江西省农村小水电站生态泄流测流方法及平台建设探讨

袁 媛

（江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

水电开发对优化能源结构、促进经济发展起到了重要作用。江西省水能资源理论蕴藏量685万kW，技术可开发量633万kW，其中农村水电技术可开发量423万kW[1]。截至2018年底，全省共有农村水电站3 868座，装机容量345万kW，占农村水电技术可开发量的81.6%，全年发电量73亿kW·h。江西省1 000kW以下的农村小水电有3 213座，占全省农村水电站数量的83.1%。

水电工程中引水式开发、混合式开发以及堤坝式开发水库初期蓄水期和参与系统调峰的电站，会造成闸坝至厂房河段或坝址下游河段减水甚至断流，对下游的工业及农业生产造成极大影响，由断水引发的其他生态环境问题也十分突出。必须下泄一定的生态流量及采取相应的生态流量泄放保障措施，减缓不利影响[2]。

随着生态文明建设进程不断推进，为保护河湖生态环境、推动水利水电行业绿色发展及水利工程标准化发展，贯彻创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，保障农村小电站下游河湖生态流量[3，4]，改善下游河湖生态环境，需要制定一个高效、稳定的生态流量下泄监测平台，促进农村小水电站生态泄流的有效监管。

1 生态泄流监测方法

目前江西省农村小水电站一部分主要生态泄流方式为布设放水管和闸门小开度泄流，另外还有一部分小水电站未建设生态泄流设施。

为解决下游河湖减水、脱水问题，适应引水式、坝式、混合式等不同类型水电站，以保证适用性和可操作性为原则，应选择合适的农村小水电站生态泄流设施，且设施的泄流能力不小于下游河湖需求的最小生态下泄流量。其生态泄流测流方法如下：

（1）流速测量法。如水电站采用规则渠道泄流，则采用在标准断面安装流速仪的方式对生态泄流进行监测，布设一个或多个雷达流量计探头，实时监测水流表面流速，并通过流速仪比测率定断面水面流速系数，推求断面流量[5]（见图1）。

图1 流速测量法示意图

（2）水位测量法。当水电站通过规则或不规则渠道泄流，可根据现场条件在监测断面处安装水位自动监测设施设备（水位自记井、水位计、电子水尺等），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[6]。通过水位流量曲线将水位换算成流量（见图2）。

图2 水位测量法示意图

（3）流量测量法。如果采用生态泄流孔（管）道进行泄流，可通过管道电磁流量计方式对生态泄流进行监测，将流量计安装在满流管道上，通过感应电压与流速的正比关系，获取管道流量值[6]（见图3）。

图3 流量测量法示意图

生态泄流监测方式及适用电站类型见表1。

表1 生态泄流监测方式适用表

2 生态泄流监测硬件系统设计

江西省农村小水电站生态泄流省级在线监测平台设计为软硬件结合的在线监测平台，前端硬件用于采集两类数据：一类为流速仪、流量计、水位计等传感器采集的实时数据，经转换后形成生态泄流流量数据；一类为视频监控数据，用于验证生态泄流设施工况及生态泄流数据的准确性。传感器采集的数据通过遥测终端转换信号后通过RTU传回数据库，摄像头数据利用NVR存储后通过光纤或4G网络传输至视频数据库中。

与上述生态泄流监测方法相对应，生态泄流监测硬件系统组成如表2。

图4 硬件系统结构设计图

表2 生态泄流监测方法与硬件对应表

针对不同测量方式配置不同的前端监测设备，并与摄像头获取的实时视频验证，确保前端监控设备获取到的实时生态下泄流量数据的真实性与准确性，为后续的生态下泄流量数据的存储、管理、分析、预警提供数据基础。

