陈国柱，杨杰，赵再兴

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081)

水电工程生态流量实时监测技术发展的思考

陈国柱，杨杰，赵再兴

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081)

水电工程造成的水文情势变化是影响河流生态环境的直接原因，需要合理确定所需生态流量并有效管控，建设生态流量实时监测系统是实现生态流量监控的重要措施。通过对国内目前已建水电工程生态流量实时监测系统的技术总结，识别生态流量实时监测目前存在的主要问题，从技术角度提出了未来生态流量实时监测技术的发展方向，为后续水电工程环境影响评价、环境保护设计、运行管理提供参考。

水电工程；生态流量；实时监测技术；发展

水电工程建设运行造成的水文情势变化是影响河流生态环境的直接原因，维持适宜的生态流量是减缓水电工程环境影响的重要措施。一方面，需要合理确定所需的生态流量；另一方面，需要切实落实并有效管控[1-4]。目前，国家、行业管理部门已明确下泄生态流量并建设实时监测系统作为水电开发的必备措施，且在近年来开工建设的一批水电工程中予以落实，但其监控方式、技术要求等尚未形成规范化、信息化管理，尚未充分发挥其应有的效果，这也将是未来水电环保技术发展的重要方向之一。

1 生态流量实时监测系统的建设需求

生态流量实时监测系统建设具有其必然需求，首先是满足环保部门监管的外部要求，其次也是优化电站运行管理、提高科学决策水平的内在需求。

1.1满足水电工程环境监管的必然要求

水电工程的首要开发任务是发电，而下放生态流量会直接影响到电站的发电效益。在当前仍然十分重视GDP绩效考核的制度下，如果建设单位环境意识和社会责任感差，即使工程建设有生态流量泄放措施，工程运行后可能存在不愿意泄放生态流量的情况。因此，必须建设下泄生态流量自动测报和远程传输系统，将生态流量泄放纳入工程环保监管体系，这也是贯彻落实当前建设项目事中事后环境保护监督管理的必然要求。

1.2优化水电工程运行管理的内在需求

近年来，在环保部门批准的水电工程环境影响评价文件中，都对工程运行以后生态流量“放多少、怎么放”提出了明确要求，从生态基流和下泄过程两个角度都有具体量化指标。但目前大多数水电工程生态流量泄放措施仅考虑了泄放能力的要求，在电站运行调度中，还需结合下游河道水量变化情况调控下泄流量；只有通过建设生态流量实时监测系统，获取生态流量实时监测数据，才能实现生态流量泄放措施的科学调度、有效运行。

1.3实现流量调控信息化管理的决策需求

信息化技术的快速发展为工程运行维护、环境管理提供了更加高效的手段，通过开展生态流量实时监测，将电站下游河道生态流量监测数据借力于当前快速发展的互联网、大数据、云平台等先进信息技术，可以实现生态流量调控的信息化管理，在此基础上构建河流生态需水技术保障体系，提高科学决策水平。

2 国内已采用的技术类型与特点

2005年以后我国批准建设的雅砻江锦屏二级、金沙江龙开口及鲁地拉、乌江沙沱、北盘江马马崖及董箐、黄河玛尔挡、大渡河枕头坝二级、木里河立洲等一些大中型水电工程在生态流量实时监测方面进行了积极尝试，积累了一定经验。总体来看，目前建设的生态流量实时监测系统主要涵盖以下几种类型。

(1)安装流量计监测流量。这种测流方式仅适用于生态流量专用泄放通道，其中较为典型的例证是锦屏二级水电站。通过在生态流量泄放洞进口工作闸门后安装2套流量计，共输出两路信号，一路通过8芯光缆和光电转换设备将生态流量数据传送至电站计算机监控系统的溢洪门控制单元，并通过电站计算机监控系统上传至成都电站集控中心；一路预留，实现实时传送数据、存储数据。

