小型水電站生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王振，林毅鴻，余文森

（武夷學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，武夷山 354300）

0 引言

“生態(tài)流量”是維持河流或湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康，保證人類(lèi)可持續(xù)地從中獲得物質(zhì)和服務(wù)所需的流量［1］。

小型水電站作為一種清潔能源，以其建造成本低、施工周期短、施工難度小、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)勢(shì)在過(guò)去得到了很大的發(fā)展［2］，然而多數(shù)小型水電站建設(shè)年代久遠(yuǎn)，多為20世紀(jì)八九十年代修建，在修建之初未考慮建設(shè)對(duì)環(huán)境保護(hù)的影響，只注重經(jīng)濟(jì)效益的提高，導(dǎo)致對(duì)下游生態(tài)環(huán)境造成了破壞，部分河段出現(xiàn)缺水、斷流等現(xiàn)象，不利于下游的生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

國(guó)務(wù)院《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（“水十條”）明確指出，要科學(xué)確定生態(tài)流量，加強(qiáng)江河湖庫(kù)水量調(diào)度管理，維持河湖生態(tài)用水需求［3］。為減少電站蓄水對(duì)河流生態(tài)環(huán)境的破壞，在取水處必須有生態(tài)流量泄放的專門(mén)設(shè)施泄放生態(tài)流量，保護(hù)下游河段生態(tài)環(huán)境。

在目前生態(tài)環(huán)境建設(shè)和水資源保護(hù)已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略的背景下，為了避免水生態(tài)環(huán)境惡化，保證生態(tài)平衡，根據(jù)各級(jí)水行政部門(mén)的要求，水電站必須按照規(guī)定配備下泄生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，接受水利部門(mén)的實(shí)時(shí)監(jiān)管［4］，因此設(shè)計(jì)水電站生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)下泄流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，精準(zhǔn)計(jì)量，對(duì)小型水電站進(jìn)行綠色改造是非常有必要的。

1 水電站生態(tài)流量監(jiān)測(cè)原理

小型水電站建設(shè)過(guò)程中，根據(jù)地形情況、資金情況、設(shè)計(jì)規(guī)格等的不同，水電站會(huì)設(shè)計(jì)為引水式水電站、堤壩式水電站、混合式水電站等不同類(lèi)型，下泄流量也具有不同的方式，主要包括管道下泄式、渠道下泄式、閘門(mén)開(kāi)度下泄式等不同類(lèi)型。根據(jù)以上條件的不同以及地理環(huán)境，具有多種流量測(cè)量方式，各種方式具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況的不同選擇適合的方式。

本文設(shè)計(jì)的水電站生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以堤壩式水電站，采用渠道下泄式排水的水電站進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于這種水電站，結(jié)合《福建省水電站生態(tài)泄流及監(jiān)控技術(shù)指導(dǎo)意見(jiàn)》提出的具體要求，可以在水電站壩址的下游選擇河道斷面作為監(jiān)測(cè)斷面，安裝測(cè)流裝置，實(shí)時(shí)測(cè)量水流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在下游河道斷面處進(jìn)行施工，將不規(guī)則的河道進(jìn)行改造，安裝巴歇爾槽和超聲波明渠流量計(jì)，采用巴氏計(jì)量槽的方式測(cè)量明渠流量。

在液體流動(dòng)過(guò)程中，非滿管狀態(tài)流動(dòng)的水路稱作明渠，可以使用巴氏計(jì)量槽測(cè)量明渠內(nèi)的水流量。明渠內(nèi)的流量越大，液位越高；流量越小，液位越低。對(duì)于一般的渠道，液位與流量沒(méi)有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因?yàn)橥瑯拥乃睿髁康拇笮。€與渠道的橫截面積、坡度、粗糙度有關(guān)。在渠道內(nèi)安裝量水堰槽，由于堰的缺口或槽的縮口比渠道的橫截面積小，因此，渠道上游水位與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系主要取決于堰槽的幾何尺寸。同樣的量水堰槽放在不同的渠道上，相同的液位對(duì)應(yīng)相同的流量。量水堰槽把流量轉(zhuǎn)成了液位。通過(guò)測(cè)量流經(jīng)量堰槽內(nèi)水流的液位，可以根據(jù)相應(yīng)量水堰槽的水位－流量關(guān)系公式求出流量，用以下公式計(jì)算流量。

