嚴(yán)茂強(qiáng)，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(jìn)新時(shí)代中國(guó)農(nóng)村水電的發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)了力量，也緩解了當(dāng)時(shí)的能源供應(yīng)緊張問(wèn)題。然而近年來(lái)，在小水電急速發(fā)展過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題也逐漸浮出來(lái)。小水電雖是清潔能源，但在我國(guó)，限于早期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)意識(shí)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(hù)功能，沒(méi)有考慮下游河道泄放問(wèn)題，導(dǎo)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(chǎn)生活用水，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了影響。

1 生態(tài)流量及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

“生態(tài)流量”是為了保障大自然的自我修復(fù)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(nèi)在平衡的最小河道流量。

水電站生態(tài)流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由現(xiàn)地監(jiān)測(cè)單元、視頻監(jiān)視、通信傳輸、云服務(wù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成。為流域生態(tài)保護(hù)、水文水資源等監(jiān)管部門(mén)提供服務(wù)。

2 生態(tài)流量測(cè)流方式

按照水電站開(kāi)發(fā)類(lèi)型，遵循經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)合理的原則，保證下游河道的最小下泄流量，有以下幾種測(cè)流方式。

2.1 通過(guò)引水系統(tǒng)改造泄放流量

(1)渠道引水式電站：在渠道過(guò)大壩后的適當(dāng)位置修建渠道或安裝水管往下游河道泄放流量，通過(guò)明渠或管段式流量計(jì)測(cè)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(kāi)挖堰槽或安裝放水管向下游河道泄放流量，通過(guò)明渠或管段式流量計(jì)測(cè)流。該方式改造工程量較大，改造后泄放效果較好。

2.2 通過(guò)泄洪閘小開(kāi)度泄流

對(duì)筑壩式電站：可通過(guò)開(kāi)啟大壩閘門(mén)并根據(jù)水位調(diào)整閘門(mén)開(kāi)度，向下游河道泄放流量。閘門(mén)泄流流量通過(guò)公式計(jì)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(guò)溢洪道閘門(mén)改造泄流

通過(guò)改造溢洪道工作閘門(mén)，根據(jù)水文勘測(cè)計(jì)算設(shè)置門(mén)中門(mén)或舌瓣門(mén)，并增設(shè)啟閉設(shè)備，向下游泄放流量。閘門(mén)泄流流量通過(guò)公式計(jì)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(guò)大壩放空設(shè)施改造泄流

利用大壩原有底孔設(shè)施并對(duì)其進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)向河道泄放生態(tài)流量。根據(jù)實(shí)際改造情況選擇合適的測(cè)流設(shè)備。

2.5 設(shè)置生態(tài)基荷或采用反調(diào)節(jié)調(diào)度泄流

壩后式電站可通過(guò)機(jī)組發(fā)電放水滿足生態(tài)下泄流量，通過(guò)基荷或反調(diào)節(jié)調(diào)度泄放水量?？梢酝ㄟ^(guò)機(jī)組流量曲線查詢(xún)下泄流量。該方式改造工程量比較小，但機(jī)組出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)會(huì)造成下泄流量短時(shí)的中斷。

2.6 安裝生態(tài)機(jī)組

根據(jù)電站實(shí)際情況可以選擇安裝小容量的生態(tài)機(jī)組承擔(dān)生態(tài)下泄流量泄放任務(wù)。可以通過(guò)機(jī)組流量曲線查詢(xún)下泄流量。該方式改造工程量非常大，機(jī)組出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)會(huì)造成下泄流量短時(shí)的中斷，水的利用率非常高。

2.7 通過(guò)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(kāi)孔引放水管等向下游泄放流量。通過(guò)管段式流量計(jì)測(cè)流。該方式改造工程量適中，改造后泄放效果較好。

2.8 增設(shè)大壩放水設(shè)施

在大壩適當(dāng)位置安裝倒虹吸管、抽水系統(tǒng)、泄流通道等設(shè)施，從大壩取水泄入下游河道，滿足生態(tài)流量要求。根據(jù)實(shí)際改造情況選擇合適的測(cè)流設(shè)備。該方式改造工程量適中，改造后泄放效果較好，對(duì)大壩基本無(wú)影響。

3 生態(tài)流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)、組成和功能

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

各水電站結(jié)合自身情況選用合適的泄流方式，根據(jù)泄流方式不同選取合適的測(cè)流設(shè)備、視頻設(shè)備、監(jiān)測(cè)終端設(shè)備，并將相關(guān)數(shù)據(jù)、視頻圖像進(jìn)行存儲(chǔ)。通過(guò)廣域網(wǎng)將數(shù)據(jù)、報(bào)警信息及視頻圖像上送至監(jiān)管平臺(tái)，可通過(guò)就地或遠(yuǎn)程調(diào)閱相關(guān)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息及視頻圖像。

水電站生態(tài)流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由現(xiàn)地監(jiān)測(cè)單元、視頻監(jiān)視、通信傳輸、云服務(wù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 水電站生態(tài)流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)組成

(1)現(xiàn)地監(jiān)測(cè)單元：數(shù)據(jù)采集處理終端、水位計(jì)、閘位計(jì)、流量計(jì)(管段、明渠式等)、視頻攝像機(jī)等；

