生态流量在线监测系统及在水电站的应用

严茂强，卢 兴，印小军，牛 彤

(钛能科技股份有限公司，南京，211800)

政府大力推进新时代中国农村水电的发展，为经济发展贡献了力量，也缓解了当时的能源供应紧张问题。然而近年来，在小水电急速发展过程中存在的诸多问题也逐渐浮出来。小水电虽是清洁能源，但在我国，限于早期的技术经济发展和环境保护意识的限制，虽然一部分符合环保要求，但不能满足生态保护功能，没有考虑下游河道泄放问题，导致枯水期部分河段枯竭，影响下游河道的生态环境或生产生活用水，对生态环境造成了影响。

1 生态流量及在线监测系统简介

“生态流量”是为了保障大自然的自我修复能力，维持水资源可持续高效利用，不因河道减水脱流造成生态环境发生变化，保持下游河道生物的生存和生态环境的内在平衡的最小河道流量。

水电站生态流量在线监测系统由现地监测单元、视频监视、通信传输、云服务监测平台组成。为流域生态保护、水文水资源等监管部门提供服务。

2 生态流量测流方式

按照水电站开发类型，遵循经济性、技术合理的原则，保证下游河道的最小下泄流量，有以下几种测流方式。

2.1 通过引水系统改造泄放流量

(1)渠道引水式电站：在渠道过大坝后的适当位置修建渠道或安装水管往下游河道泄放流量，通过明渠或管段式流量计测流。该方式改造工程量较大，改造后泄放效果较好。

(2)隧洞引水式电站：利用原有靠近大坝的支洞开挖堰槽或安装放水管向下游河道泄放流量，通过明渠或管段式流量计测流。该方式改造工程量较大，改造后泄放效果较好。

2.2 通过泄洪闸小开度泄流

对筑坝式电站：可通过开启大坝闸门并根据水位调整闸门开度，向下游河道泄放流量。闸门泄流流量通过公式计算确定。该方式改造工程量较小，改造后泄放效果较好。

2.3 通过溢洪道闸门改造泄流

通过改造溢洪道工作闸门，根据水文勘测计算设置门中门或舌瓣门，并增设启闭设备，向下游泄放流量。闸门泄流流量通过公式计算确定。该方式改造工程量较大，改造后泄放效果较好。

2.4 通过大坝放空设施改造泄流

利用大坝原有底孔设施并对其进行改造，实现向河道泄放生态流量。根据实际改造情况选择合适的测流设备。

2.5 设置生态基荷或采用反调节调度泄流

坝后式电站可通过机组发电放水满足生态下泄流量，通过基荷或反调节调度泄放水量。可以通过机组流量曲线查询下泄流量。该方式改造工程量比较小，但机组出现问题时会造成下泄流量短时的中断。

2.6 安装生态机组

根据电站实际情况可以选择安装小容量的生态机组承担生态下泄流量泄放任务。可以通过机组流量曲线查询下泄流量。该方式改造工程量非常大，机组出现问题时会造成下泄流量短时的中断，水的利用率非常高。

2.7 通过机组旁通管改造泄流

在机组进水控制阀旁通管上开孔引放水管等向下游泄放流量。通过管段式流量计测流。该方式改造工程量适中，改造后泄放效果较好。

2.8 增设大坝放水设施

在大坝适当位置安装倒虹吸管、抽水系统、泄流通道等设施，从大坝取水泄入下游河道，满足生态流量要求。根据实际改造情况选择合适的测流设备。该方式改造工程量适中，改造后泄放效果较好，对大坝基本无影响。

3 生态流量在线监测系统架构、组成和功能

3.1 系统架构

各水电站结合自身情况选用合适的泄流方式，根据泄流方式不同选取合适的测流设备、视频设备、监测终端设备，并将相关数据、视频图像进行存储。通过广域网将数据、报警信息及视频图像上送至监管平台，可通过就地或远程调阅相关数据、报警信息及视频图像。

