小型水電站生態流量監測系統設計

王振，林毅鴻，余文森

（武夷學院數學與計算機學院，武夷山 354300）

0 引言

“生態流量”是維持河流或湖泊生態系統健康，保證人類可持續地從中獲得物質和服務所需的流量［1］。

小型水電站作為一種清潔能源，以其建造成本低、施工周期短、施工難度小、經濟效益高等優勢在過去得到了很大的發展［2］，然而多數小型水電站建設年代久遠，多為20世紀八九十年代修建，在修建之初未考慮建設對環境保護的影響，只注重經濟效益的提高，導致對下游生態環境造成了破壞，部分河段出現缺水、斷流等現象，不利于下游的生態環境保護。

國務院《水污染防治行動計劃》（“水十條”）明確指出，要科學確定生態流量，加強江河湖庫水量調度管理，維持河湖生態用水需求［3］。為減少電站蓄水對河流生態環境的破壞，在取水處必須有生態流量泄放的專門設施泄放生態流量，保護下游河段生態環境。

在目前生態環境建設和水資源保護已經上升為國家戰略的背景下，為了避免水生態環境惡化，保證生態平衡，根據各級水行政部門的要求，水電站必須按照規定配備下泄生態流量監測系統，接受水利部門的實時監管［4］，因此設計水電站生態流量監測系統，對下泄流量進行實時監測，精準計量，對小型水電站進行綠色改造是非常有必要的。

1 水電站生態流量監測原理

小型水電站建設過程中，根據地形情況、資金情況、設計規格等的不同，水電站會設計為引水式水電站、堤壩式水電站、混合式水電站等不同類型，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、閘門開度下泄式等不同類型。根據以上條件的不同以及地理環境，具有多種流量測量方式，各種方式具有各自的優缺點，設計生態流量監測系統時需要根據現場情況的不同選擇適合的方式。

本文設計的水電站生態流量監測系統以堤壩式水電站，采用渠道下泄式排水的水電站進行設計，對于這種水電站，結合《福建省水電站生態泄流及監控技術指導意見》提出的具體要求，可以在水電站壩址的下游選擇河道斷面作為監測斷面，安裝測流裝置，實時測量水流量進行監測。

結合現場實際情況，在下游河道斷面處進行施工，將不規則的河道進行改造，安裝巴歇爾槽和超聲波明渠流量計，采用巴氏計量槽的方式測量明渠流量。

在液體流動過程中，非滿管狀態流動的水路稱作明渠，可以使用巴氏計量槽測量明渠內的水流量。明渠內的流量越大，液位越高；流量越小，液位越低。對于一般的渠道，液位與流量沒有確定的對應關系。因為同樣的水深，流量的大小，還與渠道的橫截面積、坡度、粗糙度有關。在渠道內安裝量水堰槽，由于堰的缺口或槽的縮口比渠道的橫截面積小，因此，渠道上游水位與流量的對應關系主要取決于堰槽的幾何尺寸。同樣的量水堰槽放在不同的渠道上，相同的液位對應相同的流量。量水堰槽把流量轉成了液位。通過測量流經量堰槽內水流的液位，可以根據相應量水堰槽的水位－流量關系公式求出流量，用以下公式計算流量。

其中Q為瞬時流量，單位為m3/s；c為流量系數，不同尺寸的巴歇爾槽流量系數不同，根據巴歇爾槽的尺寸確定；h為液體深度，單位為m；n為由喉道寬度確定指數值。

將流量轉換為液位深度后，使用超聲波測量堰槽內的水位，超聲波探頭距離堰底的距離在安裝時進行固定，探頭固定安裝在量水堰槽水位觀測點上方（水位觀測點的位置見堰槽構造說明），利用超聲波回聲測距法測液位［5］，探頭部分發射出超聲波，被液面反射后探頭部分再接收到超聲波，探頭到液（物）面的距離和超聲波經過的時間成比例：用以下公式計算液面深度。

