陳國柱，楊杰，趙再興

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽 550081)

水電工程生態(tài)流量實時監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的思考

陳國柱，楊杰，趙再興

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽 550081)

水電工程造成的水文情勢變化是影響河流生態(tài)環(huán)境的直接原因，需要合理確定所需生態(tài)流量并有效管控，建設生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)是實現(xiàn)生態(tài)流量監(jiān)控的重要措施。通過對國內(nèi)目前已建水電工程生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)總結(jié)，識別生態(tài)流量實時監(jiān)測目前存在的主要問題，從技術(shù)角度提出了未來生態(tài)流量實時監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向，為后續(xù)水電工程環(huán)境影響評價、環(huán)境保護設計、運行管理提供參考。

水電工程；生態(tài)流量；實時監(jiān)測技術(shù)；發(fā)展

水電工程建設運行造成的水文情勢變化是影響河流生態(tài)環(huán)境的直接原因，維持適宜的生態(tài)流量是減緩水電工程環(huán)境影響的重要措施。一方面，需要合理確定所需的生態(tài)流量；另一方面，需要切實落實并有效管控[1-4]。目前，國家、行業(yè)管理部門已明確下泄生態(tài)流量并建設實時監(jiān)測系統(tǒng)作為水電開發(fā)的必備措施，且在近年來開工建設的一批水電工程中予以落實，但其監(jiān)控方式、技術(shù)要求等尚未形成規(guī)范化、信息化管理，尚未充分發(fā)揮其應有的效果，這也將是未來水電環(huán)保技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

1 生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)的建設需求

生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)建設具有其必然需求，首先是滿足環(huán)保部門監(jiān)管的外部要求，其次也是優(yōu)化電站運行管理、提高科學決策水平的內(nèi)在需求。

1.1滿足水電工程環(huán)境監(jiān)管的必然要求

水電工程的首要開發(fā)任務是發(fā)電，而下放生態(tài)流量會直接影響到電站的發(fā)電效益。在當前仍然十分重視GDP績效考核的制度下，如果建設單位環(huán)境意識和社會責任感差，即使工程建設有生態(tài)流量泄放措施，工程運行后可能存在不愿意泄放生態(tài)流量的情況。因此，必須建設下泄生態(tài)流量自動測報和遠程傳輸系統(tǒng)，將生態(tài)流量泄放納入工程環(huán)保監(jiān)管體系，這也是貫徹落實當前建設項目事中事后環(huán)境保護監(jiān)督管理的必然要求。

1.2優(yōu)化水電工程運行管理的內(nèi)在需求

近年來，在環(huán)保部門批準的水電工程環(huán)境影響評價文件中，都對工程運行以后生態(tài)流量“放多少、怎么放”提出了明確要求，從生態(tài)基流和下泄過程兩個角度都有具體量化指標。但目前大多數(shù)水電工程生態(tài)流量泄放措施僅考慮了泄放能力的要求，在電站運行調(diào)度中，還需結(jié)合下游河道水量變化情況調(diào)控下泄流量；只有通過建設生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)，獲取生態(tài)流量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，才能實現(xiàn)生態(tài)流量泄放措施的科學調(diào)度、有效運行。

1.3實現(xiàn)流量調(diào)控信息化管理的決策需求

信息化技術(shù)的快速發(fā)展為工程運行維護、環(huán)境管理提供了更加高效的手段，通過開展生態(tài)流量實時監(jiān)測，將電站下游河道生態(tài)流量監(jiān)測數(shù)據(jù)借力于當前快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺等先進信息技術(shù)，可以實現(xiàn)生態(tài)流量調(diào)控的信息化管理，在此基礎上構(gòu)建河流生態(tài)需水技術(shù)保障體系，提高科學決策水平。

2 國內(nèi)已采用的技術(shù)類型與特點

2005年以后我國批準建設的雅礱江錦屏二級、金沙江龍開口及魯?shù)乩?、烏江沙沱、北盤江馬馬崖及董箐、黃河瑪爾擋、大渡河枕頭壩二級、木里河立洲等一些大中型水電工程在生態(tài)流量實時監(jiān)測方面進行了積極嘗試，積累了一定經(jīng)驗?？傮w來看，目前建設的生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)主要涵蓋以下幾種類型。

