水電工程生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的思考

陳國(guó)柱，楊杰，趙再興

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng) 550081)

水電工程生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的思考

陳國(guó)柱，楊杰，趙再興

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng) 550081)

水電工程造成的水文情勢(shì)變化是影響河流生態(tài)環(huán)境的直接原因，需要合理確定所需生態(tài)流量并有效管控，建設(shè)生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量監(jiān)控的重要措施。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)目前已建水電工程生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)總結(jié)，識(shí)別生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目前存在的主要問(wèn)題，從技術(shù)角度提出了未來(lái)生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向，為后續(xù)水電工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)、環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理提供參考。

水電工程；生態(tài)流量；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)；發(fā)展

水電工程建設(shè)運(yùn)行造成的水文情勢(shì)變化是影響河流生態(tài)環(huán)境的直接原因，維持適宜的生態(tài)流量是減緩水電工程環(huán)境影響的重要措施。一方面，需要合理確定所需的生態(tài)流量；另一方面，需要切實(shí)落實(shí)并有效管控[1-4]。目前，國(guó)家、行業(yè)管理部門(mén)已明確下泄生態(tài)流量并建設(shè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為水電開(kāi)發(fā)的必備措施，且在近年來(lái)開(kāi)工建設(shè)的一批水電工程中予以落實(shí)，但其監(jiān)控方式、技術(shù)要求等尚未形成規(guī)范化、信息化管理，尚未充分發(fā)揮其應(yīng)有的效果，這也將是未來(lái)水電環(huán)保技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

1 生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)需求

生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)具有其必然需求，首先是滿(mǎn)足環(huán)保部門(mén)監(jiān)管的外部要求，其次也是優(yōu)化電站運(yùn)行管理、提高科學(xué)決策水平的內(nèi)在需求。

1.1滿(mǎn)足水電工程環(huán)境監(jiān)管的必然要求

水電工程的首要開(kāi)發(fā)任務(wù)是發(fā)電，而下放生態(tài)流量會(huì)直接影響到電站的發(fā)電效益。在當(dāng)前仍然十分重視GDP績(jī)效考核的制度下，如果建設(shè)單位環(huán)境意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感差，即使工程建設(shè)有生態(tài)流量泄放措施，工程運(yùn)行后可能存在不愿意泄放生態(tài)流量的情況。因此，必須建設(shè)下泄生態(tài)流量自動(dòng)測(cè)報(bào)和遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，將生態(tài)流量泄放納入工程環(huán)保監(jiān)管體系，這也是貫徹落實(shí)當(dāng)前建設(shè)項(xiàng)目事中事后環(huán)境保護(hù)監(jiān)督管理的必然要求。

1.2優(yōu)化水電工程運(yùn)行管理的內(nèi)在需求

近年來(lái)，在環(huán)保部門(mén)批準(zhǔn)的水電工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)文件中，都對(duì)工程運(yùn)行以后生態(tài)流量“放多少、怎么放”提出了明確要求，從生態(tài)基流和下泄過(guò)程兩個(gè)角度都有具體量化指標(biāo)。但目前大多數(shù)水電工程生態(tài)流量泄放措施僅考慮了泄放能力的要求，在電站運(yùn)行調(diào)度中，還需結(jié)合下游河道水量變化情況調(diào)控下泄流量；只有通過(guò)建設(shè)生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲取生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，才能實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量泄放措施的科學(xué)調(diào)度、有效運(yùn)行。

1.3實(shí)現(xiàn)流量調(diào)控信息化管理的決策需求

信息化技術(shù)的快速發(fā)展為工程運(yùn)行維護(hù)、環(huán)境管理提供了更加高效的手段，通過(guò)開(kāi)展生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將電站下游河道生態(tài)流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)借力于當(dāng)前快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等先進(jìn)信息技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量調(diào)控的信息化管理，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建河流生態(tài)需水技術(shù)保障體系，提高科學(xué)決策水平。

2 國(guó)內(nèi)已采用的技術(shù)類(lèi)型與特點(diǎn)

