蔣元中 ，丁揚(yáng)威 ，湯杭森 ，金浪濱 ，呂安安

（1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，水電事業(yè)發(fā)展迅速，一度成為浙江省國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，為地方經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)[1]。但隨著河湖內(nèi)外用水需求的增加，生態(tài)流量問題日益突顯，河湖生態(tài)系統(tǒng)日趨脆弱。以浙江省麗水市為例，該市甌江上游普遍建設(shè)大量的水電站、水庫等，僅小水電站就有800余座。據(jù)甌江圩仁監(jiān)測站的實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，域內(nèi)枯水期通常在10月至翌年2月，這5個(gè)月的徑流量僅為全年的15.6%，其中12月份僅占全年的2.0%左右，而同期水電站、水庫往往“惜水如油”，不愿放水[2]。這些水電站的生態(tài)泄流不足造成下游河段減水、脫水甚至干涸，使得水生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，河段水體的自凈能力也嚴(yán)重下降，一定程度上影響河流的正常生態(tài)功能和人民群眾的生產(chǎn)、生活。

隨著河湖生態(tài)流量問題發(fā)展到一定階段，為保護(hù)河湖生態(tài)環(huán)境和推動綠色水電發(fā)展，貫徹生態(tài)治水新理念，有效保障水電站壩（閘）下游河道生態(tài)流量，改善河道水生態(tài)環(huán)境，需制定一個(gè)科學(xué)的水電管理辦法來加強(qiáng)完善水電站的管理工作，督促農(nóng)村水電站安裝生態(tài)泄流監(jiān)測設(shè)施，促進(jìn)農(nóng)村水電站生態(tài)泄流的有效監(jiān)管。

2 生態(tài)泄流設(shè)施分析

目前農(nóng)村水電站生態(tài)泄流設(shè)施主要采用的方式為埋設(shè)放水管和閘門（泄洪閘、溢洪閘、放空閘等）小開度泄流等，還有一部分水電站未建設(shè)生態(tài)泄流設(shè)施。

按照引水式、壩式、混合式等水電站的不同類型，從解決河道減水脫水問題出發(fā)，遵循技術(shù)合理、經(jīng)濟(jì)適用的原則選擇合適的水電站生態(tài)泄流設(shè)施，泄流設(shè)施應(yīng)布置在壩址處或盡量靠近壩址，其泄流能力應(yīng)不小于核定的最小生態(tài)下泄流量。生態(tài)泄流設(shè)施類型如下:

（1）渠道堰槽改造泄流。采用渠道引水的水電站，在渠道過壩后的適當(dāng)位置開口修建側(cè)堰，向下游壩后河道泄放流量。

（2）管道改造泄流。① 采用渠道引水的水電站，在渠道過壩后的適當(dāng)位置埋設(shè)放水管，向下游壩后河道泄放流量；② 采用隧洞引水的電站，可利用原有的近壩施工支洞改造或新挖泄水洞，并安裝放水管向下游河道泄放流量；③ 采用壓力管道引水的電站，在壩后的適當(dāng)位置設(shè)置放水支管，向下游壩后河道泄放流量；④ 利用機(jī)組旁通管改造泄流，在機(jī)組進(jìn)水控制閥旁通管上開孔引接放水管等，利用電站原有的引水設(shè)施改造后向下游泄放流量。

（3）利用閘門泄流。對閘壩或大壩放空設(shè)施，可控制1孔或多孔閘門不完全關(guān)閉、控制一定開度向下游河道泄放流量。根據(jù)核定的生態(tài)下泄流量，通過閘孔泄流公式計(jì)算確定閘門泄流開度，并可通過閘門行程限位器進(jìn)行開度的精準(zhǔn)控制。如果現(xiàn)場閘門不具備公式計(jì)算流量條件，也可選擇在壩（閘）下游河道選擇合適的監(jiān)測斷面進(jìn)行流量監(jiān)測。

（4）利用機(jī)組泄流。① 科學(xué)調(diào)度:對壩式電站，通過機(jī)組發(fā)電放水能滿足生態(tài)下泄流量的水電站，可不設(shè)置專用泄流設(shè)施，根據(jù)上游來水情況、調(diào)節(jié)庫容和電站發(fā)電機(jī)組的特性，優(yōu)化水庫調(diào)度運(yùn)行，保證電站至少有1臺機(jī)組不間斷運(yùn)行，通過基荷或反調(diào)節(jié)調(diào)度泄放流量，并盡量減少下游河道流量日內(nèi)變幅。② 安裝生態(tài)機(jī)組:在大機(jī)組之外安裝單獨(dú)設(shè)置、長期正常運(yùn)行、承擔(dān)生態(tài)下泄流量泄放任務(wù)的生態(tài)發(fā)電機(jī)組。