(2)建设水位自动观测站。这种测流方式是在坝下顺直河段建设水位自动观测站，建立断面水位—流量关系，通过实时测定断面水位数据转换为河道实时流量数据。其中较为典型的例子是金沙江龙开口、鲁地拉水电站。水位自动测量站连接电站远程监控系统，流量监测数据实时发送至电站远程集控中心，供电站运行管理单位记录、存档和环境保护行政主管部门监督。同时水位自动测量站具有数据存储功能，长期备份流量监测原始数据。水位采集可采用压力式、雷达式自动采集方式，通信方式一般为GSM数传模块或北斗卫星通信。

(3)采用多普勒流速仪测流。该方法测流原理是利用声波中的多普勒效应，通过一定方法测定河流的平均流速和过水面积来计算流量。通常是将多普勒流速测量传感器探头固定安装在水面下某一水深处，通过超声波传感器分别向对岸和水面发射超声波，根据反射回来的声波频率可计算河道平均流速和水位，并据此计算实时流量。这种技术在黄河玛尔挡水电站得到应用：在测流断面布设H-ADCP多普勒流速仪，同时利用走航式ADCP进行断面测量，确定H-ADCP系数；由软件实现原始数据在线采集、处理及入库。入库数据由GPRS 通信方式传输至电站中控室，通过GPRS通信方式传输数据，实现实时自动向电站中控室报送垂线流速、水位、流量等数据。

(4)非接触法远程测流。该方法是近年来发展的一种在线测流方式，测流原理是利用河道紊流产生的短波布拉格散射对表面流速进行遥感测定，当雷达传送非均匀流表面信号时，非均匀流表面的厘米波即反向散射体会导致多普勒频移的发生，监测仪对接收到的信号进行分析处理，计算流量。这种技术在木里河立洲水电站得到实际应用：通过在生态小机组尾水渠出口下游约1.2 km的立洲大桥上布设遥测站断面，设置3个监测探头，1个水平360°转动摄像头，由遥测站采集流量数据，并通过网络将流量数据实时传输至中心站处理并保存。用户可通过远程连接到服务器查询生态流量运行情况。

(5)泄流闸门设置监控仪。某些水电工程设计通过泄洪闸门下放生态流量，这种情况可以在泄洪闸门安装闸门开度仪，通过监控闸门实时开度和库区水位，转化为流量实时数据。闸门开度测控仪是由绝对值型旋转编码器、自动收缆装置或其他形式的耦合器、显示屏、控制器、传输电缆、RS485数字通信接口等部分组成，闸门运动通过耦合器带动传感器旋转，即可输出与闸位相对应的格雷码编码信号。闸门开度仪实时采集数据，通过RS485总线传输给通信网络数据传输终端。

(6)电站出力数据转化。这种实时测流方式主要是用于一些采取基荷发电作为生态流量下放措施的水电工程。如北盘江董箐水电站，通过电站自身的发电调度系统和监控系统，采集机组出力数据转换为发电流量；在电站中控室设置一台服务器作为数据服务器，通过以太网总线从水情测报系统和机组EMS系统取得24小时的实时生态流量数据。客户可以通过远程连接到服务器查询生态流量运行情况。以上几种实时测流方式具体如表1所示。

表1 水电工程几种实时测流方式比较

3 生态流量实时监测中存在的问题

根据对近年来一些水电工程生态流量实时监测系统建设、运行情况的梳理，结合水电开发生态保护与技术发展需要，目前生态流量实时监测在技术标准、系统功能、监测范围、监测结果响应反馈、信息共享等方面还存在一定局限性。

3.1缺少统一技术标准予以规范管理

生态流量实时监测系统在设计、建造、设备、运行等各方面目前都缺乏统一的技术管理标准，已建系统基本都是参照水利行业水情自动测报系统相关技术规范，致使某些生态流量实时监测系统并不能完全反映生态流量实际下放的特点。如有些依托下游的水情自动测报站建设生态流量实时监测系统，水情测报站距大坝有一定距离，中间还有支沟汇入，其监测结果并不能反映电站下放的实际生态流量。

