農(nóng)村水電站生態(tài)泄流監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用

蔣元中 ，丁揚威 ，湯杭森 ，金浪濱 ，呂安安

（1.杭州定川信息技術有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利防災減災重點實驗室，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，水電事業(yè)發(fā)展迅速，一度成為浙江省國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，為地方經(jīng)濟和社會發(fā)展作出重要貢獻[1]。但隨著河湖內(nèi)外用水需求的增加，生態(tài)流量問題日益突顯，河湖生態(tài)系統(tǒng)日趨脆弱。以浙江省麗水市為例，該市甌江上游普遍建設大量的水電站、水庫等，僅小水電站就有800余座。據(jù)甌江圩仁監(jiān)測站的實測數(shù)據(jù)顯示，域內(nèi)枯水期通常在10月至翌年2月，這5個月的徑流量僅為全年的15.6%，其中12月份僅占全年的2.0%左右，而同期水電站、水庫往往“惜水如油”，不愿放水[2]。這些水電站的生態(tài)泄流不足造成下游河段減水、脫水甚至干涸，使得水生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞，河段水體的自凈能力也嚴重下降，一定程度上影響河流的正常生態(tài)功能和人民群眾的生產(chǎn)、生活。

隨著河湖生態(tài)流量問題發(fā)展到一定階段，為保護河湖生態(tài)環(huán)境和推動綠色水電發(fā)展，貫徹生態(tài)治水新理念，有效保障水電站壩（閘）下游河道生態(tài)流量，改善河道水生態(tài)環(huán)境，需制定一個科學的水電管理辦法來加強完善水電站的管理工作，督促農(nóng)村水電站安裝生態(tài)泄流監(jiān)測設施，促進農(nóng)村水電站生態(tài)泄流的有效監(jiān)管。

2 生態(tài)泄流設施分析

目前農(nóng)村水電站生態(tài)泄流設施主要采用的方式為埋設放水管和閘門（泄洪閘、溢洪閘、放空閘等）小開度泄流等，還有一部分水電站未建設生態(tài)泄流設施。

按照引水式、壩式、混合式等水電站的不同類型，從解決河道減水脫水問題出發(fā)，遵循技術合理、經(jīng)濟適用的原則選擇合適的水電站生態(tài)泄流設施，泄流設施應布置在壩址處或盡量靠近壩址，其泄流能力應不小于核定的最小生態(tài)下泄流量。生態(tài)泄流設施類型如下:

（1）渠道堰槽改造泄流。采用渠道引水的水電站，在渠道過壩后的適當位置開口修建側堰，向下游壩后河道泄放流量。

（2）管道改造泄流。① 采用渠道引水的水電站，在渠道過壩后的適當位置埋設放水管，向下游壩后河道泄放流量；② 采用隧洞引水的電站，可利用原有的近壩施工支洞改造或新挖泄水洞，并安裝放水管向下游河道泄放流量；③ 采用壓力管道引水的電站，在壩后的適當位置設置放水支管，向下游壩后河道泄放流量；④ 利用機組旁通管改造泄流，在機組進水控制閥旁通管上開孔引接放水管等，利用電站原有的引水設施改造后向下游泄放流量。

（3）利用閘門泄流。對閘壩或大壩放空設施，可控制1孔或多孔閘門不完全關閉、控制一定開度向下游河道泄放流量。根據(jù)核定的生態(tài)下泄流量，通過閘孔泄流公式計算確定閘門泄流開度，并可通過閘門行程限位器進行開度的精準控制。如果現(xiàn)場閘門不具備公式計算流量條件，也可選擇在壩（閘）下游河道選擇合適的監(jiān)測斷面進行流量監(jiān)測。

