綠色小水電生態(tài)流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)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(dòng)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(fā)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(píng)價(jià)是從環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和安全四個(gè)方面，對(duì)處于運(yùn)行階段的小水電站進(jìn)行評(píng)價(jià)。在我國(guó)水能資源中，小水電資源可開(kāi)發(fā)量高達(dá)1.28億kW，小水電資源開(kāi)發(fā)在提高我國(guó)農(nóng)村電氣化水平、改善農(nóng)民生產(chǎn)生活條件、保障應(yīng)急供電、溫室氣體減排、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等多方面有著積極的作用，促進(jìn)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，同時(shí)小水電工程對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)或多或少造成了一定程度的不利影響。為了降低小水電開(kāi)發(fā)的不利影響，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，新時(shí)期的小水電必須是與綠色、可持續(xù)發(fā)展理念相結(jié)合的“綠色小水電”。小水電開(kāi)發(fā)是否“綠色”，如何評(píng)價(jià)綠色小水電成為水資源管理的重要研究問(wèn)題[1]。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)小水電的評(píng)價(jià)機(jī)制建立比較早，瑞士和美國(guó)分別建立了綠色水電認(rèn)證和低影響水電認(rèn)證制度，從技術(shù)評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)激勵(lì)兩個(gè)方面促進(jìn)水電站業(yè)主降低不利影響和進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面進(jìn)行水電開(kāi)發(fā)可持續(xù)性的評(píng)估。國(guó)際經(jīng)驗(yàn)表明，開(kāi)展水電工程的環(huán)境認(rèn)證或可持續(xù)性評(píng)估，有助于水電開(kāi)發(fā)采取措施避免或減輕負(fù)面影響、提高綜合效益。

我國(guó)的小水電開(kāi)發(fā)與農(nóng)民利益密切相關(guān)，中央文件指出，在保護(hù)生態(tài)和農(nóng)民利益前提下，加快水能資源開(kāi)發(fā)利用，大力發(fā)展農(nóng)村水電。保護(hù)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)民利益將繼續(xù)成為未來(lái)一定時(shí)期我國(guó)水電行業(yè)需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。為了盡量降低水電工程對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響，對(duì)生態(tài)流量的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，提高生態(tài)需水的保障能力，是生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的重中之重[2]。生態(tài)環(huán)境保障需要多少流量，如何監(jiān)測(cè)生態(tài)流量這成為我們必須要面對(duì)的問(wèn)題。

2 生態(tài)流量

小水電一般是指小型水電站的簡(jiǎn)稱，國(guó)際上不同國(guó)家根據(jù)各自國(guó)情對(duì)小水電的裝機(jī)容量定義各異，在我國(guó)通常把裝機(jī)容量25000 kW及以下的水電站稱為小水電。《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》根據(jù)水功能的不同，首次將水劃分為水環(huán)境、水資源和水生態(tài)，并提出了相應(yīng)的保護(hù)對(duì)策，并首次提出了生態(tài)流量這一概念[3]。生態(tài)流量是指為維護(hù)生態(tài)環(huán)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(gè)方面來(lái)確定生態(tài)流量：保護(hù)水生生物棲息地的生態(tài)需水量；維持水體自凈能力的需水量；水面蒸發(fā)的生態(tài)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(tài)需水量等[4-5]。根據(jù)水利水電建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則和水資源供需預(yù)測(cè)分析技術(shù)規(guī)范要求確定河流的生態(tài)流量。

水電站可以分為2種方式，一種是無(wú)調(diào)節(jié)能力水電站，一種是有調(diào)節(jié)能力水電站。無(wú)調(diào)節(jié)能力電站對(duì)河流的流量基本無(wú)法控制，為過(guò)水式電站，上游來(lái)水和下游泄流水量一致，此種電站的生態(tài)流量就是河流本身的天然流量。對(duì)于有調(diào)節(jié)能力的水電站，就需要對(duì)電站的下泄流量進(jìn)行分析計(jì)算得出該電站的生態(tài)流量。

水電站下泄流量分為2個(gè)部分，一個(gè)是發(fā)電流量，一個(gè)是棄水流量，棄水流量一般發(fā)生在洪水期間，此時(shí)不需要考慮生態(tài)流量。發(fā)電流量計(jì)算如下：

式中：QT為水電站逐日發(fā)電流量；Wi為水電站第i臺(tái)機(jī)逐日發(fā)電量；Pe,i為水電站第i臺(tái)機(jī)額定出力，kW；ηe,i為水電站第i臺(tái)機(jī)發(fā)電機(jī)效率；Qe,i為水電站第臺(tái)機(jī)額定流量，m3/s；Qi為水電站第i臺(tái)機(jī)日均發(fā)電流量，m3/s；Hi為電站發(fā)電水頭；ηi為水電站第i臺(tái)機(jī)水輪機(jī)效率；H0為電站毛水頭；Ri為水電站第i臺(tái)機(jī)發(fā)電引水水頭損失系數(shù)。

對(duì)于不同類型的水電站，生態(tài)流量監(jiān)測(cè)需要確定生態(tài)流量有和無(wú)的問(wèn)題、多和少的問(wèn)題，可以通過(guò)不同的流量監(jiān)測(cè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)得數(shù)據(jù)來(lái)判斷是否符合生態(tài)流量最低要求，滿足河道衍生生態(tài)需求。

3 流量監(jiān)測(cè)

