农村水电站生态泄流监测系统的研究与应用

蒋元中 ，丁扬威 ，汤杭森 ，金浪滨 ，吕安安

（1.杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

随着工农业的发展，水电事业发展迅速，一度成为浙江省国民经济的支柱产业，为地方经济和社会发展作出重要贡献[1]。但随着河湖内外用水需求的增加，生态流量问题日益突显，河湖生态系统日趋脆弱。以浙江省丽水市为例，该市瓯江上游普遍建设大量的水电站、水库等，仅小水电站就有800余座。据瓯江圩仁监测站的实测数据显示，域内枯水期通常在10月至翌年2月，这5个月的径流量仅为全年的15.6%，其中12月份仅占全年的2.0%左右，而同期水电站、水库往往“惜水如油”，不愿放水[2]。这些水电站的生态泄流不足造成下游河段减水、脱水甚至干涸，使得水生态系统遭到严重破坏，河段水体的自净能力也严重下降，一定程度上影响河流的正常生态功能和人民群众的生产、生活。

随着河湖生态流量问题发展到一定阶段，为保护河湖生态环境和推动绿色水电发展，贯彻生态治水新理念，有效保障水电站坝（闸）下游河道生态流量，改善河道水生态环境，需制定一个科学的水电管理办法来加强完善水电站的管理工作，督促农村水电站安装生态泄流监测设施，促进农村水电站生态泄流的有效监管。

2 生态泄流设施分析

目前农村水电站生态泄流设施主要采用的方式为埋设放水管和闸门（泄洪闸、溢洪闸、放空闸等）小开度泄流等，还有一部分水电站未建设生态泄流设施。

按照引水式、坝式、混合式等水电站的不同类型，从解决河道减水脱水问题出发，遵循技术合理、经济适用的原则选择合适的水电站生态泄流设施，泄流设施应布置在坝址处或尽量靠近坝址，其泄流能力应不小于核定的最小生态下泄流量。生态泄流设施类型如下:

（1）渠道堰槽改造泄流。采用渠道引水的水电站，在渠道过坝后的适当位置开口修建侧堰，向下游坝后河道泄放流量。

（2）管道改造泄流。① 采用渠道引水的水电站，在渠道过坝后的适当位置埋设放水管，向下游坝后河道泄放流量；② 采用隧洞引水的电站，可利用原有的近坝施工支洞改造或新挖泄水洞，并安装放水管向下游河道泄放流量；③ 采用压力管道引水的电站，在坝后的适当位置设置放水支管，向下游坝后河道泄放流量；④ 利用机组旁通管改造泄流，在机组进水控制阀旁通管上开孔引接放水管等，利用电站原有的引水设施改造后向下游泄放流量。

（3）利用闸门泄流。对闸坝或大坝放空设施，可控制1孔或多孔闸门不完全关闭、控制一定开度向下游河道泄放流量。根据核定的生态下泄流量，通过闸孔泄流公式计算确定闸门泄流开度，并可通过闸门行程限位器进行开度的精准控制。如果现场闸门不具备公式计算流量条件，也可选择在坝（闸）下游河道选择合适的监测断面进行流量监测。

（4）利用机组泄流。① 科学调度:对坝式电站，通过机组发电放水能满足生态下泄流量的水电站，可不设置专用泄流设施，根据上游来水情况、调节库容和电站发电机组的特性，优化水库调度运行，保证电站至少有1台机组不间断运行，通过基荷或反调节调度泄放流量，并尽量减少下游河道流量日内变幅。② 安装生态机组:在大机组之外安装单独设置、长期正常运行、承担生态下泄流量泄放任务的生态发电机组。

（5）增设大坝放水设施。在坝区适当位置增设倒虹吸管、抽水系统、泄流通道等设施，不间断地从水库上游取水跃坝再泄入坝下游河道，满足生态流量要求。

生态泄流设施类型见表1。

表 1 生态泄流设施类型汇总表

3 生态泄流监测方式探讨

根据坝（闸）下游河道生态流量和坝址处天然来水量，结合工程实际，制定符合各水电站现状的生态泄流监测方案，明确泄流措施和监测方式。选择合适的流量监测设备和数据采集传输设备，实现水电站生态泄流的在线监测。