(2)網(wǎng)絡(luò)傳輸：路由器、局域網(wǎng)、專(zhuān)線或?qū)拵У龋?/p>

(3)(云)平臺(tái)：(云)服務(wù)器、生態(tài)流量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)等。

3.3 系統(tǒng)功能

云服務(wù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)提供多種靈活的接入方式，對(duì)接入測(cè)站進(jìn)行統(tǒng)一分層級(jí)分權(quán)限管理，能夠?qū)崟r(shí)查看和監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)生態(tài)流量信息。云服務(wù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)還可便捷地進(jìn)行功能擴(kuò)展，提供水電站、水文水資源等工況數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)服務(wù)。

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)電站的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過(guò)廣(局)域網(wǎng)將數(shù)據(jù)上送至生態(tài)流量監(jiān)測(cè)(云)平臺(tái)，通過(guò)預(yù)留接口與監(jiān)管部門(mén)共享數(shù)據(jù)，企業(yè)可通過(guò)云平臺(tái)在手機(jī)端或PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)，對(duì)水電站的生態(tài)流量實(shí)施遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警。

(2)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析：對(duì)生態(tài)流量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，提供對(duì)水位、流量、閘門(mén)開(kāi)度等相關(guān)數(shù)據(jù)的展示分析，對(duì)超限值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，生成生態(tài)流量數(shù)據(jù)分析報(bào)表。

(3)視頻監(jiān)控：利用視頻服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端視頻攝像機(jī)的集中管理，可通過(guò)手機(jī)端或PC端查看生態(tài)流量實(shí)時(shí)視頻，對(duì)各水電站生態(tài)流量數(shù)據(jù)及視頻畫(huà)面實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

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

4 實(shí)施過(guò)程中遇到的問(wèn)題

在生態(tài)流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程中由于前期設(shè)計(jì)不合理、施工過(guò)程不規(guī)范等造成測(cè)流數(shù)據(jù)不準(zhǔn)或波動(dòng)較大。

4.1 管段式測(cè)流

一般管段式流量計(jì)安裝有如下規(guī)范。

(1)安裝距離應(yīng)選擇上游大于10倍直管徑、下游大于5倍直管徑以?xún)?nèi)無(wú)任何閥門(mén)、彎頭、變徑等均勻的直管段，安裝點(diǎn)應(yīng)充分遠(yuǎn)離閥門(mén)、泵、高壓電和變頻器等干擾源；

(2)對(duì)于開(kāi)口或半滿管的管道，流量計(jì)應(yīng)安裝在U型管段處，保證滿管；

(3)選擇充滿流體的材質(zhì)均勻質(zhì)密、易于超聲波傳輸?shù)墓芏?，如垂直管?流體向上流動(dòng))或水平管段。

圖2 傳感器安裝與示例

現(xiàn)場(chǎng)普遍存在預(yù)留管段無(wú)法滿足上述流量計(jì)安裝要求，具體有如下情形。

(1)管段流量計(jì)安裝位置擾流比較大，未遵循“前十后五原則”；

(2)測(cè)流管段未做U型處理，造成非滿管測(cè)流。

4.2 明渠測(cè)流

采用明渠方式的現(xiàn)場(chǎng)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(jì)安裝規(guī)范有：明渠測(cè)流要求渠段順直，水流及斷面穩(wěn)定，無(wú)沙洲、無(wú)崩岸、無(wú)回流、無(wú)死水。

5 應(yīng)用案例

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

5.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

該電站各大壩采用固定一扇閘門(mén)作為生態(tài)流量泄放口，閘門(mén)采用固定無(wú)調(diào)節(jié)方式泄放生態(tài)流量。充分利用電站原有設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)閘前水位根據(jù)流量曲線查表校核流量數(shù)據(jù)。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(guò)Internet將視頻及流量數(shù)據(jù)上送至水務(wù)局監(jiān)管平臺(tái)。同時(shí)，將生態(tài)泄放流量數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到企業(yè)云，作為歷史資料保存?zhèn)洳椤?/p>

5.2 系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)備

水電站生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)通信采集設(shè)備、數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與傳輸系統(tǒng)及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心。各子系統(tǒng)在各自體系當(dāng)中相互合作，協(xié)助運(yùn)行，以確保整個(gè)生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

系統(tǒng)主要設(shè)備組成情況。

(1)數(shù)據(jù)通信采集設(shè)備：主要包括遙測(cè)水位計(jì)、閘位計(jì)、視頻攝像頭、視頻錄像機(jī)、RTU智能終端、避雷設(shè)備、設(shè)備保護(hù)箱；

(2)數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控系統(tǒng)：監(jiān)控軟件(數(shù)據(jù)+視頻)、流量水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、交換機(jī)、PC機(jī)；

(3)數(shù)據(jù)處理與傳輸系統(tǒng)：英特網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)；

(4)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心：生態(tài)流量監(jiān)測(cè)平臺(tái)、云服務(wù)器、交換機(jī)、PC機(jī)。

生態(tài)流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)時(shí)應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇合適的測(cè)流方式，并遵循流量計(jì)的安裝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)施。

6 結(jié)語(yǔ)

相信經(jīng)過(guò)各地政府對(duì)小水電的大力整治，在不久的將來(lái)，“生態(tài)流量”這一環(huán)保概念會(huì)逐步在全國(guó)普及，通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)流量下泄管控，維持水資源的可持續(xù)高效利用，實(shí)現(xiàn)生態(tài)平衡的恢復(fù)。