石头河坝后电站生态泄流系统方案设计

屈万林

(陕西省石头河水库灌溉中心，陕西?咸阳?712000)

1 概 述

石头河坝后电站为坝后引水式电站，位于石头河大坝右坝脚，是石头河水库枢纽的重要组成部分，总装机容量18 500 kW，设计年发电量5 600万kW·h。作为综合利用型水库枢纽电站，多年来，石头河水库利用电站基荷机组有效保障大坝下游生态需水要求，生态下泄量由实测资料发电量换算获得，库区及石头河下游河道水质、水生及陆生生态良好，2017年获安全生产标准化二级认证，2019年通过水利部绿色小水电站示范站验收。为了落实秦岭区域小水电整治措施，满足生态泄流新的要求，2021年7月份，结合实际科学选点，设计建设生态泄流监测系统。

2 总体要求

按照《小水电站生态流量监管软件技术指导意见》技术规范要求，采取工程措施，使用可精确测量的超声波流量计，完成坝后生态流量下泄数据测量、采集和监测。在此基础上，建设坝后电站生态泄流监测软件，集成流量采集数据，进行后台存储，实现与远端上级监管软件的传输对接。

3 现场条件

石头河坝后电站发电消能后尾水直接进入总干渠，通过总干渠首调配灌溉和城市供水，可通过将军沟、眉惠渠首、常家庄3处退水闸将水退入石头河，进行生态流量泄放；3处退水闸室具备控制条件，退水均进入石头河河道。

4 泄流方案及计算

(1)本次生态泄流泄水口的选定遵循保证足量生态流量下泄，尽量靠近石头河大坝，入河段流态好，现有工程设施满足使用，尽量减少投资，易于电站监测管理的原则。在总干渠第一个退水口将军沟与石头河交汇处水流相对比较平缓，具备测流条件处；结合现场实际情况，对原有退水闸进行改造，使退水闸兼做生态放水口。

(2)退水闸闸门净尺寸2.5 m×6.75 m(宽×高)，配备闸门启闭机，闸室供电正常，设施工作正常。闸门底板高程706.87 m，取水口底板高程707.352 m，闸顶高程713.62 m，正常水位712.737 m，所需生态流量为1.0 m3/s。退水闸改造方案为：在退水闸螺杆底部安装限位装置，使闸门预留一定的开度，从而保证生态流量下泄。

(3)泄流量计算。单孔闸门流量的计算公式为(见图1)：

μ=0.615-0.20e/H

式中，Qi为第i孔闸门的泄流量(m3/s)；μ为流量系数;b为闸门宽度(m)；e为闸门开度(m)；g为重力加速度(常数：9.8 m/s2)；h为闸前水深(闸前水面到闸门底坎的水深，m)；H为上游海拔水位—闸门底坎海拔高程。

(4)泄流量计算成果。泄水闸闸门净尺寸2.5 m×6.75 m(宽×高)，正常水深5.5 m(渠道堰顶至闸底高度)，根据单孔闸门流量计算公式计算得闸门开度～泄流量关系(见表1)，选用生态流量放水口尺寸为2.5 m×0.06 m(宽×高)。当开度大于等于0.06 m时，下泄生态基流量能大于1.0 m3/s,拟在闸门螺杆底部安装限位卡环， 尺寸为：h×b×d(63 mm×40 mm×4.8 mm)，满足相关规范要求。

表1 闸门开度～泄流量关系

5 监测方案

5.1 监测思路

石头河坝后电站将军沟退水通过自流的方式流入石头河，河道不规则，最宽度达到9 m左右，且水流湍急，两边河道陡峭，采用渠道下泄式方式监测修筑难度大。因此，不利用现有条件加装传感器，选定在将军沟汇入点采用管道式流量计对其进行流量校核监测，使用摄像机进行实时监控，采用遥测终端进行数据采集集成；同步建设坝后电站生态泄流远端监控系统，按规范要求，实现水电站下泄流量监测。预留与政府监控平台的对接，确保生态流数据真实、完整和连续，为生态流量泄放调度管理和主管部门监督提供支持。

5.2 断面要求

在将军沟与石头河流交汇处水流相对比较平缓处，借助将军石，建设一个标准的矩形拦水断面，长度8 m，宽度3.5 m，高度1.6 m；堰体采用“梯形”结构,高度1.4 m，长度3.8 m，上宽3.5 m，底宽6.0 m；整体采用C25混凝土进行浇筑，墙体厚度0.4 m，埋深度0.3 m至清理出的山体基岩，保证堰体稳定。

5.3 流量监测

下泄流量采用管道式流量计监测计量的方式，在满足流量1～1.5 m3/s的生态流量情况下，使用20号碳钢卷制直径0.6 m、长度12.0 m的管道，预埋于堰下。管道末端焊接弯头，保证管道总处于满管状态，在离末端2.0 m左右安装防护等级为IP68的双声道超声波流量计进行计量。在入河河堤正对堰体处栽塔杆装设监视摄像头，进行生态泄流实像监视。在塔杆上挂置遥测终端机作为现地管理智能工作站进行数据和视频的采集和集成。在坝后枢纽变电站控制室安装监控电脑，布设流量监测系统，进行远端的监视和管理；可从遥测终端机和监控电脑同时向上级监管部门传送泄流监测数据和集成的图像和视频。

5.4 硬件连接及系统拓扑

硬件连接及系统拓扑如下所示(见图2、图3)。

5.5 监测软件

石头河坝后电站生态泄流监测系统采用易于业务整合的SOA面向服务的架构，使用J2EE技术进行软件设计，通过将前台展示、中间业务层逻辑和后端数据存储相分离的思想，支持软件的多层框架。监测软件作为生态流量监测一个可视化的工具，可以实时查看生态流量数据、视频图片数据，监测数据的历史存储以及远端上级监管软件的传输对接，为业务管理工作提供及时准确的支持和服务。

6 结 语

2021年8月底，石头河坝后电站生态泄流监测系统建成投用后，运行状态良好，真实记录了电站生态泄流状况，为监管提供了可看、可查、可调的影像和数据资料，通过了各级验收，积累了管理经验。