2005年以后我國(guó)批準(zhǔn)建設(shè)的雅礱江錦屏二級(jí)、金沙江龍開(kāi)口及魯?shù)乩?、烏江沙沱、北盤(pán)江馬馬崖及董箐、黃河瑪爾擋、大渡河枕頭壩二級(jí)、木里河立洲等一些大中型水電工程在生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面進(jìn)行了積極嘗試，積累了一定經(jīng)驗(yàn)?？傮w來(lái)看，目前建設(shè)的生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要涵蓋以下幾種類(lèi)型。

(1)安裝流量計(jì)監(jiān)測(cè)流量。這種測(cè)流方式僅適用于生態(tài)流量專(zhuān)用泄放通道，其中較為典型的例證是錦屏二級(jí)水電站。通過(guò)在生態(tài)流量泄放洞進(jìn)口工作閘門(mén)后安裝2套流量計(jì)，共輸出兩路信號(hào)，一路通過(guò)8芯光纜和光電轉(zhuǎn)換設(shè)備將生態(tài)流量數(shù)據(jù)傳送至電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的溢洪門(mén)控制單元，并通過(guò)電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上傳至成都電站集控中心；一路預(yù)留，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)建設(shè)水位自動(dòng)觀測(cè)站。這種測(cè)流方式是在壩下順直河段建設(shè)水位自動(dòng)觀測(cè)站，建立斷面水位—流量關(guān)系，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)定斷面水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為河道實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)。其中較為典型的例子是金沙江龍開(kāi)口、魯?shù)乩娬尽Ｋ蛔詣?dòng)測(cè)量站連接電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至電站遠(yuǎn)程集控中心，供電站運(yùn)行管理單位記錄、存檔和環(huán)境保護(hù)行政主管部門(mén)監(jiān)督。同時(shí)水位自動(dòng)測(cè)量站具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，長(zhǎng)期備份流量監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)。水位采集可采用壓力式、雷達(dá)式自動(dòng)采集方式，通信方式一般為GSM數(shù)傳模塊或北斗衛(wèi)星通信。

(3)采用多普勒流速儀測(cè)流。該方法測(cè)流原理是利用聲波中的多普勒效應(yīng)，通過(guò)一定方法測(cè)定河流的平均流速和過(guò)水面積來(lái)計(jì)算流量。通常是將多普勒流速測(cè)量傳感器探頭固定安裝在水面下某一水深處，通過(guò)超聲波傳感器分別向?qū)Π逗退姘l(fā)射超聲波，根據(jù)反射回來(lái)的聲波頻率可計(jì)算河道平均流速和水位，并據(jù)此計(jì)算實(shí)時(shí)流量。這種技術(shù)在黃河瑪爾擋水電站得到應(yīng)用：在測(cè)流斷面布設(shè)H-ADCP多普勒流速儀，同時(shí)利用走航式ADCP進(jìn)行斷面測(cè)量，確定H-ADCP系數(shù)；由軟件實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)在線采集、處理及入庫(kù)。入庫(kù)數(shù)據(jù)由GPRS 通信方式傳輸至電站中控室，通過(guò)GPRS通信方式傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)向電站中控室報(bào)送垂線流速、水位、流量等數(shù)據(jù)。

(4)非接觸法遠(yuǎn)程測(cè)流。該方法是近年來(lái)發(fā)展的一種在線測(cè)流方式，測(cè)流原理是利用河道紊流產(chǎn)生的短波布拉格散射對(duì)表面流速進(jìn)行遙感測(cè)定，當(dāng)雷達(dá)傳送非均勻流表面信號(hào)時(shí)，非均勻流表面的厘米波即反向散射體會(huì)導(dǎo)致多普勒頻移的發(fā)生，監(jiān)測(cè)儀對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，計(jì)算流量。這種技術(shù)在木里河立洲水電站得到實(shí)際應(yīng)用：通過(guò)在生態(tài)小機(jī)組尾水渠出口下游約1.2 km的立洲大橋上布設(shè)遙測(cè)站斷面，設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)探頭，1個(gè)水平360°轉(zhuǎn)動(dòng)攝像頭，由遙測(cè)站采集流量數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將流量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至中心站處理并保存。用戶(hù)可通過(guò)遠(yuǎn)程連接到服務(wù)器查詢(xún)生態(tài)流量運(yùn)行情況。

