小型水电站生态流量监测系统设计

王振，林毅鸿，余文森

（武夷学院数学与计算机学院，武夷山 354300）

0 引言

“生态流量”是维持河流或湖泊生态系统健康，保证人类可持续地从中获得物质和服务所需的流量［1］。

小型水电站作为一种清洁能源，以其建造成本低、施工周期短、施工难度小、经济效益高等优势在过去得到了很大的发展［2］，然而多数小型水电站建设年代久远，多为20世纪八九十年代修建，在修建之初未考虑建设对环境保护的影响，只注重经济效益的提高，导致对下游生态环境造成了破坏，部分河段出现缺水、断流等现象，不利于下游的生态环境保护。

国务院《水污染防治行动计划》（“水十条”）明确指出，要科学确定生态流量，加强江河湖库水量调度管理，维持河湖生态用水需求［3］。为减少电站蓄水对河流生态环境的破坏，在取水处必须有生态流量泄放的专门设施泄放生态流量，保护下游河段生态环境。

在目前生态环境建设和水资源保护已经上升为国家战略的背景下，为了避免水生态环境恶化，保证生态平衡，根据各级水行政部门的要求，水电站必须按照规定配备下泄生态流量监测系统，接受水利部门的实时监管［4］，因此设计水电站生态流量监测系统，对下泄流量进行实时监测，精准计量，对小型水电站进行绿色改造是非常有必要的。

1 水电站生态流量监测原理

小型水电站建设过程中，根据地形情况、资金情况、设计规格等的不同，水电站会设计为引水式水电站、堤坝式水电站、混合式水电站等不同类型，下泄流量也具有不同的方式，主要包括管道下泄式、渠道下泄式、闸门开度下泄式等不同类型。根据以上条件的不同以及地理环境，具有多种流量测量方式，各种方式具有各自的优缺点，设计生态流量监测系统时需要根据现场情况的不同选择适合的方式。

本文设计的水电站生态流量监测系统以堤坝式水电站，采用渠道下泄式排水的水电站进行设计，对于这种水电站，结合《福建省水电站生态泄流及监控技术指导意见》提出的具体要求，可以在水电站坝址的下游选择河道断面作为监测断面，安装测流装置，实时测量水流量进行监测。

结合现场实际情况，在下游河道断面处进行施工，将不规则的河道进行改造，安装巴歇尔槽和超声波明渠流量计，采用巴氏计量槽的方式测量明渠流量。

在液体流动过程中，非满管状态流动的水路称作明渠，可以使用巴氏计量槽测量明渠内的水流量。明渠内的流量越大，液位越高；流量越小，液位越低。对于一般的渠道，液位与流量没有确定的对应关系。因为同样的水深，流量的大小，还与渠道的横截面积、坡度、粗糙度有关。在渠道内安装量水堰槽，由于堰的缺口或槽的缩口比渠道的横截面积小，因此，渠道上游水位与流量的对应关系主要取决于堰槽的几何尺寸。同样的量水堰槽放在不同的渠道上，相同的液位对应相同的流量。量水堰槽把流量转成了液位。通过测量流经量堰槽内水流的液位，可以根据相应量水堰槽的水位－流量关系公式求出流量，用以下公式计算流量。

其中Q为瞬时流量，单位为m3/s；c为流量系数，不同尺寸的巴歇尔槽流量系数不同，根据巴歇尔槽的尺寸确定；h为液体深度，单位为m；n为由喉道宽度确定指数值。

将流量转换为液位深度后，使用超声波测量堰槽内的水位，超声波探头距离堰底的距离在安装时进行固定，探头固定安装在量水堰槽水位观测点上方（水位观测点的位置见堰槽构造说明），利用超声波回声测距法测液位［5］，探头部分发射出超声波，被液面反射后探头部分再接收到超声波，探头到液（物）面的距离和超声波经过的时间成比例：用以下公式计算液面深度。

