水電工程生態流量實時監測技術發展的思考

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)

水電工程生態流量實時監測技術發展的思考

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環境的直接原因，需要合理確定所需生態流量并有效管控，建設生態流量實時監測系統是實現生態流量監控的重要措施。通過對國內目前已建水電工程生態流量實時監測系統的技術總結，識別生態流量實時監測目前存在的主要問題，從技術角度提出了未來生態流量實時監測技術的發展方向，為后續水電工程環境影響評價、環境保護設計、運行管理提供參考。

水電工程；生態流量；實時監測技術；發展

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

1 生態流量實時監測系統的建設需求

生態流量實時監測系統建設具有其必然需求，首先是滿足環保部門監管的外部要求，其次也是優化電站運行管理、提高科學決策水平的內在需求。

1.1滿足水電工程環境監管的必然要求

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

1.2優化水電工程運行管理的內在需求

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

1.3實現流量調控信息化管理的決策需求

信息化技術的快速發展為工程運行維護、環境管理提供了更加高效的手段，通過開展生態流量實時監測，將電站下游河道生態流量監測數據借力于當前快速發展的互聯網、大數據、云平臺等先進信息技術，可以實現生態流量調控的信息化管理，在此基礎上構建河流生態需水技術保障體系，提高科學決策水平。

2 國內已采用的技術類型與特點

2005年以后我國批準建設的雅礱江錦屏二級、金沙江龍開口及魯地拉、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流量實時監測方面進行了積極嘗試，積累了一定經驗。總體來看，目前建設的生態流量實時監測系統主要涵蓋以下幾種類型。

(1)安裝流量計監測流量。這種測流方式僅適用于生態流量專用泄放通道，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芯光纜和光電轉換設備將生態流量數據傳送至電站計算機監控系統的溢洪門控制單元，并通過電站計算機監控系統上傳至成都電站集控中心；一路預留，實現實時傳送數據、存儲數據。

(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—流量關系，通過實時測定斷面水位數據轉換為河道實時流量數據。其中較為典型的例子是金沙江龍開口、魯地拉水電站。水位自動測量站連接電站遠程監控系統，流量監測數據實時發送至電站遠程集控中心，供電站運行管理單位記錄、存檔和環境保護行政主管部門監督。同時水位自動測量站具有數據存儲功能，長期備份流量監測原始數據。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數傳模塊或北斗衛星通信。

(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對岸和水面發射超聲波，根據反射回來的聲波頻率可計算河道平均流速和水位，并據此計算實時流量。這種技術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；由軟件實現原始數據在線采集、處理及入庫。入庫數據由GPRS 通信方式傳輸至電站中控室，通過GPRS通信方式傳輸數據，實現實時自動向電站中控室報送垂線流速、水位、流量等數據。

(4)非接觸法遠程測流。該方法是近年來發展的一種在線測流方式，測流原理是利用河道紊流產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生，監測儀對接收到的信號進行分析處理，計算流量。這種技術在木里河立洲水電站得到實際應用：通過在生態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個監測探頭，1個水平360°轉動攝像頭，由遙測站采集流量數據，并通過網絡將流量數據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流量運行情況。

(5)泄流閘門設置監控儀。某些水電工程設計通過泄洪閘門下放生態流量，這種情況可以在泄洪閘門安裝閘門開度儀，通過監控閘門實時開度和庫區水位，轉化為流量實時數據。閘門開度測控儀是由絕對值型旋轉編碼器、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，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據，通過RS485總線傳輸給通信網絡數據傳輸終端。

(6)電站出力數據轉化。這種實時測流方式主要是用于一些采取基荷發電作為生態流量下放措施的水電工程。如北盤江董箐水電站，通過電站自身的發電調度系統和監控系統，采集機組出力數據轉換為發電流量；在電站中控室設置一臺服務器作為數據服務器，通過以太網總線從水情測報系統和機組EMS系統取得24小時的實時生態流量數據。客戶可以通過遠程連接到服務器查詢生態流量運行情況。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 生態流量實時監測中存在的問題