(5)泄流閘門(mén)設(shè)置監(jiān)控儀。某些水電工程設(shè)計(jì)通過(guò)泄洪閘門(mén)下放生態(tài)流量，這種情況可以在泄洪閘門(mén)安裝閘門(mén)開(kāi)度儀，通過(guò)監(jiān)控閘門(mén)實(shí)時(shí)開(kāi)度和庫(kù)區(qū)水位，轉(zhuǎn)化為流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。閘門(mén)開(kāi)度測(cè)控儀是由絕對(duì)值型旋轉(zhuǎn)編碼器、自動(dòng)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(shù)字通信接口等部分組成，閘門(mén)運(yùn)動(dòng)通過(guò)耦合器帶動(dòng)傳感器旋轉(zhuǎn)，即可輸出與閘位相對(duì)應(yīng)的格雷碼編碼信號(hào)。閘門(mén)開(kāi)度儀實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)RS485總線傳輸給通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸終端。

(6)電站出力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。這種實(shí)時(shí)測(cè)流方式主要是用于一些采取基荷發(fā)電作為生態(tài)流量下放措施的水電工程。如北盤(pán)江董箐水電站，通過(guò)電站自身的發(fā)電調(diào)度系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，采集機(jī)組出力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為發(fā)電流量；在電站中控室設(shè)置一臺(tái)服務(wù)器作為數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過(guò)以太網(wǎng)總線從水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)和機(jī)組EMS系統(tǒng)取得24小時(shí)的實(shí)時(shí)生態(tài)流量數(shù)據(jù)?？蛻?hù)可以通過(guò)遠(yuǎn)程連接到服務(wù)器查詢(xún)生態(tài)流量運(yùn)行情況。以上幾種實(shí)時(shí)測(cè)流方式具體如表1所示。

表1 水電工程幾種實(shí)時(shí)測(cè)流方式比較

3 生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題

根據(jù)對(duì)近年來(lái)一些水電工程生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行情況的梳理，結(jié)合水電開(kāi)發(fā)生態(tài)保護(hù)與技術(shù)發(fā)展需要，目前生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)功能、監(jiān)測(cè)范圍、監(jiān)測(cè)結(jié)果響應(yīng)反饋、信息共享等方面還存在一定局限性。

3.1缺少統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)予以規(guī)范管理

生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、建造、設(shè)備、運(yùn)行等各方面目前都缺乏統(tǒng)一的技術(shù)管理標(biāo)準(zhǔn)，已建系統(tǒng)基本都是參照水利行業(yè)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，致使某些生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并不能完全反映生態(tài)流量實(shí)際下放的特點(diǎn)。如有些依托下游的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)站建設(shè)生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，水情測(cè)報(bào)站距大壩有一定距離，中間還有支溝匯入，其監(jiān)測(cè)結(jié)果并不能反映電站下放的實(shí)際生態(tài)流量。

3.2現(xiàn)有生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能單一

根據(jù)調(diào)查，現(xiàn)有的生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)較為單一，僅監(jiān)測(cè)流量一項(xiàng)指標(biāo)，而表征河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況通常涉及流量、流速、水位、水溫、總?cè)芙庑詺怏w等多因子，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能還不能完全滿(mǎn)足今后工作需求。

3.3監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)范圍局限于電站樞紐區(qū)

現(xiàn)有的生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)范圍基本局限在電站樞紐區(qū)，主要是針對(duì)生態(tài)流量泄水口或下游附近河道，缺乏流域梯級(jí)電站生態(tài)流量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，也缺乏針對(duì)下游水生態(tài)敏感區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.4實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成果響應(yīng)反饋機(jī)制有待完善

從水電工程目前的運(yùn)行管理現(xiàn)狀來(lái)看，生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成果還沒(méi)有納入電站運(yùn)行管理的決策因素當(dāng)中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)往往流于形式，監(jiān)測(cè)成果的預(yù)警、響應(yīng)反饋機(jī)制還有待完善，需要結(jié)合電站生態(tài)調(diào)度管理要求優(yōu)化電站運(yùn)行管理決策機(jī)制。