其中h为液体的深度，单位为m；s为探头到堰槽底部的距离，单位为m；t为接收到回声的时间，单位为s；c为声波在空气中的传播速度，单位为m/s。

2 系统设计

2.1 系统框架

小型水电站生态流量监测系统由感知层、网络层、应用层、数据层、数据库、用户层六个部分构成，系统框架如图1所示。

图1 系统框架

感知层通过超声波明渠流量计、视频探头、各种传感器等监测设备获取实时排放流量，视频图像监控数据以及其他水文信息和设备运行状态等。

网络层通过网络通信设备和视频遥测终端等设备，使用TCP/IP 透传或标准的水文数据传输规约等传输数据，可以将数据传输至自建的监测平台以及省市县各级的水利，环保监管平台。

应用层、数据层、存储层三个层次互相协同，将感知层获取到的监测数据进行计算，存储，结合水利管理部门数据和系统数据进行水电站排放流量的实时监测，预警，与用户层进行结合形成平台功能模块，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。

用户层负责和用户交互，给管理者和各级水利、环保监管部门提供监测数据展示、数据查询、数据预警等信息，面向用户提供便捷的操作，提高工作效率。

从应用层面的技术开发角度来看，监测系统的六个层次可以抽象为终端环境监测设备（UE）、水文监测平台（cs-Monitor）和人机交互程序（HCL）三个部分组成，这种抽象地应用框架为水电站生态流量监测系统的设计提供了理论依据，系统设计时以这种抽象应用框架进行设计，抽象应用框架如图2所示。

图2 抽象应用框架

2.2 终端环境监测设备设计

终端环境监测设备负责采集水电站的水文信息并将其传输到自建的水文监测平台和省市县各级水利，环保的监管平台，主要采集的环境信息包括实时水流量、实时水位、流速、环境温湿度及现场图像信息，每隔10分钟采集一次环境信息传输至水文监测平台，由监测平台进行数据的处理展示，可以提高水电站的管理水平，保证下游的生态流量，从而保护下游的生态环境，实现全天候无人值守的管理，降低运维成本。

根据水电站现场情况具体分析，我们的水流量监测设备采用超声波明渠流量计，该测量方式需要在水电站下游水流断面处修建标准的堰槽，工程量较大，但实际监测效果会比其他的方法更好。由于监测设备在野外，无法使用市电供电，因此我们的设备供电采用太阳能板+蓄电池组成，可以保证在恶劣天气下设备的长时间运行。同时我们采用市面上比较常见的DHT11 温湿度传感器采集节点的温湿度信息。使用摄像机监测水电站的视频图像数据。控制器采用ST 公司的STM32F407 微控制器作为主控芯片，该芯片具有较高的存储空间以及运行费频率，支持拓展SD卡便于我们的终端监测设备储存水文信息，保证数据断电不丢失。适合于野外复杂多变的环境，满足图像信息处理和传输的需要，满足系统低功耗运行的需要，终端监测设备的硬件系统如表1所示。

表1 终端环境监测设备硬件系统

2.3 水文监测平台设计

通过对应用抽象框架的分析，设计了水文监测平台，在整个系统设计中，水文监测平台作为中间部分，负责接收终端监测设备监测到的数据，进行分析处理之后传输给人机交互程序使用，因此这部分是系统设计的关键部分。考虑到减轻人机交互程序的运行负载，优化访问速度，在设计时主要采用B/S（Browser/Server）的架构进行开发，使得主要计算部分都由监测平台完成，充分降低用户端的负载。

水文监测平台使用C#语言进行开发，使用.NET Framework 4.8 框架进行程序设计。用TCP/IP 协议和终端环境监测设备进行通信，通信过程中对传输的信息进行加密，保证系统的安全性。和用户层使用WebSocket 协议进行数据加密传输，完成数据转发服务，允许监测平台主动向用户程序推送数据和预警信息。使用Mysql 数据库提供数据存储服务。