水电站生态流量在线监测系统由现地监测单元、视频监视、通信传输、云服务监测平台组成，系统架构图如图1所示。

图1 水电站生态流量在线监测系统架构

3.2 系统组成

(1)现地监测单元：数据采集处理终端、水位计、闸位计、流量计(管段、明渠式等)、视频摄像机等；

(2)网络传输：路由器、局域网、专线或宽带等；

(3)(云)平台：(云)服务器、生态流量系统监测平台等。

3.3 系统功能

云服务监测平台提供多种灵活的接入方式，对接入测站进行统一分层级分权限管理，能够实时查看和监测现场生态流量信息。云服务监测平台还可便捷地进行功能扩展，提供水电站、水文水资源等工况数据监测服务。

(1)实时监测：实时监测相关电站的基础数据，并通过广(局)域网将数据上送至生态流量监测(云)平台，通过预留接口与监管部门共享数据，企业可通过云平台在手机端或PC端进行数据查询，对水电站的生态流量实施远程自动监测报警。

(2)统计结果分析：对生态流量基础数据进行处理分析，提供对水位、流量、闸门开度等相关数据的展示分析，对超限值进行统计分析，生成生态流量数据分析报表。

(3)视频监控：利用视频服务器实现远端视频摄像机的集中管理，可通过手机端或PC端查看生态流量实时视频，对各水电站生态流量数据及视频画面实现统一管理。

(4)GIS系统：通过GIS地图查看各站点的生态流量分布，可以筛选指定区域的电站情况。

4 实施过程中遇到的问题

在生态流量在线监测系统实施过程中由于前期设计不合理、施工过程不规范等造成测流数据不准或波动较大。

4.1 管段式测流

一般管段式流量计安装有如下规范。

(1)安装距离应选择上游大于10倍直管径、下游大于5倍直管径以内无任何阀门、弯头、变径等均匀的直管段，安装点应充分远离阀门、泵、高压电和变频器等干扰源；

(2)对于开口或半满管的管道，流量计应安装在U型管段处，保证满管；

(3)选择充满流体的材质均匀质密、易于超声波传输的管段，如垂直管段(流体向上流动)或水平管段。

图2 传感器安装与示例

现场普遍存在预留管段无法满足上述流量计安装要求，具体有如下情形。

(1)管段流量计安装位置扰流比较大，未遵循“前十后五原则”；

(2)测流管段未做U型处理，造成非满管测流。

4.2 明渠测流

采用明渠方式的现场普遍存在水流不稳，断面不规则的情况。

一般明渠式流量计安装规范有：明渠测流要求渠段顺直，水流及断面稳定，无沙洲、无崩岸、无回流、无死水。

5 应用案例

雅安某电站生态流量监测采用我司的整体解决方案，通过泄洪闸小开度泄流，通过公网将视频信息及流量上送至云平台。

5.1 监测系统概述

该电站各大坝采用固定一扇闸门作为生态流量泄放口，闸门采用固定无调节方式泄放生态流量。充分利用电站原有设备进行数据采集，并通过闸前水位根据流量曲线查表校核流量数据。在大坝泄放口安装视频监控，采集生态流量泄放视频，通过Internet将视频及流量数据上送至水务局监管平台。同时，将生态泄放流量数据通过网络上传到企业云，作为历史资料保存备查。

5.2 系统构成及设备

水电站生态流量监测系统包括数据通信采集设备、数据分析与监控系统、数据处理与传输系统及远程数据管理中心。各子系统在各自体系当中相互合作，协助运行，以确保整个生态流量监测系统的稳定运行。

系统主要设备组成情况。

(1)数据通信采集设备：主要包括遥测水位计、闸位计、视频摄像头、视频录像机、RTU智能终端、避雷设备、设备保护箱；

(2)数据分析与监控系统：监控软件(数据+视频)、流量水位监测数据库、交换机、PC机；

(3)数据处理与传输系统：英特网、数据库管理系统；

(4)远程数据管理中心：生态流量监测平台、云服务器、交换机、PC机。

生态流量在线监测系统建设时应充分考虑现场实际情况，选择合适的测流方式，并遵循流量计的安装要求进行设计、实施。

6 结语

相信经过各地政府对小水电的大力整治，在不久的将来，“生态流量”这一环保概念会逐步在全国普及，通过生态系统流量下泄管控，维持水资源的可持续高效利用，实现生态平衡的恢复。