生態(tài)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)及在水電站的應(yīng)用

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)新時代中國農(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)時的能源供應(yīng)緊張問題。然而近年來，在小水電急速發(fā)展過程中存在的諸多問題也逐漸浮出來。小水電雖是清潔能源，但在我國，限于早期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)意識的限制，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，沒有考慮下游河道泄放問題，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，對生態(tài)環(huán)境造成了影響。

1 生態(tài)流量及在線監(jiān)測系統(tǒng)簡介

“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)測系統(tǒng)由現(xiàn)地監(jiān)測單元、視頻監(jiān)視、通信傳輸、云服務(wù)監(jiān)測平臺組成。為流域生態(tài)保護(hù)、水文水資源等監(jiān)管部門提供服務(wù)。

2 生態(tài)流量測流方式

按照水電站開發(fā)類型，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，有以下幾種測流方式。

2.1 通過引水系統(tǒng)改造泄放流量

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

2.2 通過泄洪閘小開度泄流

對筑壩式電站：可通過開啟大壩閘門并根據(jù)水位調(diào)整閘門開度，向下游河道泄放流量。閘門泄流流量通過公式計算確定。該方式改造工程量較小，改造后泄放效果較好。

2.3 通過溢洪道閘門改造泄流

通過改造溢洪道工作閘門，根據(jù)水文勘測計算設(shè)置門中門或舌瓣門，并增設(shè)啟閉設(shè)備，向下游泄放流量。閘門泄流流量通過公式計算確定。該方式改造工程量較大，改造后泄放效果較好。

2.4 通過大壩放空設(shè)施改造泄流

利用大壩原有底孔設(shè)施并對其進(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

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

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)。可以通過機(jī)組流量曲線查詢下泄流量。該方式改造工程量非常大，機(jī)組出現(xiàn)問題時會造成下泄流量短時的中斷，水的利用率非常高。

2.7 通過機(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放水管等向下游泄放流量。通過管段式流量計測流。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流設(shè)備。該方式改造工程量適中，改造后泄放效果較好，對大壩基本無影響。

3 生態(tài)流量在線監(jiān)測系統(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流設(shè)備、視頻設(shè)備、監(jiān)測終端設(shè)備，并將相關(guān)數(shù)據(jù)、視頻圖像進(jìn)行存儲。通過廣域網(wǎng)將數(shù)據(jù)、報警信息及視頻圖像上送至監(jiān)管平臺，可通過就地或遠(yuǎn)程調(diào)閱相關(guān)數(shù)據(jù)、報警信息及視頻圖像。

水電站生態(tài)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)地監(jiān)測單元、視頻監(jiān)視、通信傳輸、云服務(wù)監(jiān)測平臺組成，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)測系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)組成

(1)現(xiàn)地監(jiān)測單元：數(shù)據(jù)采集處理終端、水位計、閘位計、流量計(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)、專線或?qū)拵У龋?/p>

(3)(云)平臺：(云)服務(wù)器、生態(tài)流量系統(tǒng)監(jiān)測平臺等。

3.3 系統(tǒng)功能

云服務(wù)監(jiān)測平臺提供多種靈活的接入方式，對接入測站進(jìn)行統(tǒng)一分層級分權(quán)限管理，能夠?qū)崟r查看和監(jiān)測現(xiàn)場生態(tài)流量信息。云服務(wù)監(jiān)測平臺還可便捷地進(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)測服務(wù)。

(1)實(shí)時監(jiān)測：實(shí)時監(jiān)測相關(guān)電站的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過廣(局)域網(wǎng)將數(shù)據(jù)上送至生態(tài)流量監(jiān)測(云)平臺，通過預(yù)留接口與監(jiān)管部門共享數(shù)據(jù)，企業(yè)可通過云平臺在手機(jī)端或PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，對水電站的生態(tài)流量實(shí)施遠(yuǎn)程自動監(jiān)測報警。

(2)統(tǒng)計結(jié)果分析：對生態(tài)流量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，提供對水位、流量、閘門開度等相關(guān)數(shù)據(jù)的展示分析，對超限值進(jìn)行統(tǒng)計分析，生成生態(tài)流量數(shù)據(jù)分析報表。

(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，可通過手機(jī)端或PC端查看生態(tài)流量實(shí)時視頻，對各水電站生態(tài)流量數(shù)據(jù)及視頻畫面實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

(4)GIS系統(tǒng)：通過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)施過程中遇到的問題

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

4.1 管段式測流

一般管段式流量計安裝有如下規(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倍直管徑以內(nèi)無任何閥門、彎頭、變徑等均勻的直管段，安裝點(diǎn)應(yīng)充分遠(yuǎn)離閥門、泵、高壓電和變頻器等干擾源；

(2)對于開口或半滿管的管道，流量計應(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)或水平管段。

圖2 傳感器安裝與示例

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

(1)管段流量計安裝位置擾流比較大，未遵循“前十后五原則”；

(2)測流管段未做U型處理，造成非滿管測流。

4.2 明渠測流

采用明渠方式的現(xiàn)場普遍存在水流不穩(wěn)，斷面不規(guī)則的情況。

一般明渠式流量計安裝規(guī)范有：明渠測流要求渠段順直，水流及斷面穩(wěn)定，無沙洲、無崩岸、無回流、無死水。

5 應(yīng)用案例

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

5.1 監(jiān)測系統(tǒng)概述

該電站各大壩采用固定一扇閘門作為生態(tài)流量泄放口，閘門采用固定無調(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Internet將視頻及流量數(shù)據(jù)上送至水務(wù)局監(jiān)管平臺。同時，將生態(tài)泄放流量數(shù)據(jù)通過網(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，以確保整個生態(tài)流量監(jiān)測系統(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：主要包括遙測水位計、閘位計、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)測數(shù)據(jù)庫、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)測平臺、云服務(wù)器、交換機(jī)、PC機(jī)。

生態(tài)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)時應(yīng)充分考慮現(xiàn)場實(shí)際情況，選擇合適的測流方式，并遵循流量計的安裝要求進(jìn)行設(shè)計、實(shí)施。

6 結(jié)語

相信經(jīng)過各地政府對小水電的大力整治，在不久的將來，“生態(tài)流量”這一環(huán)保概念會逐步在全國普及，通過生態(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)。