2.4 人机交互程序设计

针对本次水电站生态流量监测系统，设计了多种信息查看方式，提供用户在不同条件下进行数据的查看，包括客户端程序、手机APP 程序和网页三种查看形式。

客户端程序采用C#语言［6］和.NET Framework 4.8开源框架开发，在开发过程中充分考虑到后续的功能拓展，进行程序设计时所有功能采用模块化设计［7］，便于后续功能的增加与完善，提供了图形化的数据查看界面，支持查看瞬时流量、累计水流量、水位、流速等信息，支持历史数据查看、数据报表生成、日志管理、建立数据流量电子台账、数据报表下载查看、视频图像查看、流量预警等功能。

手机APP 使用VUE 3.0 框架进行开发，使用HTML5 和Java Script 语法进行程序的编写实现，可以实现数据查看、数据预警、短信通知等功能。

网页端采用HTML5 和Java Script 进行设计，可以提供更加精美的数据界面和更加便捷的查看方式，同时兼容大部分设备使用。

2.5 通信协议

终端环境监测设备和水文监测平台之间主要使用两种通信方式，和省市县各级水利，环保监管平台之间使用基于TCP/IP协议的标准水资源/环保/水文规约进行通信，和自建的水文监测平台之间使用经过加密的报文通过TCP/IP 透明传输进行数据的传输。

根据相关的法律法规，参照《福建省水电站下泄流量监控数据传输规范》规定的内容，使用“HJ/T 212-2017 污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准”中规定的帧格式以及加密标准进行通信。

自建的水文监测平台拥有固定的IP 地址和端口号，通过这个固定的地址进行TCP/IP 透明传输，在终端监测设备和监测平台之间约定好数据包格式，传输时将数据使用AES 加密算法［8］对传输数据进行加密，使用CRC 校验算法进行数据接收的校验，保证数据的安全性。

2.6 系统功能

小型水电站生态流量监测系统以水文监测为主，支持多种水文监测功能，包括实时数据检测出、水电站管理、历史数据查看、统计报表等功能。其中实时监测功能可以显示水电站的最新生态流量信息，包括实时水位、实时流速、实时图像查看等功能；水电站管理页面可以查看水电站的详细介绍信息，在下泄流量不足时进行预警提示；历史数据查看可以看到水电站的历史流量等信息，统计报表功能可以按照年、月、日等不同时间段生成生态流量监测的数据报表，支持数据报表下载。

3 系统优点

系统设计时充分考虑到不同水电站现场环境的差异性较大、野外环境的不确定性因素较多等特点，在进行硬件设计时采用模块化设计，最大程度上降低不同模块之间的耦合度，使得终端环境监测设备可以根据现场情况灵活拓展。在进行供电系统的设计时，设计了多种供电方式，在条件允许的情况下设备可以使用220V 市电进行供电，在现场不具备供电条件时使用太阳能供电；在通信方式的实际上，设备既可以使用光纤通信，也可以在不具备光纤条件时使用无线4G 通信，降低安装成本；在流量监测方式的选择上，根据现场情况的不同，支持多种下泄流量监测方式，还可以根据需要监测雨量、水质等环境信息；在主控制器的设计上，支持拓展外部SD 卡，支持本地数据存储、下载，具备数据补传功能，保证在网络异常的情况下数据的完整性。

4 结语

本文对水电站生态流量监测系统进行了详细的设计，从终端环境监测设备、水文监测平台和人机交互程序三个方面进行详细介绍，并对系统功能和系统架构进行了详细的展示。研究的小型水电站生态流量监测系统可以对水电站的泄放流量精准计量与流量预警等功能，具有较高的使用价值。

但由于小型水电站建造时设计的差异性较大，需要用到的测量方式较多，该系统只能实现大部分水电站的流量监测，后续将进一步拓展监测设备的功能，可以拓展更多的监测方法，完善系统功能。