(1)安裝流量計監(jiān)測流量。這種測流方式僅適用于生態(tài)流量專用泄放通道，其中較為典型的例證是錦屏二級水電站。通過在生態(tài)流量泄放洞進口工作閘門后安裝2套流量計，共輸出兩路信號，一路通過8芯光纜和光電轉(zhuǎn)換設備將生態(tài)流量數(shù)據(jù)傳送至電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的溢洪門控制單元，并通過電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)上傳至成都電站集控中心；一路預留，實現(xiàn)實時傳送數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)。

(2)建設水位自動觀測站。這種測流方式是在壩下順直河段建設水位自動觀測站，建立斷面水位—流量關(guān)系，通過實時測定斷面水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為河道實時流量數(shù)據(jù)。其中較為典型的例子是金沙江龍開口、魯?shù)乩娬尽Ｋ蛔詣訙y量站連接電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)，流量監(jiān)測數(shù)據(jù)實時發(fā)送至電站遠程集控中心，供電站運行管理單位記錄、存檔和環(huán)境保護行政主管部門監(jiān)督。同時水位自動測量站具有數(shù)據(jù)存儲功能，長期備份流量監(jiān)測原始數(shù)據(jù)。水位采集可采用壓力式、雷達式自動采集方式，通信方式一般為GSM數(shù)傳模塊或北斗衛(wèi)星通信。

(3)采用多普勒流速儀測流。該方法測流原理是利用聲波中的多普勒效應，通過一定方法測定河流的平均流速和過水面積來計算流量。通常是將多普勒流速測量傳感器探頭固定安裝在水面下某一水深處，通過超聲波傳感器分別向?qū)Π逗退姘l(fā)射超聲波，根據(jù)反射回來的聲波頻率可計算河道平均流速和水位，并據(jù)此計算實時流量。這種技術(shù)在黃河瑪爾擋水電站得到應用：在測流斷面布設H-ADCP多普勒流速儀，同時利用走航式ADCP進行斷面測量，確定H-ADCP系數(shù)；由軟件實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)在線采集、處理及入庫。入庫數(shù)據(jù)由GPRS 通信方式傳輸至電站中控室，通過GPRS通信方式傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時自動向電站中控室報送垂線流速、水位、流量等數(shù)據(jù)。

(4)非接觸法遠程測流。該方法是近年來發(fā)展的一種在線測流方式，測流原理是利用河道紊流產(chǎn)生的短波布拉格散射對表面流速進行遙感測定，當雷達傳送非均勻流表面信號時，非均勻流表面的厘米波即反向散射體會導致多普勒頻移的發(fā)生，監(jiān)測儀對接收到的信號進行分析處理，計算流量。這種技術(shù)在木里河立洲水電站得到實際應用：通過在生態(tài)小機組尾水渠出口下游約1.2 km的立洲大橋上布設遙測站斷面，設置3個監(jiān)測探頭，1個水平360°轉(zhuǎn)動攝像頭，由遙測站采集流量數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡將流量數(shù)據(jù)實時傳輸至中心站處理并保存。用戶可通過遠程連接到服務器查詢生態(tài)流量運行情況。

(5)泄流閘門設置監(jiān)控儀。某些水電工程設計通過泄洪閘門下放生態(tài)流量，這種情況可以在泄洪閘門安裝閘門開度儀，通過監(jiān)控閘門實時開度和庫區(qū)水位，轉(zhuǎn)化為流量實時數(shù)據(jù)。閘門開度測控儀是由絕對值型旋轉(zhuǎn)編碼器、自動收纜裝置或其他形式的耦合器、顯示屏、控制器、傳輸電纜、RS485數(shù)字通信接口等部分組成，閘門運動通過耦合器帶動傳感器旋轉(zhuǎn)，即可輸出與閘位相對應的格雷碼編碼信號。閘門開度儀實時采集數(shù)據(jù)，通過RS485總線傳輸給通信網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸終端。