根據對近年來一些水電工程生態流量實時監測系統建設、運行情況的梳理，結合水電開發生態保護與技術發展需要，目前生態流量實時監測在技術標準、系統功能、監測范圍、監測結果響應反饋、信息共享等方面還存在一定局限性。

3.1缺少統一技術標準予以規范管理

生態流量實時監測系統在設計、建造、設備、運行等各方面目前都缺乏統一的技術管理標準，已建系統基本都是參照水利行業水情自動測報系統相關技術規范，致使某些生態流量實時監測系統并不能完全反映生態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流量實時監測系統，水情測報站距大壩有一定距離，中間還有支溝匯入，其監測結果并不能反映電站下放的實際生態流量。

3.2現有生態流量監測系統功能單一

根據調查，現有的生態流量實時監測系統功能設計較為單一，僅監測流量一項指標，而表征河流生態系統健康狀況通常涉及流量、流速、水位、水溫、總溶解性氣體等多因子，現有監測系統功能還不能完全滿足今后工作需求。

3.3監測系統服務范圍局限于電站樞紐區

現有的生態流量監測系統服務范圍基本局限在電站樞紐區，主要是針對生態流量泄水口或下游附近河道，缺乏流域梯級電站生態流量系統監測，也缺乏針對下游水生態敏感區域的實時監測。

3.4實時監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狀來看，生態流量實時監測成果還沒有納入電站運行管理的決策因素當中，監測數據往往流于形式，監測成果的預警、響應反饋機制還有待完善，需要結合電站生態調度管理要求優化電站運行管理決策機制。

3.5監測信息尚未有效共享并充分利用

建設生態流量實時監測系統的主要目的是通過監測數據，分析生態流量泄放措施的實際效果，以及對下游河道河流生態系統健康狀況的保障程度，并據此對工程生態調度方案進行優化和完善。但實際監測數據目前僅由建設單位掌握，對監測數據的分析利用還停留在初級階段，監測信息還未能充分實現共享并有效利用。

4 生態流量實時監測技術后續發展的建議

4.1加快制定行業技術標準

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流量實時監測系統設計規范的編制。在編制過程中，從生態流量實時監測系統全過程考慮，將其升級為生態流量設計、建造和運行管理的技術規范，從系統功能、監測布點、測流方式、通信與數據處理、運行管理等全過程規范技術要求。建議下階段加快制定《水電工程生態流量實時監測設備基本技術條件》，規范監測設備技術要求。

4.2實施多因子實時監測

河流生態系統健康狀況是涵蓋流量、流速、水位、水溫、總溶解性氣體等多因子指標的集合，后續工作需要統籌考慮流量、流速、水溫、總溶解性氣體等多因子聯合實時監測，以科學評估水電開發對河流生態系統健康狀況的影響。

4.3構建形成流域監測體系

應從整個流域水電梯級開發尺度構建形成生態流量流域監測體系，充分考慮局部和整體、上游和下游，以及與重要生態敏感區的關系，避免孤立、片面地看待生態流量監測問題，而是形成整個流域一盤棋，統籌規劃、科學實施。

4.4充分利用先進技術手段

大數據、互聯網、云技術、無線技術等是今后生態流量實時監測技術的發展方向。應充分利用當今先進信息技術手段，實現生態流量監測信息廣泛互聯共享，構建工程生態流量預警、反饋機制，實現從被動防范到主動監管的轉變。

4.5已建工程補設實時監測系統

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問題，對已建工程補設生態流量實時監測系統，也是今后一項重要課題。

[1] 杜強, 譚紅武. 生態流量保障與小機組泄放方式的現狀及問題[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流量保證措施設計與研究[J]. 貴州水力發電, 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控系統建設[J]. 信息技術, 2012, 70(10): 35- 37.

[5] 國家能源局. 關于下達2015年能源領域行業標準制(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環境保護，E-mail：2779408129@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.06.002

X171.4

A

2095-6444(2017)06-0006-03