（5）增設(shè)大壩放水設(shè)施。在壩區(qū)適當(dāng)位置增設(shè)倒虹吸管、抽水系統(tǒng)、泄流通道等設(shè)施，不間斷地從水庫上游取水躍壩再泄入壩下游河道，滿足生態(tài)流量要求。

生態(tài)泄流設(shè)施類型見表1。

表 1 生態(tài)泄流設(shè)施類型匯總表

3 生態(tài)泄流監(jiān)測方式探討

根據(jù)壩（閘）下游河道生態(tài)流量和壩址處天然來水量，結(jié)合工程實(shí)際，制定符合各水電站現(xiàn)狀的生態(tài)泄流監(jiān)測方案，明確泄流措施和監(jiān)測方式。選擇合適的流量監(jiān)測設(shè)備和數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水電站生態(tài)泄流的在線監(jiān)測。

（1）渠道堰槽測流。① 標(biāo)準(zhǔn)渠道測流:標(biāo)準(zhǔn)渠道測流主要適用于具備標(biāo)準(zhǔn)斷面的渠道，渠道水流需平穩(wěn)，通過率定該監(jiān)測斷面的水位 — 流量關(guān)系曲線，并在監(jiān)測斷面處安裝水位自動監(jiān)測設(shè)備（雷達(dá)水位計(jì)、壓力水位計(jì)、氣泡式水位計(jì)等），用常規(guī)流速儀法測流，率定該監(jiān)控?cái)嗝嫠涣髁筷P(guān)系，通過水位推求流量。② 堰槽測流:測流堰槽一般是由行近渠槽、量水建筑物和下游段3部分組成，通過量水建筑物主體段過水?dāng)嗝娴目茖W(xué)收縮，使得上、下游形成一定的水頭落差，即可得到較為穩(wěn)定的水位與流量關(guān)系。通過實(shí)測上下游水位經(jīng)率定分析或利用經(jīng)驗(yàn)公式確定流量系數(shù)或效率系數(shù)，用水力學(xué)公式計(jì)算得到流量。

（2）管道測流。采用放水管道泄放生態(tài)流量時(shí)，將流量計(jì)安裝在放水管道上。電磁流量計(jì)是一種根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來測量管內(nèi)導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的流量計(jì)，流量數(shù)據(jù)不需經(jīng)過換算可立即讀取。

（3）閘門測流。① 利用閘門開度測流:采用開啟閘門泄放生態(tài)流量時(shí)，根據(jù)堰閘類型、閘門開度與上下游水位監(jiān)測值、流態(tài)類型，結(jié)合率定或經(jīng)驗(yàn)流量系數(shù)推求下泄流量。② 利用河道斷面測流:監(jiān)測斷面流速情況，布設(shè)1個(gè)或多個(gè)雷達(dá)流速儀探頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測水流表面流速，并通過流速儀或走航式ADCP比測率定斷面水面流速系數(shù)，推求斷面流量。

（4）機(jī)組發(fā)電測流。通過機(jī)組發(fā)電泄放生態(tài)流量時(shí)，根據(jù)發(fā)電功率、工作水頭或?qū)崪y水頭，通過建立的流量和水位、功率關(guān)系推求單機(jī)流量，將各單機(jī)流量求和，即得總流量。

（5）大壩抽水系統(tǒng)測流。增設(shè)人工抽水系統(tǒng)，可根據(jù)抽水站效率、水泵凈揚(yáng)程及功率計(jì)算下泄流量。

測流方式與計(jì)量監(jiān)測設(shè)備對應(yīng)情況見表2。

表 2 測流方式與計(jì)量監(jiān)測設(shè)備對應(yīng)表

4 生態(tài)泄流監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

生態(tài)泄流監(jiān)測系統(tǒng)主要由接收云中心、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測站點(diǎn)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖 1 生態(tài)泄流監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)測站主要由前端傳感器（水位計(jì)、流量計(jì)、閘位計(jì)、電能計(jì)量表等）、數(shù)據(jù)遙測終端（RTU）、電源、通信單元、抓拍攝像機(jī)、儀器安裝基礎(chǔ)、支架等組成。

（1）信息傳輸。監(jiān)測數(shù)據(jù)信息傳輸由各監(jiān)測站傳送至云中心監(jiān)測預(yù)警平臺，中心接收處理各監(jiān)測點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，計(jì)算分析處理后存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，再由監(jiān)測預(yù)警平臺按權(quán)限分發(fā)至市、縣、運(yùn)行管理單位三級用戶平臺。