其中Q為瞬時(shí)流量，單位為m3/s；c為流量系數(shù)，不同尺寸的巴歇爾槽流量系數(shù)不同，根據(jù)巴歇爾槽的尺寸確定；h為液體深度，單位為m；n為由喉道寬度確定指數(shù)值。

將流量轉(zhuǎn)換為液位深度后，使用超聲波測(cè)量堰槽內(nèi)的水位，超聲波探頭距離堰底的距離在安裝時(shí)進(jìn)行固定，探頭固定安裝在量水堰槽水位觀測(cè)點(diǎn)上方（水位觀測(cè)點(diǎn)的位置見(jiàn)堰槽構(gòu)造說(shuō)明），利用超聲波回聲測(cè)距法測(cè)液位［5］，探頭部分發(fā)射出超聲波，被液面反射后探頭部分再接收到超聲波，探頭到液（物）面的距離和超聲波經(jīng)過(guò)的時(shí)間成比例：用以下公式計(jì)算液面深度。

其中h為液體的深度，單位為m；s為探頭到堰槽底部的距離，單位為m；t為接收到回聲的時(shí)間，單位為s；c為聲波在空氣中的傳播速度，單位為m/s。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架

小型水電站生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶層六個(gè)部分構(gòu)成，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

感知層通過(guò)超聲波明渠流量計(jì)、視頻探頭、各種傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取實(shí)時(shí)排放流量，視頻圖像監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及其他水文信息和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。

網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和視頻遙測(cè)終端等設(shè)備，使用TCP/IP 透?jìng)骰驑?biāo)準(zhǔn)的水文數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約等傳輸數(shù)據(jù)，可以將數(shù)據(jù)傳輸至自建的監(jiān)測(cè)平臺(tái)以及省市縣各級(jí)的水利，環(huán)保監(jiān)管平臺(tái)。

應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、存儲(chǔ)層三個(gè)層次互相協(xié)同，將感知層獲取到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，存儲(chǔ)，結(jié)合水利管理部門(mén)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行水電站排放流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，預(yù)警，與用戶層進(jìn)行結(jié)合形成平臺(tái)功能模塊，通過(guò)各功能模塊向用戶層的水電站及上級(jí)主管部門(mén)提供數(shù)據(jù)展示及分析的窗口。

用戶層負(fù)責(zé)和用戶交互，給管理者和各級(jí)水利、環(huán)保監(jiān)管部門(mén)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)預(yù)警等信息，面向用戶提供便捷的操作，提高工作效率。

從應(yīng)用層面的技術(shù)開(kāi)發(fā)角度來(lái)看，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的六個(gè)層次可以抽象為終端環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備（UE）、水文監(jiān)測(cè)平臺(tái)（cs-Monitor）和人機(jī)交互程序（HCL）三個(gè)部分組成，這種抽象地應(yīng)用框架為水電站生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)以這種抽象應(yīng)用框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，抽象應(yīng)用框架如圖2所示。

圖2 抽象應(yīng)用框架

2.2 終端環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

終端環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備負(fù)責(zé)采集水電站的水文信息并將其傳輸?shù)阶越ǖ乃谋O(jiān)測(cè)平臺(tái)和省市縣各級(jí)水利，環(huán)保的監(jiān)管平臺(tái)，主要采集的環(huán)境信息包括實(shí)時(shí)水流量、實(shí)時(shí)水位、流速、環(huán)境溫濕度及現(xiàn)場(chǎng)圖像信息，每隔10分鐘采集一次環(huán)境信息傳輸至水文監(jiān)測(cè)平臺(tái)，由監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理展示，可以提高水電站的管理水平，保證下游的生態(tài)流量，從而保護(hù)下游的生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)全天候無(wú)人值守的管理，降低運(yùn)維成本。