（4）利用機組泄流。① 科學調(diào)度:對壩式電站，通過機組發(fā)電放水能滿足生態(tài)下泄流量的水電站，可不設置專用泄流設施，根據(jù)上游來水情況、調(diào)節(jié)庫容和電站發(fā)電機組的特性，優(yōu)化水庫調(diào)度運行，保證電站至少有1臺機組不間斷運行，通過基荷或反調(diào)節(jié)調(diào)度泄放流量，并盡量減少下游河道流量日內(nèi)變幅。② 安裝生態(tài)機組:在大機組之外安裝單獨設置、長期正常運行、承擔生態(tài)下泄流量泄放任務的生態(tài)發(fā)電機組。

（5）增設大壩放水設施。在壩區(qū)適當位置增設倒虹吸管、抽水系統(tǒng)、泄流通道等設施，不間斷地從水庫上游取水躍壩再泄入壩下游河道，滿足生態(tài)流量要求。

生態(tài)泄流設施類型見表1。

表 1 生態(tài)泄流設施類型匯總表

3 生態(tài)泄流監(jiān)測方式探討

根據(jù)壩（閘）下游河道生態(tài)流量和壩址處天然來水量，結合工程實際，制定符合各水電站現(xiàn)狀的生態(tài)泄流監(jiān)測方案，明確泄流措施和監(jiān)測方式。選擇合適的流量監(jiān)測設備和數(shù)據(jù)采集傳輸設備，實現(xiàn)水電站生態(tài)泄流的在線監(jiān)測。

（1）渠道堰槽測流。① 標準渠道測流:標準渠道測流主要適用于具備標準斷面的渠道，渠道水流需平穩(wěn)，通過率定該監(jiān)測斷面的水位 — 流量關系曲線，并在監(jiān)測斷面處安裝水位自動監(jiān)測設備（雷達水位計、壓力水位計、氣泡式水位計等），用常規(guī)流速儀法測流，率定該監(jiān)控斷面水位流量關系，通過水位推求流量。② 堰槽測流:測流堰槽一般是由行近渠槽、量水建筑物和下游段3部分組成，通過量水建筑物主體段過水斷面的科學收縮，使得上、下游形成一定的水頭落差，即可得到較為穩(wěn)定的水位與流量關系。通過實測上下游水位經(jīng)率定分析或利用經(jīng)驗公式確定流量系數(shù)或效率系數(shù)，用水力學公式計算得到流量。

（2）管道測流。采用放水管道泄放生態(tài)流量時，將流量計安裝在放水管道上。電磁流量計是一種根據(jù)法拉第電磁感應定律來測量管內(nèi)導電介質(zhì)體積流量的流量計，流量數(shù)據(jù)不需經(jīng)過換算可立即讀取。

（3）閘門測流。① 利用閘門開度測流:采用開啟閘門泄放生態(tài)流量時，根據(jù)堰閘類型、閘門開度與上下游水位監(jiān)測值、流態(tài)類型，結合率定或經(jīng)驗流量系數(shù)推求下泄流量。② 利用河道斷面測流:監(jiān)測斷面流速情況，布設1個或多個雷達流速儀探頭，實時監(jiān)測水流表面流速，并通過流速儀或走航式ADCP比測率定斷面水面流速系數(shù)，推求斷面流量。

（4）機組發(fā)電測流。通過機組發(fā)電泄放生態(tài)流量時，根據(jù)發(fā)電功率、工作水頭或實測水頭，通過建立的流量和水位、功率關系推求單機流量，將各單機流量求和，即得總流量。

（5）大壩抽水系統(tǒng)測流。增設人工抽水系統(tǒng)，可根據(jù)抽水站效率、水泵凈揚程及功率計算下泄流量。

測流方式與計量監(jiān)測設備對應情況見表2。

表 2 測流方式與計量監(jiān)測設備對應表

4 生態(tài)泄流監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)結構

生態(tài)泄流監(jiān)測系統(tǒng)主要由接收云中心、通信網(wǎng)絡、監(jiān)測站點組成。系統(tǒng)結構見圖1。

圖 1 生態(tài)泄流監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

監(jiān)測站主要由前端傳感器（水位計、流量計、閘位計、電能計量表等）、數(shù)據(jù)遙測終端（RTU）、電源、通信單元、抓拍攝像機、儀器安裝基礎、支架等組成。