（2）通信方式。監(jiān)測站與中心站（監(jiān)控平臺）的信息傳輸主要通過無線公共通訊網(wǎng)GPRS信道進(jìn)行信息傳輸。監(jiān)測站數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備具備一收多發(fā)的功能。對于無線公共通訊網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的地區(qū)或有特殊要求的站點(diǎn)選用超短波、衛(wèi)星通訊的方式傳輸。

（3）信息采集與傳輸頻度。水位、閘位和流量數(shù)據(jù)信息采集頻度為每15 min采集1次，采集到的數(shù)據(jù)信息以標(biāo)準(zhǔn)的表格形式存儲在數(shù)據(jù)遙測終端；監(jiān)測站數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)調(diào)度和管理需求每1 h向中心站發(fā)送1次數(shù)據(jù)信息。

4.2 系統(tǒng)平臺功能

（1）用戶體系。該平臺的用戶體系分為3類，分別為市級用戶、縣級用戶和水電站運(yùn)行管理單位用戶。其中市級用戶可以查看整個(gè)市域范圍內(nèi)的水電站、流量監(jiān)測設(shè)施、管理單位、管理人員等相關(guān)信息，并且在發(fā)現(xiàn)流量監(jiān)測數(shù)據(jù)有異常而下級用戶未處理時(shí)可以下達(dá)指令給縣級用戶并接收反饋，同時(shí)能接收下級問題的上報(bào)；縣級用戶可以查看本縣內(nèi)的水電站、流量監(jiān)測設(shè)施、管理單位、管理人員等相關(guān)信息，并且在發(fā)現(xiàn)流量監(jiān)測數(shù)據(jù)有異常而下級用戶未處理或接收到市級用戶指令時(shí)可以下達(dá)指令給水電站運(yùn)行管理單位用戶并接收反饋，同時(shí)能接收到下級問題的上報(bào)；水電站運(yùn)行管理單位用戶只能查看本水電站、流量監(jiān)測設(shè)施、管理單位、管理人員等相關(guān)信息，在出現(xiàn)異常情況時(shí)接收異常告警和短信提醒，進(jìn)行處理并反饋給上級用戶，同時(shí)也能接收上級用戶的指令。此外，當(dāng)水電站運(yùn)行管理單位所處水電站無調(diào)節(jié)能力且流量異常是因?yàn)閴沃穮^(qū)天然實(shí)際來水量過小時(shí)，可以將該問題上報(bào)，由上級用戶批示處理。

（2）數(shù)據(jù)接入和保存。平臺開放數(shù)據(jù)接口，能夠接入與下泄流量有關(guān)的所有原始數(shù)據(jù)，在平臺中通過計(jì)算產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)、流量計(jì)算公式、設(shè)置參數(shù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均能夠保存在平臺中。

（3）數(shù)據(jù)換算。由于測流的原理和設(shè)備有所區(qū)別，最終由流量監(jiān)測設(shè)施測得的數(shù)據(jù)類型、單位等均有所不同。水電站運(yùn)行管理單位事先根據(jù)實(shí)際填報(bào)流量監(jiān)測設(shè)施類型和下泄流量的計(jì)算公式以及相關(guān)的設(shè)置參數(shù)，使得測得的原始數(shù)據(jù)能夠在平臺中自動計(jì)算轉(zhuǎn)換為最終所需的下泄流量數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一單位。

（4）流量查詢和導(dǎo)出。用戶可以通過在平臺中查詢權(quán)限范圍內(nèi)的任一水電站任意時(shí)間段內(nèi)的下泄總流量大小，也可以查詢某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)的下泄流量和過去X小時(shí)內(nèi)的最大下泄流量和時(shí)間點(diǎn)，還可以通過篩選行政區(qū)等相關(guān)信息進(jìn)行搜索，并提供導(dǎo)出和打印的功能。

（5）異常告警和短信提醒。當(dāng)測得的流量值低于生態(tài)下泄流量時(shí)，平臺能夠自動發(fā)送告警信息至相關(guān)用戶，并將相關(guān)內(nèi)容以短信的形式發(fā)送到相關(guān)用戶的手機(jī)中，促使對方解決問題。在水電站運(yùn)管單位解決問題后，需要將相關(guān)內(nèi)容反饋給上級用戶，該記錄將存儲在平臺中。

