生態(tài)流量在線監(jiān)測系統及在水電站的應用

嚴茂強，盧 興，印小軍，牛 彤

(鈦能科技股份有限公司，南京，211800)

政府大力推進新時代中國農村水電的發(fā)展，為經濟發(fā)展貢獻了力量，也緩解了當時的能源供應緊張問題。然而近年來，在小水電急速發(fā)展過程中存在的諸多問題也逐漸浮出來。小水電雖是清潔能源，但在我國，限于早期的技術經濟發(fā)展和環(huán)境保護意識的限制，雖然一部分符合環(huán)保要求，但不能滿足生態(tài)保護功能，沒有考慮下游河道泄放問題，導致枯水期部分河段枯竭，影響下游河道的生態(tài)環(huán)境或生產生活用水，對生態(tài)環(huán)境造成了影響。

1 生態(tài)流量及在線監(jiān)測系統簡介

“生態(tài)流量”是為了保障大自然的自我修復能力，維持水資源可持續(xù)高效利用，不因河道減水脫流造成生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化，保持下游河道生物的生存和生態(tài)環(huán)境的內在平衡的最小河道流量。

水電站生態(tài)流量在線監(jiān)測系統由現地監(jiān)測單元、視頻監(jiān)視、通信傳輸、云服務監(jiān)測平臺組成。為流域生態(tài)保護、水文水資源等監(jiān)管部門提供服務。

2 生態(tài)流量測流方式

按照水電站開發(fā)類型，遵循經濟性、技術合理的原則，保證下游河道的最小下泄流量，有以下幾種測流方式。

2.1 通過引水系統改造泄放流量

(1)渠道引水式電站：在渠道過大壩后的適當位置修建渠道或安裝水管往下游河道泄放流量，通過明渠或管段式流量計測流。該方式改造工程量較大，改造后泄放效果較好。

(2)隧洞引水式電站：利用原有靠近大壩的支洞開挖堰槽或安裝放水管向下游河道泄放流量，通過明渠或管段式流量計測流。該方式改造工程量較大，改造后泄放效果較好。

2.2 通過泄洪閘小開度泄流

對筑壩式電站：可通過開啟大壩閘門并根據水位調整閘門開度，向下游河道泄放流量。閘門泄流流量通過公式計算確定。該方式改造工程量較小，改造后泄放效果較好。

2.3 通過溢洪道閘門改造泄流

通過改造溢洪道工作閘門，根據水文勘測計算設置門中門或舌瓣門，并增設啟閉設備，向下游泄放流量。閘門泄流流量通過公式計算確定。該方式改造工程量較大，改造后泄放效果較好。

2.4 通過大壩放空設施改造泄流

利用大壩原有底孔設施并對其進行改造，實現向河道泄放生態(tài)流量。根據實際改造情況選擇合適的測流設備。

2.5 設置生態(tài)基荷或采用反調節(jié)調度泄流

壩后式電站可通過機組發(fā)電放水滿足生態(tài)下泄流量，通過基荷或反調節(jié)調度泄放水量。可以通過機組流量曲線查詢下泄流量。該方式改造工程量比較小，但機組出現問題時會造成下泄流量短時的中斷。

2.6 安裝生態(tài)機組

根據電站實際情況可以選擇安裝小容量的生態(tài)機組承擔生態(tài)下泄流量泄放任務。可以通過機組流量曲線查詢下泄流量。該方式改造工程量非常大，機組出現問題時會造成下泄流量短時的中斷，水的利用率非常高。

2.7 通過機組旁通管改造泄流

在機組進水控制閥旁通管上開孔引放水管等向下游泄放流量。通過管段式流量計測流。該方式改造工程量適中，改造后泄放效果較好。

2.8 增設大壩放水設施

在大壩適當位置安裝倒虹吸管、抽水系統、泄流通道等設施，從大壩取水泄入下游河道，滿足生態(tài)流量要求。根據實際改造情況選擇合適的測流設備。該方式改造工程量適中，改造后泄放效果較好，對大壩基本無影響。

3 生態(tài)流量在線監(jiān)測系統架構、組成和功能

3.1 系統架構

各水電站結合自身情況選用合適的泄流方式，根據泄流方式不同選取合適的測流設備、視頻設備、監(jiān)測終端設備，并將相關數據、視頻圖像進行存儲。通過廣域網將數據、報警信息及視頻圖像上送至監(jiān)管平臺，可通過就地或遠程調閱相關數據、報警信息及視頻圖像。

水電站生態(tài)流量在線監(jiān)測系統由現地監(jiān)測單元、視頻監(jiān)視、通信傳輸、云服務監(jiān)測平臺組成，系統架構圖如圖1所示。