（1）信息傳輸。監(jiān)測數(shù)據(jù)信息傳輸由各監(jiān)測站傳送至云中心監(jiān)測預警平臺，中心接收處理各監(jiān)測點發(fā)送的數(shù)據(jù)，計算分析處理后存入相應的數(shù)據(jù)庫，再由監(jiān)測預警平臺按權限分發(fā)至市、縣、運行管理單位三級用戶平臺。

（2）通信方式。監(jiān)測站與中心站（監(jiān)控平臺）的信息傳輸主要通過無線公共通訊網(wǎng)GPRS信道進行信息傳輸。監(jiān)測站數(shù)據(jù)采集傳輸設備具備一收多發(fā)的功能。對于無線公共通訊網(wǎng)絡無法覆蓋的地區(qū)或有特殊要求的站點選用超短波、衛(wèi)星通訊的方式傳輸。

（3）信息采集與傳輸頻度。水位、閘位和流量數(shù)據(jù)信息采集頻度為每15 min采集1次，采集到的數(shù)據(jù)信息以標準的表格形式存儲在數(shù)據(jù)遙測終端；監(jiān)測站數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)調(diào)度和管理需求每1 h向中心站發(fā)送1次數(shù)據(jù)信息。

4.2 系統(tǒng)平臺功能

（1）用戶體系。該平臺的用戶體系分為3類，分別為市級用戶、縣級用戶和水電站運行管理單位用戶。其中市級用戶可以查看整個市域范圍內(nèi)的水電站、流量監(jiān)測設施、管理單位、管理人員等相關信息，并且在發(fā)現(xiàn)流量監(jiān)測數(shù)據(jù)有異常而下級用戶未處理時可以下達指令給縣級用戶并接收反饋，同時能接收下級問題的上報；縣級用戶可以查看本縣內(nèi)的水電站、流量監(jiān)測設施、管理單位、管理人員等相關信息，并且在發(fā)現(xiàn)流量監(jiān)測數(shù)據(jù)有異常而下級用戶未處理或接收到市級用戶指令時可以下達指令給水電站運行管理單位用戶并接收反饋，同時能接收到下級問題的上報；水電站運行管理單位用戶只能查看本水電站、流量監(jiān)測設施、管理單位、管理人員等相關信息，在出現(xiàn)異常情況時接收異常告警和短信提醒，進行處理并反饋給上級用戶，同時也能接收上級用戶的指令。此外，當水電站運行管理單位所處水電站無調(diào)節(jié)能力且流量異常是因為壩址區(qū)天然實際來水量過小時，可以將該問題上報，由上級用戶批示處理。

（2）數(shù)據(jù)接入和保存。平臺開放數(shù)據(jù)接口，能夠接入與下泄流量有關的所有原始數(shù)據(jù)，在平臺中通過計算產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)、流量計算公式、設置參數(shù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)均能夠保存在平臺中。

（3）數(shù)據(jù)換算。由于測流的原理和設備有所區(qū)別，最終由流量監(jiān)測設施測得的數(shù)據(jù)類型、單位等均有所不同。水電站運行管理單位事先根據(jù)實際填報流量監(jiān)測設施類型和下泄流量的計算公式以及相關的設置參數(shù)，使得測得的原始數(shù)據(jù)能夠在平臺中自動計算轉換為最終所需的下泄流量數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一單位。

（4）流量查詢和導出。用戶可以通過在平臺中查詢權限范圍內(nèi)的任一水電站任意時間段內(nèi)的下泄總流量大小，也可以查詢某一個時間點內(nèi)的下泄流量和過去X小時內(nèi)的最大下泄流量和時間點，還可以通過篩選行政區(qū)等相關信息進行搜索，并提供導出和打印的功能。

（5）異常告警和短信提醒。當測得的流量值低于生態(tài)下泄流量時，平臺能夠自動發(fā)送告警信息至相關用戶，并將相關內(nèi)容以短信的形式發(fā)送到相關用戶的手機中，促使對方解決問題。在水電站運管單位解決問題后，需要將相關內(nèi)容反饋給上級用戶，該記錄將存儲在平臺中。