（6）指令下達(dá)。若市級用戶和縣級用戶查看到流量監(jiān)測預(yù)警的信息，而水電站運(yùn)管單位未加以處理的時(shí)候，可以下達(dá)指令單，督促水電站運(yùn)管單位進(jìn)行處理。

（7）問題上報(bào)。當(dāng)水電站運(yùn)行管理單位所處水電站無調(diào)節(jié)能力且流量異常原因等無法控制的因素時(shí)（如壩址區(qū)天然實(shí)際來水量過?。?，可以將該問題上報(bào)，由上級用戶批示處理。

（8）視頻查看。在平臺中接入各個(gè)反映泄流情況的視頻監(jiān)控點(diǎn)，由水電站運(yùn)管單位填寫視頻點(diǎn)的相關(guān)信息，如所在水電站、位置等。用戶能夠在平臺中查看現(xiàn)場圖片。視頻監(jiān)控設(shè)備每小時(shí)須拍攝1張照片，拍攝的照片通過接口傳到平臺中并存檔。

（9）一張圖展示。在地圖上以不同類型的圖標(biāo)標(biāo)注各個(gè)水電站、流量監(jiān)測設(shè)施、視頻點(diǎn)等，點(diǎn)擊相關(guān)圖標(biāo)即可查看相關(guān)信息。此外，圖上能夠以紅、黃、綠燈的形式展示當(dāng)前水電站的生態(tài)泄流狀況。若當(dāng)前測得的流量值大于等于生態(tài)下泄流量，則該水電站顯示為綠燈，表示正常；若測得的流量值小于生態(tài)下泄流量，則該水電站顯示為黃燈，表示需要注意；若測得的流量值小于生態(tài)下泄流量的90%或相關(guān)參數(shù)未曾錄入、流量數(shù)據(jù)未接入，則該水電站顯示為紅燈，表示不符合標(biāo)準(zhǔn)。

（10）統(tǒng)計(jì)分析。在平臺中，用戶可以查看單個(gè)水電站流量的統(tǒng)計(jì)情況，也可以查看某一時(shí)間范圍內(nèi)多個(gè)水電站的流量統(tǒng)計(jì)情況，以及信息更改的統(tǒng)計(jì)情況、流量超標(biāo)的統(tǒng)計(jì)情況、異常情況處理的統(tǒng)計(jì)情況等，為用戶提供分析決策的基礎(chǔ)。

（11）系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理員可以對系統(tǒng)進(jìn)行管理，包括用戶管理、角色管理、權(quán)限管理、功能模塊管理、日志管理等功能。①用戶管理:用戶管理功能主要可以實(shí)現(xiàn)對使用用戶進(jìn)行添加、維護(hù)個(gè)人信息和密碼管理3塊內(nèi)容，由具有權(quán)限的系統(tǒng)管理員來進(jìn)行統(tǒng)一用戶信息維護(hù)，個(gè)人用戶登錄系統(tǒng)可修改密碼和維護(hù)自己個(gè)人的信息，用戶信息主要包括用戶名、姓名、職務(wù)、電話、手機(jī)和角色等信息。②角色管理:定義使用本系統(tǒng)的角色，角色是為了更好的管理權(quán)限，一般把具有相同權(quán)限的一組用戶定義為同一種角色，不同的角色有不同的權(quán)限，一個(gè)用戶可以充當(dāng)多個(gè)角色；角色管理主要包括添加角色和角色進(jìn)行維護(hù)，具體功能包括角色創(chuàng)建、修改、刪除、查詢等。③權(quán)限管理:平臺對于各類角色的權(quán)限有嚴(yán)格的要求，上級可查看下級信息，下級不可查看上級信息；對不同的角色權(quán)限進(jìn)行劃分，角色不同權(quán)限也不相同，包含對各個(gè)角色在系統(tǒng)中所能看見的數(shù)據(jù)及操作功能進(jìn)行劃分。

5 結(jié) 語

實(shí)施農(nóng)村水電站生態(tài)泄流在線監(jiān)測是保障農(nóng)村水電站最小下泄流量的基本措施。水電站生態(tài)泄流的在線監(jiān)測，可獲取電站可靠的下泄流量數(shù)據(jù)，監(jiān)督電站最小下泄流量執(zhí)行情況，為有關(guān)部門的監(jiān)督管理提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)電站所在河流的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源綜合利用。

作為一種長效的監(jiān)管手段，農(nóng)村水電站生態(tài)泄流監(jiān)測系統(tǒng)已成功運(yùn)用于麗水市多個(gè)水電站，且運(yùn)行情況良好，為浙江省內(nèi)其他地區(qū)農(nóng)村水電站生態(tài)泄流在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)提供參考。