圖1 水電站生態(tài)流量在線監(jiān)測系統架構

3.2 系統組成

(1)現地監(jiān)測單元：數據采集處理終端、水位計、閘位計、流量計(管段、明渠式等)、視頻攝像機等；

(2)網絡傳輸：路由器、局域網、專線或寬帶等；

(3)(云)平臺：(云)服務器、生態(tài)流量系統監(jiān)測平臺等。

3.3 系統功能

云服務監(jiān)測平臺提供多種靈活的接入方式，對接入測站進行統一分層級分權限管理，能夠實時查看和監(jiān)測現場生態(tài)流量信息。云服務監(jiān)測平臺還可便捷地進行功能擴展，提供水電站、水文水資源等工況數據監(jiān)測服務。

(1)實時監(jiān)測：實時監(jiān)測相關電站的基礎數據，并通過廣(局)域網將數據上送至生態(tài)流量監(jiān)測(云)平臺，通過預留接口與監(jiān)管部門共享數據，企業(yè)可通過云平臺在手機端或PC端進行數據查詢，對水電站的生態(tài)流量實施遠程自動監(jiān)測報警。

(2)統計結果分析：對生態(tài)流量基礎數據進行處理分析，提供對水位、流量、閘門開度等相關數據的展示分析，對超限值進行統計分析，生成生態(tài)流量數據分析報表。

(3)視頻監(jiān)控：利用視頻服務器實現遠端視頻攝像機的集中管理，可通過手機端或PC端查看生態(tài)流量實時視頻，對各水電站生態(tài)流量數據及視頻畫面實現統一管理。

(4)GIS系統：通過GIS地圖查看各站點的生態(tài)流量分布，可以篩選指定區(qū)域的電站情況。

4 實施過程中遇到的問題

在生態(tài)流量在線監(jiān)測系統實施過程中由于前期設計不合理、施工過程不規(guī)范等造成測流數據不準或波動較大。

4.1 管段式測流

一般管段式流量計安裝有如下規(guī)范。

(1)安裝距離應選擇上游大于10倍直管徑、下游大于5倍直管徑以內無任何閥門、彎頭、變徑等均勻的直管段，安裝點應充分遠離閥門、泵、高壓電和變頻器等干擾源；

(2)對于開口或半滿管的管道，流量計應安裝在U型管段處，保證滿管；

(3)選擇充滿流體的材質均勻質密、易于超聲波傳輸的管段，如垂直管段(流體向上流動)或水平管段。

圖2 傳感器安裝與示例

現場普遍存在預留管段無法滿足上述流量計安裝要求，具體有如下情形。

(1)管段流量計安裝位置擾流比較大，未遵循“前十后五原則”；

(2)測流管段未做U型處理，造成非滿管測流。

4.2 明渠測流

采用明渠方式的現場普遍存在水流不穩(wěn)，斷面不規(guī)則的情況。

一般明渠式流量計安裝規(guī)范有：明渠測流要求渠段順直，水流及斷面穩(wěn)定，無沙洲、無崩岸、無回流、無死水。

5 應用案例

雅安某電站生態(tài)流量監(jiān)測采用我司的整體解決方案，通過泄洪閘小開度泄流，通過公網將視頻信息及流量上送至云平臺。

5.1 監(jiān)測系統概述

該電站各大壩采用固定一扇閘門作為生態(tài)流量泄放口，閘門采用固定無調節(jié)方式泄放生態(tài)流量。充分利用電站原有設備進行數據采集，并通過閘前水位根據流量曲線查表校核流量數據。在大壩泄放口安裝視頻監(jiān)控，采集生態(tài)流量泄放視頻，通過Internet將視頻及流量數據上送至水務局監(jiān)管平臺。同時，將生態(tài)泄放流量數據通過網絡上傳到企業(yè)云，作為歷史資料保存?zhèn)洳椤?/p>

5.2 系統構成及設備

水電站生態(tài)流量監(jiān)測系統包括數據通信采集設備、數據分析與監(jiān)控系統、數據處理與傳輸系統及遠程數據管理中心。各子系統在各自體系當中相互合作，協助運行，以確保整個生態(tài)流量監(jiān)測系統的穩(wěn)定運行。

系統主要設備組成情況。

(1)數據通信采集設備：主要包括遙測水位計、閘位計、視頻攝像頭、視頻錄像機、RTU智能終端、避雷設備、設備保護箱；

(2)數據分析與監(jiān)控系統：監(jiān)控軟件(數據+視頻)、流量水位監(jiān)測數據庫、交換機、PC機；

(3)數據處理與傳輸系統：英特網、數據庫管理系統；

(4)遠程數據管理中心：生態(tài)流量監(jiān)測平臺、云服務器、交換機、PC機。

生態(tài)流量在線監(jiān)測系統建設時應充分考慮現場實際情況，選擇合適的測流方式，并遵循流量計的安裝要求進行設計、實施。

6 結語

相信經過各地政府對小水電的大力整治，在不久的將來，“生態(tài)流量”這一環(huán)保概念會逐步在全國普及，通過生態(tài)系統流量下泄管控，維持水資源的可持續(xù)高效利用，實現生態(tài)平衡的恢復。