(6)電站出力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。這種實時測流方式主要是用于一些采取基荷發(fā)電作為生態(tài)流量下放措施的水電工程。如北盤江董箐水電站，通過電站自身的發(fā)電調(diào)度系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，采集機組出力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為發(fā)電流量；在電站中控室設置一臺服務器作為數(shù)據(jù)服務器，通過以太網(wǎng)總線從水情測報系統(tǒng)和機組EMS系統(tǒng)取得24小時的實時生態(tài)流量數(shù)據(jù)。客戶可以通過遠程連接到服務器查詢生態(tài)流量運行情況。以上幾種實時測流方式具體如表1所示。

表1 水電工程幾種實時測流方式比較

3 生態(tài)流量實時監(jiān)測中存在的問題

根據(jù)對近年來一些水電工程生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)建設、運行情況的梳理，結(jié)合水電開發(fā)生態(tài)保護與技術(shù)發(fā)展需要，目前生態(tài)流量實時監(jiān)測在技術(shù)標準、系統(tǒng)功能、監(jiān)測范圍、監(jiān)測結(jié)果響應反饋、信息共享等方面還存在一定局限性。

3.1缺少統(tǒng)一技術(shù)標準予以規(guī)范管理

生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)在設計、建造、設備、運行等各方面目前都缺乏統(tǒng)一的技術(shù)管理標準，已建系統(tǒng)基本都是參照水利行業(yè)水情自動測報系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，致使某些生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)并不能完全反映生態(tài)流量實際下放的特點。如有些依托下游的水情自動測報站建設生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)，水情測報站距大壩有一定距離，中間還有支溝匯入，其監(jiān)測結(jié)果并不能反映電站下放的實際生態(tài)流量。

3.2現(xiàn)有生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)功能單一

根據(jù)調(diào)查，現(xiàn)有的生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)功能設計較為單一，僅監(jiān)測流量一項指標，而表征河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況通常涉及流量、流速、水位、水溫、總?cè)芙庑詺怏w等多因子，現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)功能還不能完全滿足今后工作需求。

3.3監(jiān)測系統(tǒng)服務范圍局限于電站樞紐區(qū)

現(xiàn)有的生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)服務范圍基本局限在電站樞紐區(qū)，主要是針對生態(tài)流量泄水口或下游附近河道，缺乏流域梯級電站生態(tài)流量系統(tǒng)監(jiān)測，也缺乏針對下游水生態(tài)敏感區(qū)域的實時監(jiān)測。

3.4實時監(jiān)測成果響應反饋機制有待完善

從水電工程目前的運行管理現(xiàn)狀來看，生態(tài)流量實時監(jiān)測成果還沒有納入電站運行管理的決策因素當中，監(jiān)測數(shù)據(jù)往往流于形式，監(jiān)測成果的預警、響應反饋機制還有待完善，需要結(jié)合電站生態(tài)調(diào)度管理要求優(yōu)化電站運行管理決策機制。

3.5監(jiān)測信息尚未有效共享并充分利用

建設生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)的主要目的是通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析生態(tài)流量泄放措施的實際效果，以及對下游河道河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的保障程度，并據(jù)此對工程生態(tài)調(diào)度方案進行優(yōu)化和完善。但實際監(jiān)測數(shù)據(jù)目前僅由建設單位掌握，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析利用還停留在初級階段，監(jiān)測信息還未能充分實現(xiàn)共享并有效利用。

4 生態(tài)流量實時監(jiān)測技術(shù)后續(xù)發(fā)展的建議

4.1加快制定行業(yè)技術(shù)標準

2015年，國家能源局以“國能科技[2015]283號”[5]文件批準開展水電工程生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)設計規(guī)范的編制。在編制過程中，從生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)全過程考慮，將其升級為生態(tài)流量設計、建造和運行管理的技術(shù)規(guī)范，從系統(tǒng)功能、監(jiān)測布點、測流方式、通信與數(shù)據(jù)處理、運行管理等全過程規(guī)范技術(shù)要求。建議下階段加快制定《水電工程生態(tài)流量實時監(jiān)測設備基本技術(shù)條件》，規(guī)范監(jiān)測設備技術(shù)要求。