3.5監(jiān)測(cè)信息尚未有效共享并充分利用

建設(shè)生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要目的是通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析生態(tài)流量泄放措施的實(shí)際效果，以及對(duì)下游河道河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的保障程度，并據(jù)此對(duì)工程生態(tài)調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)化和完善。但實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)目前僅由建設(shè)單位掌握，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析利用還停留在初級(jí)階段，監(jiān)測(cè)信息還未能充分實(shí)現(xiàn)共享并有效利用。

4 生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)后續(xù)發(fā)展的建議

4.1加快制定行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2015年，國(guó)家能源局以“國(guó)能科技[2015]283號(hào)”[5]文件批準(zhǔn)開(kāi)展水電工程生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的編制。在編制過(guò)程中，從生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全過(guò)程考慮，將其升級(jí)為生態(tài)流量設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行管理的技術(shù)規(guī)范，從系統(tǒng)功能、監(jiān)測(cè)布點(diǎn)、測(cè)流方式、通信與數(shù)據(jù)處理、運(yùn)行管理等全過(guò)程規(guī)范技術(shù)要求。建議下階段加快制定《水電工程生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備基本技術(shù)條件》，規(guī)范監(jiān)測(cè)設(shè)備技術(shù)要求。

4.2實(shí)施多因子實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況是涵蓋流量、流速、水位、水溫、總?cè)芙庑詺怏w等多因子指標(biāo)的集合，后續(xù)工作需要統(tǒng)籌考慮流量、流速、水溫、總?cè)芙庑詺怏w等多因子聯(lián)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以科學(xué)評(píng)估水電開(kāi)發(fā)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的影響。

4.3構(gòu)建形成流域監(jiān)測(cè)體系

應(yīng)從整個(gè)流域水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)尺度構(gòu)建形成生態(tài)流量流域監(jiān)測(cè)體系，充分考慮局部和整體、上游和下游，以及與重要生態(tài)敏感區(qū)的關(guān)系，避免孤立、片面地看待生態(tài)流量監(jiān)測(cè)問(wèn)題，而是形成整個(gè)流域一盤(pán)棋，統(tǒng)籌規(guī)劃、科學(xué)實(shí)施。

4.4充分利用先進(jìn)技術(shù)手段

大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)、無(wú)線技術(shù)等是今后生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。應(yīng)充分利用當(dāng)今先進(jìn)信息技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量監(jiān)測(cè)信息廣泛互聯(lián)共享，構(gòu)建工程生態(tài)流量預(yù)警、反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)防范到主動(dòng)監(jiān)管的轉(zhuǎn)變。

4.5已建工程補(bǔ)設(shè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

我國(guó)已建有8萬(wàn)多座大壩，絕大部分建于新中國(guó)成立后至2000年前，工程建設(shè)時(shí)基本都沒(méi)有考慮下放生態(tài)流量。通過(guò)流域回顧性評(píng)價(jià)、項(xiàng)目后評(píng)價(jià)，解決老水電工程帶來(lái)的生態(tài)問(wèn)題，對(duì)已建工程補(bǔ)設(shè)生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，也是今后一項(xiàng)重要課題。

[1] 杜強(qiáng), 譚紅武. 生態(tài)流量保障與小機(jī)組泄放方式的現(xiàn)狀及問(wèn)題[J]. 中國(guó)水能及電氣化, 2012, 94(12): 1- 6.

[2] 王方亮. 淺議水電站建設(shè)下泄生態(tài)流量的管理[J]. 水電站設(shè)計(jì), 2013, 29(1): 79- 82.

[3] 孫顯春, 龔蘭強(qiáng). 馬馬崖一級(jí)水電站生態(tài)流量保證措施設(shè)計(jì)與研究[J]. 貴州水力發(fā)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(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)[J]. 信息技術(shù), 2012, 70(10): 35- 37.

[5] 國(guó)家能源局. 關(guān)于下達(dá)2015年能源領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制(修)訂計(jì)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(guó)柱(1962—)，男，江西大余人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樗娝_(kāi)發(fā)環(huán)境保護(hù)，E-mail：2779408129@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.06.002

X171.4

A

2095-6444(2017)06-0006-03