根據(jù)水電站現(xiàn)場(chǎng)情況具體分析，我們的水流量監(jiān)測(cè)設(shè)備采用超聲波明渠流量計(jì)，該測(cè)量方式需要在水電站下游水流斷面處修建標(biāo)準(zhǔn)的堰槽，工程量較大，但實(shí)際監(jiān)測(cè)效果會(huì)比其他的方法更好。由于監(jiān)測(cè)設(shè)備在野外，無(wú)法使用市電供電，因此我們的設(shè)備供電采用太陽(yáng)能板+蓄電池組成，可以保證在惡劣天氣下設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。同時(shí)我們采用市面上比較常見(jiàn)的DHT11 溫濕度傳感器采集節(jié)點(diǎn)的溫濕度信息。使用攝像機(jī)監(jiān)測(cè)水電站的視頻圖像數(shù)據(jù)。控制器采用ST 公司的STM32F407 微控制器作為主控芯片，該芯片具有較高的存儲(chǔ)空間以及運(yùn)行費(fèi)頻率，支持拓展SD卡便于我們的終端監(jiān)測(cè)設(shè)備儲(chǔ)存水文信息，保證數(shù)據(jù)斷電不丟失。適合于野外復(fù)雜多變的環(huán)境，滿足圖像信息處理和傳輸?shù)男枰瑵M足系統(tǒng)低功耗運(yùn)行的需要，終端監(jiān)測(cè)設(shè)備的硬件系統(tǒng)如表1所示。

表1 終端環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備硬件系統(tǒng)

2.3 水文監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)應(yīng)用抽象框架的分析，設(shè)計(jì)了水文監(jiān)測(cè)平臺(tái)，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，水文監(jiān)測(cè)平臺(tái)作為中間部分，負(fù)責(zé)接收終端監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理之后傳輸給人機(jī)交互程序使用，因此這部分是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。考慮到減輕人機(jī)交互程序的運(yùn)行負(fù)載，優(yōu)化訪問(wèn)速度，在設(shè)計(jì)時(shí)主要采用B/S（Browser/Server）的架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使得主要計(jì)算部分都由監(jiān)測(cè)平臺(tái)完成，充分降低用戶端的負(fù)載。

水文監(jiān)測(cè)平臺(tái)使用C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用.NET Framework 4.8 框架進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。用TCP/IP 協(xié)議和終端環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行通信，通信過(guò)程中對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密，保證系統(tǒng)的安全性。和用戶層使用WebSocket 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)加密傳輸，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，允許監(jiān)測(cè)平臺(tái)主動(dòng)向用戶程序推送數(shù)據(jù)和預(yù)警信息。使用Mysql 數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。

2.4 人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)

針對(duì)本次水電站生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了多種信息查看方式，提供用戶在不同條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)的查看，包括客戶端程序、手機(jī)APP 程序和網(wǎng)頁(yè)三種查看形式。

客戶端程序采用C#語(yǔ)言［6］和.NET Framework 4.8開(kāi)源框架開(kāi)發(fā)，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中充分考慮到后續(xù)的功能拓展，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)所有功能采用模塊化設(shè)計(jì)［7］，便于后續(xù)功能的增加與完善，提供了圖形化的數(shù)據(jù)查看界面，支持查看瞬時(shí)流量、累計(jì)水流量、水位、流速等信息，支持歷史數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)報(bào)表生成、日志管理、建立數(shù)據(jù)流量電子臺(tái)賬、數(shù)據(jù)報(bào)表下載查看、視頻圖像查看、流量預(yù)警等功能。

手機(jī)APP 使用VUE 3.0 框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用HTML5 和Java Script 語(yǔ)法進(jìn)行程序的編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)預(yù)警、短信通知等功能。