4.2實施多因子實時監(jiān)測

河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況是涵蓋流量、流速、水位、水溫、總?cè)芙庑詺怏w等多因子指標的集合，后續(xù)工作需要統(tǒng)籌考慮流量、流速、水溫、總?cè)芙庑詺怏w等多因子聯(lián)合實時監(jiān)測，以科學評估水電開發(fā)對河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的影響。

4.3構(gòu)建形成流域監(jiān)測體系

應從整個流域水電梯級開發(fā)尺度構(gòu)建形成生態(tài)流量流域監(jiān)測體系，充分考慮局部和整體、上游和下游，以及與重要生態(tài)敏感區(qū)的關(guān)系，避免孤立、片面地看待生態(tài)流量監(jiān)測問題，而是形成整個流域一盤棋，統(tǒng)籌規(guī)劃、科學實施。

4.4充分利用先進技術(shù)手段

大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)、無線技術(shù)等是今后生態(tài)流量實時監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向。應充分利用當今先進信息技術(shù)手段，實現(xiàn)生態(tài)流量監(jiān)測信息廣泛互聯(lián)共享，構(gòu)建工程生態(tài)流量預警、反饋機制，實現(xiàn)從被動防范到主動監(jiān)管的轉(zhuǎn)變。

4.5已建工程補設實時監(jiān)測系統(tǒng)

我國已建有8萬多座大壩，絕大部分建于新中國成立后至2000年前，工程建設時基本都沒有考慮下放生態(tài)流量。通過流域回顧性評價、項目后評價，解決老水電工程帶來的生態(tài)問題，對已建工程補設生態(tài)流量實時監(jiān)測系統(tǒng)，也是今后一項重要課題。

[1] 杜強, 譚紅武. 生態(tài)流量保障與小機組泄放方式的現(xiàn)狀及問題[J]. 中國水能及電氣化, 2012, 94(12): 1- 6.

[2] 王方亮. 淺議水電站建設下泄生態(tài)流量的管理[J]. 水電站設計, 2013, 29(1): 79- 82.

[3] 孫顯春, 龔蘭強. 馬馬崖一級水電站生態(tài)流量保證措施設計與研究[J]. 貴州水力發(fā)電, 2012, 26(2): 38- 41.

[4] 羅建平, 周杰. 淺議水電站最小下泄流量在線監(jiān)控系統(tǒng)建設[J]. 信息技術(shù), 2012, 70(10): 35- 37.

[5] 國家能源局. 關(guān)于下達2015年能源領域行業(yè)標準制(修)訂計劃的通知[A]. 2017.

AdvancesinReal-timeMonitoringTechnologyforEcologicalFlowofHydropowerProjects

CHEN Guo-zhu, YANG Jie, ZHAO Zai-xing

(Power China Guiyang Engineering Co., Ltd., Guiyang 550081, China)

The hydrological regime change caused by hydropower projects directly affects the river’s eco-environment. Therefore, the required ecological flow should be appropriately determined and effectively supervised, and it is an important measure to realize supervisory control by establishing a real-time monitoring system on ecological flow. Through technical summary of real-time monitoring system on ecological flow applied in existed domestic hydropower projects, as well as the analysis of main problems at present, this paper proposed the future development orientation of real-time monitoring technology for ecological flow, which provided a reference on environmental impact assessment, environmental protection design, and operation management for subsequent hydropower projects.

hydropower project; ecological flow; real-time monitoring technology; advance

2017-08-17

陳國柱(1962—)，男，江西大余人，教授級高級工程師，主要研究方向為水電水利開發(fā)環(huán)境保護，E-mail：2779408129@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.06.002

X171.4

A

2095-6444(2017)06-0006-03