綠色小水電生態流量自動監測系統研究與應用

朱 超，嵇海祥，周安輝，呂飛翔，朱云武，華立敏

（1.水利部南京水利水文自動化研究所,江蘇 南京 210012；2.江蘇南水科技有限公司,江蘇 南京 210012；3.西雙版納水文水資源局,云南 西雙版納 666199；4.浙江浙能華光潭水力發電有限公司,浙江 杭州311322；5.昆明水文水資源局,云南 昆明 650106）

1 概況

綠色小水電綜合評價是從環境、社會、經濟和安全四個方面，對處于運行階段的小水電站進行評價。在我國水能資源中，小水電資源可開發量高達1.28億kW，小水電資源開發在提高我國農村電氣化水平、改善農民生產生活條件、保障應急供電、溫室氣體減排、保護生態環境等多方面有著積極的作用，促進了農村經濟社會發展，同時小水電工程對當地的生態系統或多或少造成了一定程度的不利影響。為了降低小水電開發的不利影響，促進經濟、社會與環境的可持續發展，新時期的小水電必須是與綠色、可持續發展理念相結合的“綠色小水電”。小水電開發是否“綠色”，如何評價綠色小水電成為水資源管理的重要研究問題[1]。

國外發達國家對小水電的評價機制建立比較早，瑞士和美國分別建立了綠色水電認證和低影響水電認證制度，從技術評價和經濟激勵兩個方面促進水電站業主降低不利影響和進行生態修復。從環境、經濟、社會等方面進行水電開發可持續性的評估。國際經驗表明，開展水電工程的環境認證或可持續性評估，有助于水電開發采取措施避免或減輕負面影響、提高綜合效益。

我國的小水電開發與農民利益密切相關，中央文件指出，在保護生態和農民利益前提下，加快水能資源開發利用，大力發展農村水電。保護生態環境和農民利益將繼續成為未來一定時期我國水電行業需要重點關注的內容。為了盡量降低水電工程對生態環境的不利影響，對生態流量的準確監測，提高生態需水的保障能力，是生態環境保護工作的重中之重[2]。生態環境保障需要多少流量，如何監測生態流量這成為我們必須要面對的問題。

2 生態流量

小水電一般是指小型水電站的簡稱，國際上不同國家根據各自國情對小水電的裝機容量定義各異，在我國通常把裝機容量25000 kW及以下的水電站稱為小水電。《水污染防治行動計劃》根據水功能的不同，首次將水劃分為水環境、水資源和水生態，并提出了相應的保護對策，并首次提出了生態流量這一概念[3]。生態流量是指為維護生態環境不再惡化并逐漸改善所需要消耗的流量。主要從以下幾個方面來確定生態流量：保護水生生物棲息地的生態需水量；維持水體自凈能力的需水量；水面蒸發的生態需水量；維持河流水沙平衡的需水量；維持河流水鹽平衡的生態需水量等[4-5]。根據水利水電建設項目水資源論證導則和水資源供需預測分析技術規范要求確定河流的生態流量。

水電站可以分為2種方式，一種是無調節能力水電站，一種是有調節能力水電站。無調節能力電站對河流的流量基本無法控制，為過水式電站，上游來水和下游泄流水量一致，此種電站的生態流量就是河流本身的天然流量。對于有調節能力的水電站，就需要對電站的下泄流量進行分析計算得出該電站的生態流量。

水電站下泄流量分為2個部分，一個是發電流量，一個是棄水流量，棄水流量一般發生在洪水期間，此時不需要考慮生態流量。發電流量計算如下：

式中：QT為水電站逐日發電流量；Wi為水電站第i臺機逐日發電量；Pe,i為水電站第i臺機額定出力，kW；ηe,i為水電站第i臺機發電機效率；Qe,i為水電站第臺機額定流量，m3/s；Qi為水電站第i臺機日均發電流量，m3/s；Hi為電站發電水頭；ηi為水電站第i臺機水輪機效率；H0為電站毛水頭；Ri為水電站第i臺機發電引水水頭損失系數。

對于不同類型的水電站，生態流量監測需要確定生態流量有和無的問題、多和少的問題，可以通過不同的流量監測方法來實現，通過監測得數據來判斷是否符合生態流量最低要求，滿足河道衍生生態需求。