網(wǎng)頁(yè)端采用HTML5 和Java Script 進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以提供更加精美的數(shù)據(jù)界面和更加便捷的查看方式，同時(shí)兼容大部分設(shè)備使用。

2.5 通信協(xié)議

終端環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備和水文監(jiān)測(cè)平臺(tái)之間主要使用兩種通信方式，和省市縣各級(jí)水利，環(huán)保監(jiān)管平臺(tái)之間使用基于TCP/IP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)水資源/環(huán)保/水文規(guī)約進(jìn)行通信，和自建的水文監(jiān)測(cè)平臺(tái)之間使用經(jīng)過(guò)加密的報(bào)文通過(guò)TCP/IP 透明傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

根據(jù)相關(guān)的法律法規(guī)，參照《福建省水電站下泄流量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸規(guī)范》規(guī)定的內(nèi)容，使用“HJ/T 212-2017 污染源在線自動(dòng)監(jiān)控（監(jiān)測(cè)）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)”中規(guī)定的幀格式以及加密標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。

自建的水文監(jiān)測(cè)平臺(tái)擁有固定的IP 地址和端口號(hào)，通過(guò)這個(gè)固定的地址進(jìn)行TCP/IP 透明傳輸，在終端監(jiān)測(cè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)平臺(tái)之間約定好數(shù)據(jù)包格式，傳輸時(shí)將數(shù)據(jù)使用AES 加密算法［8］對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，使用CRC 校驗(yàn)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的校驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)的安全性。

2.6 系統(tǒng)功能

小型水電站生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以水文監(jiān)測(cè)為主，支持多種水文監(jiān)測(cè)功能，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)出、水電站管理、歷史數(shù)據(jù)查看、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。其中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能可以顯示水電站的最新生態(tài)流量信息，包括實(shí)時(shí)水位、實(shí)時(shí)流速、實(shí)時(shí)圖像查看等功能；水電站管理頁(yè)面可以查看水電站的詳細(xì)介紹信息，在下泄流量不足時(shí)進(jìn)行預(yù)警提示；歷史數(shù)據(jù)查看可以看到水電站的歷史流量等信息，統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能可以按照年、月、日等不同時(shí)間段生成生態(tài)流量監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)報(bào)表，支持?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)表下載。

3 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到不同水電站現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的差異性較大、野外環(huán)境的不確定性因素較多等特點(diǎn)，在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，最大程度上降低不同模塊之間的耦合度，使得終端環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活拓展。在進(jìn)行供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)了多種供電方式，在條件允許的情況下設(shè)備可以使用220V 市電進(jìn)行供電，在現(xiàn)場(chǎng)不具備供電條件時(shí)使用太陽(yáng)能供電；在通信方式的實(shí)際上，設(shè)備既可以使用光纖通信，也可以在不具備光纖條件時(shí)使用無(wú)線4G 通信，降低安裝成本；在流量監(jiān)測(cè)方式的選擇上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況的不同，支持多種下泄流量監(jiān)測(cè)方式，還可以根據(jù)需要監(jiān)測(cè)雨量、水質(zhì)等環(huán)境信息；在主控制器的設(shè)計(jì)上，支持拓展外部SD 卡，支持本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)、下載，具備數(shù)據(jù)補(bǔ)傳功能，保證在網(wǎng)絡(luò)異常的情況下數(shù)據(jù)的完整性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)水電站生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，從終端環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備、水文監(jiān)測(cè)平臺(tái)和人機(jī)交互程序三個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)介紹，并對(duì)系統(tǒng)功能和系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的展示。研究的小型水電站生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)水電站的泄放流量精準(zhǔn)計(jì)量與流量預(yù)警等功能，具有較高的使用價(jià)值。

但由于小型水電站建造時(shí)設(shè)計(jì)的差異性較大，需要用到的測(cè)量方式較多，該系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)大部分水電站的流量監(jiān)測(cè)，后續(xù)將進(jìn)一步拓展監(jiān)測(cè)設(shè)備的功能，可以拓展更多的監(jiān)測(cè)方法，完善系統(tǒng)功能。