（1）渠道堰槽测流。① 标准渠道测流:标准渠道测流主要适用于具备标准断面的渠道，渠道水流需平稳，通过率定该监测断面的水位 — 流量关系曲线，并在监测断面处安装水位自动监测设备（雷达水位计、压力水位计、气泡式水位计等），用常规流速仪法测流，率定该监控断面水位流量关系，通过水位推求流量。② 堰槽测流:测流堰槽一般是由行近渠槽、量水建筑物和下游段3部分组成，通过量水建筑物主体段过水断面的科学收缩，使得上、下游形成一定的水头落差，即可得到较为稳定的水位与流量关系。通过实测上下游水位经率定分析或利用经验公式确定流量系数或效率系数，用水力学公式计算得到流量。

（2）管道测流。采用放水管道泄放生态流量时，将流量计安装在放水管道上。电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的流量计，流量数据不需经过换算可立即读取。

（3）闸门测流。① 利用闸门开度测流:采用开启闸门泄放生态流量时，根据堰闸类型、闸门开度与上下游水位监测值、流态类型，结合率定或经验流量系数推求下泄流量。② 利用河道断面测流:监测断面流速情况，布设1个或多个雷达流速仪探头，实时监测水流表面流速，并通过流速仪或走航式ADCP比测率定断面水面流速系数，推求断面流量。

（4）机组发电测流。通过机组发电泄放生态流量时，根据发电功率、工作水头或实测水头，通过建立的流量和水位、功率关系推求单机流量，将各单机流量求和，即得总流量。

（5）大坝抽水系统测流。增设人工抽水系统，可根据抽水站效率、水泵净扬程及功率计算下泄流量。

测流方式与计量监测设备对应情况见表2。

表 2 测流方式与计量监测设备对应表

4 生态泄流监测系统

4.1 系统结构

生态泄流监测系统主要由接收云中心、通信网络、监测站点组成。系统结构见图1。

图 1 生态泄流监测系统结构图

监测站主要由前端传感器（水位计、流量计、闸位计、电能计量表等）、数据遥测终端（RTU）、电源、通信单元、抓拍摄像机、仪器安装基础、支架等组成。

（1）信息传输。监测数据信息传输由各监测站传送至云中心监测预警平台，中心接收处理各监测点发送的数据，计算分析处理后存入相应的数据库，再由监测预警平台按权限分发至市、县、运行管理单位三级用户平台。

（2）通信方式。监测站与中心站（监控平台）的信息传输主要通过无线公共通讯网GPRS信道进行信息传输。监测站数据采集传输设备具备一收多发的功能。对于无线公共通讯网络无法覆盖的地区或有特殊要求的站点选用超短波、卫星通讯的方式传输。

（3）信息采集与传输频度。水位、闸位和流量数据信息采集频度为每15 min采集1次，采集到的数据信息以标准的表格形式存储在数据遥测终端；监测站数据传输根据调度和管理需求每1 h向中心站发送1次数据信息。

4.2 系统平台功能

（1）用户体系。该平台的用户体系分为3类，分别为市级用户、县级用户和水电站运行管理单位用户。其中市级用户可以查看整个市域范围内的水电站、流量监测设施、管理单位、管理人员等相关信息，并且在发现流量监测数据有异常而下级用户未处理时可以下达指令给县级用户并接收反馈，同时能接收下级问题的上报；县级用户可以查看本县内的水电站、流量监测设施、管理单位、管理人员等相关信息，并且在发现流量监测数据有异常而下级用户未处理或接收到市级用户指令时可以下达指令给水电站运行管理单位用户并接收反馈，同时能接收到下级问题的上报；水电站运行管理单位用户只能查看本水电站、流量监测设施、管理单位、管理人员等相关信息，在出现异常情况时接收异常告警和短信提醒，进行处理并反馈给上级用户，同时也能接收上级用户的指令。此外，当水电站运行管理单位所处水电站无调节能力且流量异常是因为坝址区天然实际来水量过小时，可以将该问题上报，由上级用户批示处理。