3 生态泄流监测平台设计

3.1 平台总体框架设计

农村水电站生态泄流省级在线监测平台由数据采集层、基础设施层、数源层、应用支持层、应用层及用户层组成，其中数据采集层通过调用各基础平台的数据服务获取农村水电站相关的位置数据、底图数据；通过自动监测设备获取实时的生态泄流、视频监控及其他相关水文信息和设备运行状态信息；通过人工手持移动设备获取巡检信息。基础设施层由水利云平台和通讯网络组成，其中水利云平台提供云管理平台、虚拟化技术、计算资源、存储资源、终端资源等，通讯网络包含智慧水利感知网、智慧水利专网及互联网，水利云平台及通讯网络为农村水电站生态泄流省级在线监测平台提供稳定、高效、安全的技术及链路支持。数据层包括水利数据中心与系统数据，其中水利数据中心提供与水电站业务相关的基础数据、地理空间数据、外部数据等，系统数据提供实时监控监测数据、台账数据等，为农村水电站生态泄流省级在线监测平台提供充足、稳定的数据保障。应用支撑层包含江西省水利厅现有的主要支撑平台，具体包含“江西水利人员信息管理系统”（HR系统）“水利一张图”“江西水利视频云平台”、即时通讯及短信平台，整合各平台的优势资源及服务，充分发挥各支撑平台的功能，共同组成稳定、全面的农村水电站生态泄流省级在线监测平台。应用层为由底层各数据、资源及服务结合业务需求形成的平台功能模块，通过各功能模块向用户层的水电站及上级主管部门提供数据展示及分析的窗口。

平台总体框架图以虚线框表明本平台省级行政管理单位用户可以查询、管理的范围为全省所有水电站；各市、区县行政管理单位用户可以查询、管理行政区划范围内所有水电站。水电工程管理单位用户可以查看本水电站相关信息（见图5）。

3.2 平台功能设计

3.2.1 水电站信息查询

以区域、类型、名称等信息为筛选条件，通过复选框选择查询条件，查询水电站基础信息，如水电站全称、所属管理区域、工作负责人、生态泄流设施类型等基础信息及实时、历史的视频、生态泄流数据，并展示水电站机组、数据采集仪、设备信息等内容，以点位图、列表等形式展现查询结果，帮助用户了解水电站各类信息。

3.2.2 综合信息展示

综合信息展示是基于一张图展示水电站地理位置、泄流监测设备运行情况、下泄流量未达标报警等信息。可在地图上以不同颜色来展示各水电站当前情况，如水电站图标为绿色时，则表示生态下泄流量达标；图标为黄色时，则表示未达标；图标为红色时，则表示平台未接收到该水电站生态泄流设备传回的数据。

图5 平台总体框架图

3.2.3 生态泄流分析

生态泄流分析是展示以日、周、月、年为周期，展示水电站生态泄流的达标情况，并记录生态泄流起止时间、生态泄流变化曲线等信息，若以省、市、县为单位统计分析当前辖区内的生态泄流数据时则增加当前辖区内的生态泄流达标率。

3.2.5 运行监管

运行监管是当水电站生态泄流数据不达标或长期未上传生态泄流数据时，上级部门可自动生成包含该水电站基本信息及整改要求的指令单，下发到下级部门，督促下级部门进行处理。

3.2.6 问题上报

问题上报是当水电站出现流量异常且无法控制时（如上游来水量过小），可将问题上报至直接上级单位，由上级单位审批，并提出处理意见。

4 结语

实施农村小水电站生态泄流在线监测是保证江西省河湖生态环境、推动水利水电行业绿色发展及水利工程标准化的重要举措，也是保障江西省生态文明建设的重要方式。进行农村小水电站生态泄流在线监测，可实时获取生态泄流的流量及视频数据，监督农村小水电站的生态泄流执行情况，为水利水电管理部门的监管提供定量、定性的科学依据，在促进经济发展的同时，保证了水电站所在河湖的生态环境质量。

农村小水电站生态泄流省级在线监测平台充分利用当前的各类型水位、流量、流速传感器、物联网技术及软件开发技术，并融合当前水利行业相关的管理制度，形成了一种高效的监督管理手段，通过传感器设备从前端采集生态泄流数据，通过物联网从传输数据到相应后台，由后台分析并展示泄流数据，为推动江西省农村小水电站管理迈向新台阶提供了有效途径。但由于当前有较多水电站处于基础设施较落后的地区，对通讯方式要求严格，后续将进一步研究电力载波通讯在江西省农村小水电站生态泄流监测数据传输中的应用，为形成一个具有完整性、可靠性、有效性、普适性的平台提供技术基础。