3.2现有生态流量监测系统功能单一

根据调查，现有的生态流量实时监测系统功能设计较为单一，仅监测流量一项指标，而表征河流生态系统健康状况通常涉及流量、流速、水位、水温、总溶解性气体等多因子，现有监测系统功能还不能完全满足今后工作需求。

3.3监测系统服务范围局限于电站枢纽区

现有的生态流量监测系统服务范围基本局限在电站枢纽区，主要是针对生态流量泄水口或下游附近河道，缺乏流域梯级电站生态流量系统监测，也缺乏针对下游水生态敏感区域的实时监测。

3.4实时监测成果响应反馈机制有待完善

从水电工程目前的运行管理现状来看，生态流量实时监测成果还没有纳入电站运行管理的决策因素当中，监测数据往往流于形式，监测成果的预警、响应反馈机制还有待完善，需要结合电站生态调度管理要求优化电站运行管理决策机制。

3.5监测信息尚未有效共享并充分利用

建设生态流量实时监测系统的主要目的是通过监测数据，分析生态流量泄放措施的实际效果，以及对下游河道河流生态系统健康状况的保障程度，并据此对工程生态调度方案进行优化和完善。但实际监测数据目前仅由建设单位掌握，对监测数据的分析利用还停留在初级阶段，监测信息还未能充分实现共享并有效利用。

4 生态流量实时监测技术后续发展的建议

4.1加快制定行业技术标准

2015年，国家能源局以“国能科技[2015]283号”[5]文件批准开展水电工程生态流量实时监测系统设计规范的编制。在编制过程中，从生态流量实时监测系统全过程考虑，将其升级为生态流量设计、建造和运行管理的技术规范，从系统功能、监测布点、测流方式、通信与数据处理、运行管理等全过程规范技术要求。建议下阶段加快制定《水电工程生态流量实时监测设备基本技术条件》，规范监测设备技术要求。

4.2实施多因子实时监测

河流生态系统健康状况是涵盖流量、流速、水位、水温、总溶解性气体等多因子指标的集合，后续工作需要统筹考虑流量、流速、水温、总溶解性气体等多因子联合实时监测，以科学评估水电开发对河流生态系统健康状况的影响。

4.3构建形成流域监测体系

应从整个流域水电梯级开发尺度构建形成生态流量流域监测体系，充分考虑局部和整体、上游和下游，以及与重要生态敏感区的关系，避免孤立、片面地看待生态流量监测问题，而是形成整个流域一盘棋，统筹规划、科学实施。

4.4充分利用先进技术手段

大数据、互联网、云技术、无线技术等是今后生态流量实时监测技术的发展方向。应充分利用当今先进信息技术手段，实现生态流量监测信息广泛互联共享，构建工程生态流量预警、反馈机制，实现从被动防范到主动监管的转变。

4.5已建工程补设实时监测系统

我国已建有8万多座大坝，绝大部分建于新中国成立后至2000年前，工程建设时基本都没有考虑下放生态流量。通过流域回顾性评价、项目后评价，解决老水电工程带来的生态问题，对已建工程补设生态流量实时监测系统，也是今后一项重要课题。

[1] 杜强, 谭红武. 生态流量保障与小机组泄放方式的现状及问题[J]. 中国水能及电气化, 2012, 94(12): 1- 6.

[2] 王方亮. 浅议水电站建设下泄生态流量的管理[J]. 水电站设计, 2013, 29(1): 79- 82.

[3] 孙显春, 龚兰强. 马马崖一级水电站生态流量保证措施设计与研究[J]. 贵州水力发电, 2012, 26(2): 38- 41.

[4] 罗建平, 周杰. 浅议水电站最小下泄流量在线监控系统建设[J]. 信息技术, 2012, 70(10): 35- 37.

[5] 国家能源局. 关于下达2015年能源领域行业标准制(修)订计划的通知[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

陈国柱(1962—)，男，江西大余人，教授级高级工程师，主要研究方向为水电水利开发环境保护，E-mail：2779408129@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.06.002

X171.4

A

2095-6444(2017)06-0006-03