3 流量監測

3.1 流量監測方法

3.1.1 視頻監測

對于無調節能力水電站，可使用視頻監測河道流量確定河道是否有水，一般可在電站出口出安裝視頻監控攝像頭，電源系統采用交流供電，傳輸系統采用有線/光纖的方式傳輸。

3.1.2 水位監測

對于流量監測精度要求不高的電站，可以通過監測河道水位，利用水位流量關系曲線計算河道流量。水位監測有多種方式，比較常見的是浮子水位計、壓力水位計、雷達水位計、氣泡水位計等；由于新技術發展，也可以利用圖像處理技術，通過拍攝水尺圖像確定水位，這種方法可以結合視頻監控方式獲取圖像信息。

3.1.3 流量監測

對于流量監測精度要求高的地方，可以直接監測河道水流流速，利用流量模型計算得到河道的流量。比較常見的測流方式有水文纜道、差法流量計、水平式ADCP、坐底式ADCP、RQ30、SQ、DouVQ等[6]。通過對流量設備監測分析研究，得到數據見表1。

表1 測流方式對比

其中接觸式非接觸式指的是與水體接觸與否，直接法間接法指的是直接得到流量還是通過水位流量關系得到流量[7]。

3.2 流量監測系統框架

根據水電站性質的不同，要求的不同，方式的不同，采用“一站一策”的方案，根據水電站具體情況選擇不同的流量監測方法。流量監測方法確定后根據選擇的流量監測儀器，需要建設流量監測系統，能夠使得流量監測自動運行，達到無人看管，長期可靠的性能，需要配合相關的輔助設施建設流量自動監測系統，建設完成后可以實現自動采集相關數據，包括流量、水位、圖像等信息通過網絡的方式發送至監管平臺，可以實現實時監控的目的。

流量監測系統分為6個部分，傳感器監測河道水流信息，包括水位、流量、圖像、視頻等；數據采集終端采集傳感器信息；輔助設施保證設備正常運行；電源系統為系統提供電源保障；傳輸系統將數據傳輸至數據中心；數據中心存儲數據并發布。

圖1 流量監測系統流程圖

4 應用

浙江華光潭水電站工程位于臨安區西部分水江干流昌化江上游的巨溪上，壩址距臨安區政府約73 km。工程分一級電站和二級電站。二級電站壩址以上集雨面積350.7 km2，多年平均徑流量3.91億m3，總庫容341萬m3，電站裝機2.5萬kW。攔河壩為混凝土重力壩，壩頂高程232.0 m，最大壩高36.5 m，壩頂長134 m，兩岸為非溢流段，非溢流段總長79 m，其中左岸長26 m，右岸長53 m。工程以發電為主，裝機容量2×12.5 MW，水庫總庫容360 萬m3，屬Ⅳ等工程，正常蓄水位227.7 m，多年平均發電量0.58億kW·h，年利用小時2346 h。發電引水系統布置在巨溪右岸，全長5188 m，由進水口、發電引水隧洞、調壓井、壓力管道組成。

華光潭水情自動測報系統安裝野外遙測站點10 個，中心站1個，遙測站點涉及雨量站6個，水位站4個，軟硬件安裝完成進入試運行后，運行情況良好。該系統運行至今已有9個年頭，水情自動測報系統仍能高效及時地運行。特別是2020 年，系統經歷了50天的超長梅汛，連續陰雨天氣給系統的野外設施制造了很大運行壓力，考驗了該系統的穩定性。水情自動測報系統加強了流域內水文數據采集、傳輸和處理的能力，縮短水文數據的匯集和預報調度作業所需時間，增加系統洪水預警預報的時效性，為電站綜合調度提供科學依據。

圖2 華光潭水電站數據查詢發布綜合首頁

圖3 數據接收處理軟件

圖4 短信報警軟件

圖5 洪水預報調度系統

圖6 水務計算軟件

5 結論

根據不同電站需求，確定不同的流量監測方式，建設生態流量自動監測系統，將小水電的生態流量監測作為綠色小水電的重要考核指標，通過加強江河湖庫水量調度管理，維持河湖基本生態用水需求，重點保障枯水期生態基流，這對于扭轉我國“重污染防治和資源保護，輕生態保育”的不均衡局面具有重大意義。