3.1 流量監(jiān)測(cè)方法

3.1.1 視頻監(jiān)測(cè)

對(duì)于無(wú)調(diào)節(jié)能力水電站，可使用視頻監(jiān)測(cè)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(jiān)控?cái)z像頭，電源系統(tǒng)采用交流供電，傳輸系統(tǒng)采用有線/光纖的方式傳輸。

3.1.2 水位監(jiān)測(cè)

對(duì)于流量監(jiān)測(cè)精度要求不高的電站，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)河道水位，利用水位流量關(guān)系曲線計(jì)算河道流量。水位監(jiān)測(cè)有多種方式，比較常見(jiàn)的是浮子水位計(jì)、壓力水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)、氣泡水位計(jì)等；由于新技術(shù)發(fā)展，也可以利用圖像處理技術(shù)，通過(guò)拍攝水尺圖像確定水位，這種方法可以結(jié)合視頻監(jiān)控方式獲取圖像信息。

3.1.3 流量監(jiān)測(cè)

對(duì)于流量監(jiān)測(cè)精度要求高的地方，可以直接監(jiān)測(cè)河道水流流速，利用流量模型計(jì)算得到河道的流量。比較常見(jiàn)的測(cè)流方式有水文纜道、差法流量計(jì)、水平式ADCP、坐底式ADCP、RQ30、SQ、DouVQ等[6]。通過(guò)對(duì)流量設(shè)備監(jiān)測(cè)分析研究，得到數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)流方式對(duì)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(guò)水位流量關(guān)系得到流量[7]。

3.2 流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

根據(jù)水電站性質(zhì)的不同，要求的不同，方式的不同，采用“一站一策”的方案，根據(jù)水電站具體情況選擇不同的流量監(jiān)測(cè)方法。流量監(jiān)測(cè)方法確定后根據(jù)選擇的流量監(jiān)測(cè)儀器，需要建設(shè)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠使得流量監(jiān)測(cè)自動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到無(wú)人看管，長(zhǎng)期可靠的性能，需要配合相關(guān)的輔助設(shè)施建設(shè)流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建設(shè)完成后可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，包括流量、水位、圖像等信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)送至監(jiān)管平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為6個(gè)部分，傳感器監(jiān)測(cè)河道水流信息，包括水位、流量、圖像、視頻等；數(shù)據(jù)采集終端采集傳感器信息；輔助設(shè)施保證設(shè)備正常運(yùn)行；電源系統(tǒng)為系統(tǒng)提供電源保障；傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并發(fā)布。

圖1 流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖

4 應(yīng)用

浙江華光潭水電站工程位于臨安區(qū)西部分水江干流昌化江上游的巨溪上，壩址距臨安區(qū)政府約73 km。工程分一級(jí)電站和二級(jí)電站。二級(jí)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(kù)容341萬(wàn)m3，電站裝機(jī)2.5萬(wàn)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(zhǎng)134 m，兩岸為非溢流段，非溢流段總長(zhǎng)79 m，其中左岸長(zhǎng)26 m，右岸長(zhǎng)53 m。工程以發(fā)電為主，裝機(jī)容量2×12.5 MW，水庫(kù)總庫(kù)容360 萬(wàn)m3，屬Ⅳ等工程，正常蓄水位227.7 m，多年平均發(fā)電量0.58億kW·h，年利用小時(shí)2346 h。發(fā)電引水系統(tǒng)布置在巨溪右岸，全長(zhǎng)5188 m，由進(jìn)水口、發(fā)電引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道組成。

華光潭水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)安裝野外遙測(cè)站點(diǎn)10 個(gè)，中心站1個(gè)，遙測(cè)站點(diǎn)涉及雨量站6個(gè)，水位站4個(gè)，軟硬件安裝完成進(jìn)入試運(yùn)行后，運(yùn)行情況良好。該系統(tǒng)運(yùn)行至今已有9個(gè)年頭，水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)仍能高效及時(shí)地運(yùn)行。特別是2020 年，系統(tǒng)經(jīng)歷了50天的超長(zhǎng)梅汛，連續(xù)陰雨天氣給系統(tǒng)的野外設(shè)施制造了很大運(yùn)行壓力，考驗(yàn)了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)加強(qiáng)了流域內(nèi)水文數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理的能力，縮短水文數(shù)據(jù)的匯集和預(yù)報(bào)調(diào)度作業(yè)所需時(shí)間，增加系統(tǒng)洪水預(yù)警預(yù)報(bào)的時(shí)效性，為電站綜合調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

圖2 華光潭水電站數(shù)據(jù)查詢發(fā)布綜合首頁(yè)

圖3 數(shù)據(jù)接收處理軟件

圖4 短信報(bào)警軟件

圖5 洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)

圖6 水務(wù)計(jì)算軟件

5 結(jié)論

根據(jù)不同電站需求，確定不同的流量監(jiān)測(cè)方式，建設(shè)生態(tài)流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將小水電的生態(tài)流量監(jiān)測(cè)作為綠色小水電的重要考核指標(biāo)，通過(guò)加強(qiáng)江河湖庫(kù)水量調(diào)度管理，維持河湖基本生態(tài)用水需求，重點(diǎn)保障枯水期生態(tài)基流，這對(duì)于扭轉(zhuǎn)我國(guó)“重污染防治和資源保護(hù)，輕生態(tài)保育”的不均衡局面具有重大意義。