其中h為液體的深度，單位為m；s為探頭到堰槽底部的距離，單位為m；t為接收到回聲的時間，單位為s；c為聲波在空氣中的傳播速度，單位為m/s。

2 系統設計

2.1 系統框架

小型水電站生態流量監測系統由感知層、網絡層、應用層、數據層、數據庫、用戶層六個部分構成，系統框架如圖1所示。

圖1 系統框架

感知層通過超聲波明渠流量計、視頻探頭、各種傳感器等監測設備獲取實時排放流量，視頻圖像監控數據以及其他水文信息和設備運行狀態等。

網絡層通過網絡通信設備和視頻遙測終端等設備，使用TCP/IP 透傳或標準的水文數據傳輸規約等傳輸數據，可以將數據傳輸至自建的監測平臺以及省市縣各級的水利，環保監管平臺。

應用層、數據層、存儲層三個層次互相協同，將感知層獲取到的監測數據進行計算，存儲，結合水利管理部門數據和系統數據進行水電站排放流量的實時監測，預警，與用戶層進行結合形成平臺功能模塊，通過各功能模塊向用戶層的水電站及上級主管部門提供數據展示及分析的窗口。

用戶層負責和用戶交互，給管理者和各級水利、環保監管部門提供監測數據展示、數據查詢、數據預警等信息，面向用戶提供便捷的操作，提高工作效率。

從應用層面的技術開發角度來看，監測系統的六個層次可以抽象為終端環境監測設備（UE）、水文監測平臺（cs-Monitor）和人機交互程序（HCL）三個部分組成，這種抽象地應用框架為水電站生態流量監測系統的設計提供了理論依據，系統設計時以這種抽象應用框架進行設計，抽象應用框架如圖2所示。

圖2 抽象應用框架

2.2 終端環境監測設備設計

終端環境監測設備負責采集水電站的水文信息并將其傳輸到自建的水文監測平臺和省市縣各級水利，環保的監管平臺，主要采集的環境信息包括實時水流量、實時水位、流速、環境溫濕度及現場圖像信息，每隔10分鐘采集一次環境信息傳輸至水文監測平臺，由監測平臺進行數據的處理展示，可以提高水電站的管理水平，保證下游的生態流量，從而保護下游的生態環境，實現全天候無人值守的管理，降低運維成本。

根據水電站現場情況具體分析，我們的水流量監測設備采用超聲波明渠流量計，該測量方式需要在水電站下游水流斷面處修建標準的堰槽，工程量較大，但實際監測效果會比其他的方法更好。由于監測設備在野外，無法使用市電供電，因此我們的設備供電采用太陽能板+蓄電池組成，可以保證在惡劣天氣下設備的長時間運行。同時我們采用市面上比較常見的DHT11 溫濕度傳感器采集節點的溫濕度信息。使用攝像機監測水電站的視頻圖像數據。控制器采用ST 公司的STM32F407 微控制器作為主控芯片，該芯片具有較高的存儲空間以及運行費頻率，支持拓展SD卡便于我們的終端監測設備儲存水文信息，保證數據斷電不丟失。適合于野外復雜多變的環境，滿足圖像信息處理和傳輸的需要，滿足系統低功耗運行的需要，終端監測設備的硬件系統如表1所示。

表1 終端環境監測設備硬件系統

2.3 水文監測平臺設計

通過對應用抽象框架的分析，設計了水文監測平臺，在整個系統設計中，水文監測平臺作為中間部分，負責接收終端監測設備監測到的數據，進行分析處理之后傳輸給人機交互程序使用，因此這部分是系統設計的關鍵部分。考慮到減輕人機交互程序的運行負載，優化訪問速度，在設計時主要采用B/S（Browser/Server）的架構進行開發，使得主要計算部分都由監測平臺完成，充分降低用戶端的負載。

水文監測平臺使用C#語言進行開發，使用.NET Framework 4.8 框架進行程序設計。用TCP/IP 協議和終端環境監測設備進行通信，通信過程中對傳輸的信息進行加密，保證系統的安全性。和用戶層使用WebSocket 協議進行數據加密傳輸，完成數據轉發服務，允許監測平臺主動向用戶程序推送數據和預警信息。使用Mysql 數據庫提供數據存儲服務。