（2）数据接入和保存。平台开放数据接口，能够接入与下泄流量有关的所有原始数据，在平台中通过计算产生的各类数据、流量计算公式、设置参数、统计数据均能够保存在平台中。

（3）数据换算。由于测流的原理和设备有所区别，最终由流量监测设施测得的数据类型、单位等均有所不同。水电站运行管理单位事先根据实际填报流量监测设施类型和下泄流量的计算公式以及相关的设置参数，使得测得的原始数据能够在平台中自动计算转换为最终所需的下泄流量数据，并统一单位。

（4）流量查询和导出。用户可以通过在平台中查询权限范围内的任一水电站任意时间段内的下泄总流量大小，也可以查询某一个时间点内的下泄流量和过去X小时内的最大下泄流量和时间点，还可以通过筛选行政区等相关信息进行搜索，并提供导出和打印的功能。

（5）异常告警和短信提醒。当测得的流量值低于生态下泄流量时，平台能够自动发送告警信息至相关用户，并将相关内容以短信的形式发送到相关用户的手机中，促使对方解决问题。在水电站运管单位解决问题后，需要将相关内容反馈给上级用户，该记录将存储在平台中。

（6）指令下达。若市级用户和县级用户查看到流量监测预警的信息，而水电站运管单位未加以处理的时候，可以下达指令单，督促水电站运管单位进行处理。

（7）问题上报。当水电站运行管理单位所处水电站无调节能力且流量异常原因等无法控制的因素时（如坝址区天然实际来水量过小），可以将该问题上报，由上级用户批示处理。

（8）视频查看。在平台中接入各个反映泄流情况的视频监控点，由水电站运管单位填写视频点的相关信息，如所在水电站、位置等。用户能够在平台中查看现场图片。视频监控设备每小时须拍摄1张照片，拍摄的照片通过接口传到平台中并存档。

（9）一张图展示。在地图上以不同类型的图标标注各个水电站、流量监测设施、视频点等，点击相关图标即可查看相关信息。此外，图上能够以红、黄、绿灯的形式展示当前水电站的生态泄流状况。若当前测得的流量值大于等于生态下泄流量，则该水电站显示为绿灯，表示正常；若测得的流量值小于生态下泄流量，则该水电站显示为黄灯，表示需要注意；若测得的流量值小于生态下泄流量的90%或相关参数未曾录入、流量数据未接入，则该水电站显示为红灯，表示不符合标准。

（10）统计分析。在平台中，用户可以查看单个水电站流量的统计情况，也可以查看某一时间范围内多个水电站的流量统计情况，以及信息更改的统计情况、流量超标的统计情况、异常情况处理的统计情况等，为用户提供分析决策的基础。

（11）系统管理。系统管理员可以对系统进行管理，包括用户管理、角色管理、权限管理、功能模块管理、日志管理等功能。①用户管理:用户管理功能主要可以实现对使用用户进行添加、维护个人信息和密码管理3块内容，由具有权限的系统管理员来进行统一用户信息维护，个人用户登录系统可修改密码和维护自己个人的信息，用户信息主要包括用户名、姓名、职务、电话、手机和角色等信息。②角色管理:定义使用本系统的角色，角色是为了更好的管理权限，一般把具有相同权限的一组用户定义为同一种角色，不同的角色有不同的权限，一个用户可以充当多个角色；角色管理主要包括添加角色和角色进行维护，具体功能包括角色创建、修改、删除、查询等。③权限管理:平台对于各类角色的权限有严格的要求，上级可查看下级信息，下级不可查看上级信息；对不同的角色权限进行划分，角色不同权限也不相同，包含对各个角色在系统中所能看见的数据及操作功能进行划分。

5 结 语

实施农村水电站生态泄流在线监测是保障农村水电站最小下泄流量的基本措施。水电站生态泄流的在线监测，可获取电站可靠的下泄流量数据，监督电站最小下泄流量执行情况，为有关部门的监督管理提供科学依据，促进电站所在河流的生态环境保护和水资源综合利用。

作为一种长效的监管手段，农村水电站生态泄流监测系统已成功运用于丽水市多个水电站，且运行情况良好，为浙江省内其他地区农村水电站生态泄流在线监测系统的建设提供参考。