（6）指令下達。若市級用戶和縣級用戶查看到流量監(jiān)測預警的信息，而水電站運管單位未加以處理的時候，可以下達指令單，督促水電站運管單位進行處理。

（7）問題上報。當水電站運行管理單位所處水電站無調(diào)節(jié)能力且流量異常原因等無法控制的因素時（如壩址區(qū)天然實際來水量過?。?，可以將該問題上報，由上級用戶批示處理。

（8）視頻查看。在平臺中接入各個反映泄流情況的視頻監(jiān)控點，由水電站運管單位填寫視頻點的相關信息，如所在水電站、位置等。用戶能夠在平臺中查看現(xiàn)場圖片。視頻監(jiān)控設備每小時須拍攝1張照片，拍攝的照片通過接口傳到平臺中并存檔。

（9）一張圖展示。在地圖上以不同類型的圖標標注各個水電站、流量監(jiān)測設施、視頻點等，點擊相關圖標即可查看相關信息。此外，圖上能夠以紅、黃、綠燈的形式展示當前水電站的生態(tài)泄流狀況。若當前測得的流量值大于等于生態(tài)下泄流量，則該水電站顯示為綠燈，表示正常；若測得的流量值小于生態(tài)下泄流量，則該水電站顯示為黃燈，表示需要注意；若測得的流量值小于生態(tài)下泄流量的90%或相關參數(shù)未曾錄入、流量數(shù)據(jù)未接入，則該水電站顯示為紅燈，表示不符合標準。

（10）統(tǒng)計分析。在平臺中，用戶可以查看單個水電站流量的統(tǒng)計情況，也可以查看某一時間范圍內(nèi)多個水電站的流量統(tǒng)計情況，以及信息更改的統(tǒng)計情況、流量超標的統(tǒng)計情況、異常情況處理的統(tǒng)計情況等，為用戶提供分析決策的基礎。

（11）系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理員可以對系統(tǒng)進行管理，包括用戶管理、角色管理、權限管理、功能模塊管理、日志管理等功能。①用戶管理:用戶管理功能主要可以實現(xiàn)對使用用戶進行添加、維護個人信息和密碼管理3塊內(nèi)容，由具有權限的系統(tǒng)管理員來進行統(tǒng)一用戶信息維護，個人用戶登錄系統(tǒng)可修改密碼和維護自己個人的信息，用戶信息主要包括用戶名、姓名、職務、電話、手機和角色等信息。②角色管理:定義使用本系統(tǒng)的角色，角色是為了更好的管理權限，一般把具有相同權限的一組用戶定義為同一種角色，不同的角色有不同的權限，一個用戶可以充當多個角色；角色管理主要包括添加角色和角色進行維護，具體功能包括角色創(chuàng)建、修改、刪除、查詢等。③權限管理:平臺對于各類角色的權限有嚴格的要求，上級可查看下級信息，下級不可查看上級信息；對不同的角色權限進行劃分，角色不同權限也不相同，包含對各個角色在系統(tǒng)中所能看見的數(shù)據(jù)及操作功能進行劃分。

5 結 語

實施農(nóng)村水電站生態(tài)泄流在線監(jiān)測是保障農(nóng)村水電站最小下泄流量的基本措施。水電站生態(tài)泄流的在線監(jiān)測，可獲取電站可靠的下泄流量數(shù)據(jù)，監(jiān)督電站最小下泄流量執(zhí)行情況，為有關部門的監(jiān)督管理提供科學依據(jù)，促進電站所在河流的生態(tài)環(huán)境保護和水資源綜合利用。

作為一種長效的監(jiān)管手段，農(nóng)村水電站生態(tài)泄流監(jiān)測系統(tǒng)已成功運用于麗水市多個水電站，且運行情況良好，為浙江省內(nèi)其他地區(qū)農(nóng)村水電站生態(tài)泄流在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設提供參考。