浮舟式云端自记水温计，并对自记水温计进行了比测实验、连续观测实验和测试使用实验。综合实验的实验结果显示该自记水温计性能稳定、可以准确地测量播报河流水温，并证明可以实际投产使用。由于黄河存在含沙量大、下游河床不稳定的特点，使得水温测量的客观环境较其他江河水体更为复杂恶劣，增加了此类强适应性自记水温计的重要性和必要性。目前，该项技术在黄河山东测区属于首创。
6 推广应用效果
全天候浮舟式云端自记水温计于2017年12月22日首次在利津水文站投入测试实验和使用，自记水温计已经完成了利津水文站自2017年至今的水温观测任务。该自记水温计性能稳定、可以准确地测量播报河流水温，未出现漏报现象。且经过黄委会山东水文水资源局的认可批准，在工程处进行批量制作，推广于山东测区内各个需要水温观测的水文站与水位站。
自记水温计观测可以替代传统的人工观测方式，从而节省了人工观测所投入的人力和物力。凌汛期间大风大雪、观测道路未及清理的积雪结冰等现象，对人工水温观测工作的安全性带来了很大影响。自记水温计的试验使用，在水温观测中避免了此类困难和危险，并基本实现凌汛期间的水温观测完全在室内进行。自记水温计的分辨力（0.1°C）相较于人工水温计（0.2°C）更高，因此提高了水温观测的精度。自记水温计实现了连续观测播报，因此也观测记录了在指定水温测验时段（8:00、14:00、20:00）前后的多次测量的值。根据观测时段前后温度变化的过程线，可以分析出水温变化的连续性、合理性，避免测量时出现偶然误差。自记水温计的观测数据通过云端平台进行整理和管理。云端平台可以收集管理若干自记水温计的观测播报数据，并可以显示自记水温计的名称、编号信息和位置信息，适用于大规模使用。该型自记水温计的使用，不仅便于各个水文站和水位站对测站观测数据的管理，反应在测站所负责的云端平台子单元的管理上；也便于上级水文机构对各个测站观测数据的统一管理。
全天候浮舟式云端自记水温计的优势之一在于投资较少，利津水文站首次设计制作该型自记水温计共投资4700余元，规模生产时制作成本可进一步降低。由于该型自记水温计工作性能稳定，环境适应能力较强，仪器的维护成本也较低。
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作者简介：张利，男，山东省聊城市人，站长，高级工程师，大学本科，主要从事水文水资源勘测方面，15318394883，sdswjzl@163.com，15318394883。