2.4 人機交互程序設計

針對本次水電站生態流量監測系統，設計了多種信息查看方式，提供用戶在不同條件下進行數據的查看，包括客戶端程序、手機APP 程序和網頁三種查看形式。

客戶端程序采用C#語言［6］和.NET Framework 4.8開源框架開發，在開發過程中充分考慮到后續的功能拓展，進行程序設計時所有功能采用模塊化設計［7］，便于后續功能的增加與完善，提供了圖形化的數據查看界面，支持查看瞬時流量、累計水流量、水位、流速等信息，支持歷史數據查看、數據報表生成、日志管理、建立數據流量電子臺賬、數據報表下載查看、視頻圖像查看、流量預警等功能。

手機APP 使用VUE 3.0 框架進行開發，使用HTML5 和Java Script 語法進行程序的編寫實現，可以實現數據查看、數據預警、短信通知等功能。

網頁端采用HTML5 和Java Script 進行設計，可以提供更加精美的數據界面和更加便捷的查看方式，同時兼容大部分設備使用。

2.5 通信協議

終端環境監測設備和水文監測平臺之間主要使用兩種通信方式，和省市縣各級水利，環保監管平臺之間使用基于TCP/IP協議的標準水資源/環保/水文規約進行通信，和自建的水文監測平臺之間使用經過加密的報文通過TCP/IP 透明傳輸進行數據的傳輸。

根據相關的法律法規，參照《福建省水電站下泄流量監控數據傳輸規范》規定的內容，使用“HJ/T 212-2017 污染源在線自動監控（監測）系統數據傳輸標準”中規定的幀格式以及加密標準進行通信。

自建的水文監測平臺擁有固定的IP 地址和端口號，通過這個固定的地址進行TCP/IP 透明傳輸，在終端監測設備和監測平臺之間約定好數據包格式，傳輸時將數據使用AES 加密算法［8］對傳輸數據進行加密，使用CRC 校驗算法進行數據接收的校驗，保證數據的安全性。

2.6 系統功能

小型水電站生態流量監測系統以水文監測為主，支持多種水文監測功能，包括實時數據檢測出、水電站管理、歷史數據查看、統計報表等功能。其中實時監測功能可以顯示水電站的最新生態流量信息，包括實時水位、實時流速、實時圖像查看等功能；水電站管理頁面可以查看水電站的詳細介紹信息，在下泄流量不足時進行預警提示；歷史數據查看可以看到水電站的歷史流量等信息，統計報表功能可以按照年、月、日等不同時間段生成生態流量監測的數據報表，支持數據報表下載。

3 系統優點

系統設計時充分考慮到不同水電站現場環境的差異性較大、野外環境的不確定性因素較多等特點，在進行硬件設計時采用模塊化設計，最大程度上降低不同模塊之間的耦合度，使得終端環境監測設備可以根據現場情況靈活拓展。在進行供電系統的設計時，設計了多種供電方式，在條件允許的情況下設備可以使用220V 市電進行供電，在現場不具備供電條件時使用太陽能供電；在通信方式的實際上，設備既可以使用光纖通信，也可以在不具備光纖條件時使用無線4G 通信，降低安裝成本；在流量監測方式的選擇上，根據現場情況的不同，支持多種下泄流量監測方式，還可以根據需要監測雨量、水質等環境信息；在主控制器的設計上，支持拓展外部SD 卡，支持本地數據存儲、下載，具備數據補傳功能，保證在網絡異常的情況下數據的完整性。

4 結語

本文對水電站生態流量監測系統進行了詳細的設計，從終端環境監測設備、水文監測平臺和人機交互程序三個方面進行詳細介紹，并對系統功能和系統架構進行了詳細的展示。研究的小型水電站生態流量監測系統可以對水電站的泄放流量精準計量與流量預警等功能，具有較高的使用價值。

但由于小型水電站建造時設計的差異性較大，需要用到的測量方式較多，該系統只能實現大部分水電站的流量監測，后續將進一步拓展監測設備的功能，可以拓展更多的監測方法，完善系統功能。