王世玉，宋海峰，陈正平，罗招贵

[1.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆乌鲁木齐 830000；2.国网新源控股有限公司回龙分公司，河南省南阳市 473000；3.南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，江苏省南京市 211106]

0 引言

为了利用丰富的水资源，修建拦水坝等水利工程改变了河流的自然形态，使生活其中的鱼类生存所需的生态环境条件、水文情势发生变化，最终对鱼类资源产生影响，如水中鱼类的迁移洄游。为了保护天然渔业资源、保障水生生态系统的连续性和多样性，需要在修建有拦河坝等水利工程的地方修建生态补偿工程[1]。2015年，由国家能源局颁布的《水电工程过鱼设施设计规范》（NB/T 35054—2015）中将生态补偿工程（过鱼设施）划分为仿自然通道、鱼闸、集运鱼系统及鱼道4类，其中以鱼道工程最为常见。鱼道是一种呈连续阶梯状的水槽式构筑物，主要形式包括池式鱼道、槽式鱼道和其他特殊形态的鱼道。

国内鱼道工程的建设开始时间较早，但鱼道工程对于鱼类洄游效果如何以前尚没有可靠的监测手段[2]，近年来随着国家对生态环境越来越重视，国家对鱼道工程运行情况的监测提出了明确要求，如《水利水电工程鱼道设计导则》（SL 609—2013）中要求：“鱼道应在适当位置设置观察室，或图像监控设施。”同时明确“鱼道观测内容主要包括鱼道流速、水深、流量，上、下游水位，过鱼数量、规格、种类等，在特殊水位组合情况下，可通过对鱼道进、出口闸门进行联合控制，降低鱼道内流速，满足过鱼要求。” 在《水电工程过鱼设施设计规范》（NB/T 35054—2015）中要求：“过鱼设施应布置观测室，在观测室中应布置观测窗，可配备摄像机、鱼探仪、计数器、显示器等必要的观测和记录设备。观测设备应能自动进行昼夜连续观测，适应不同的气候条件，识别不同鱼类种类和大小。记录设备应能记录过鱼时间，统计过鱼数量，并存储过鱼过程的影像。过鱼设施运行期应开展过鱼效果的观测、记录和统计分析，并对设施的运行状态进行评估。过鱼设施运行管理单位应建立完善的观测评估资料档案管理制度，定期对过鱼设施的运行效果进行评估，并报上级部门和环境保护行政主管部门等。”

目前鱼道过鱼情况监测主要采用国外进口产品，对于不同鱼道工程适应性调整比较困难，给鱼道过鱼监测的全面推广带来一定困难，为此研制一套适合国内鱼道工程特点、具有灵活配置性的鱼道监测装置很有必要。

1 功能设计

在鱼道典型断面设置监测装置，监测水位、水温、流速等信息采集为鱼类洄游习性分析提供原始数据；监测通过断面鱼的数量、长度及实时图像[3]，为过鱼情况的统计分析提供依据，主要功能设计如下：

（1）多参数监测。鱼道过鱼监测除了监视过鱼情况外，还能监测水温、流速等环境状态，以便最终实现过鱼情况综合分析。

（2）观测装置自动清洗。根据国内已建鱼道类似过鱼监测系统应用情况，由于河道水质一般比较浑浊，特别在汛期，装置在水中长时间运行后，装置表面附着大量污垢，影响观测效果，需人工定期清理去污，因此，系统设计了自动清洗功能，以提高观测效果、降低装置运行维护工作量。

（3）综合监控与分析。对鱼道闸门、水位、水温、流速、视频、过鱼计数等各类数据进行综合监控和分析，实现统一监视、联动与统计分析。

2 系统设计

根据上述功能设计，需要设计研究一套监测系统，实现鱼道过鱼观测和观测统计分析与展示[4]，系统主要包括观鱼监测装置与过鱼监测分析软件两部分。

2.1 系统总体结构

鱼道过鱼监测系统主要包括现地观测装置及过鱼监测分析软件两部分。过鱼观测装置主要实现过鱼计数及过鱼视频记录。过鱼监测分析软件主要实现过鱼数据、图像采集、存储、统计分析及展示与查询。过鱼观测装置安装在鱼道内，过鱼监测分析软件部署在监控室服务器或工作站上。观测装置与监控室服务器之间通过光纤或网络线进行连接，以保证计数数据及视频数据的可靠传输。为防止因网络中断等原因导致观测数据、图像丢失，系统采用了分布部署方式，即在监测装置附近和监控室均部署监测系统软件。考虑到现场工况较差，现场采用工控机，在监控室配置服务器或工作站，正常情况下两个地方均进行数据采集与展示，当网络中断或其他原因，监控室软件系统无法工作时，现地工控机进行采集与存储待网络恢复后，将数据自动同步至监控室监测系统。系统网络结构图如图1所示。

2.2 观测装置通用功能设计

根据观测需求，过鱼监测主要包括过鱼计数与视频采集。水下过鱼计数拟采用红外光栅方式，并进行密封处理，视频采用水下摄像头，防护等级按IP68进行设计处理。现地观测装置由扫描单元和摄像单元组成，主要包含光栅组件、光栅清洁部件、水下相机部件、温度传感器等设备，系统结构需保证各测量设备的安装位置符合要求，并考虑整体结构简洁紧凑、布局合理、安装和维护方便等要素（见图2）。

图1 鱼道过鱼监测系统总体结构图Figure 1 Overall structure chart of fish monitoring system

扫描单元包括两对光栅组件，主要负责过鱼计数、过鱼长度及游速测量、过鱼轮廓形体数据采集；摄像单元包括水下摄像机、闪光灯及水温传感器，主要负责过鱼视频录像及水温测量。

现地观测装置的核心是控制单元。控制单元采用高集成、模块化设计，主控单元除包含控制处理功能外，还配置有3路RS232、1路RS485、1个以太网接口、6路DI输入以及4路DO输出接口，模拟量输入作为单独模块设计、配置。红外光栅通过RS232接入控制单元，其他温度、流速、水位等通过4～20mA接入控制器，实现水温测量、流速测量以及水质监测等数据采集及环境监测功能（见图3）。

2.3 观测装置提升功能设计

鱼道过鱼现地观测装置长期放置在水下，根据已建鱼道工程类似观测装置的应用情况，大部分装置均存在摄像头、扫描光栅在水下使用一段时间后，容易被污物覆盖，影响计数及图像采集，需要定期进行水下人工清洗或拆除清洗，维护不便、工作量大。为了防止鱼道水质浑浊导致观测设备需频繁定期清洗的问题，本套装置在设计时为水下高清摄像机及扫描单元配备了自动清洗装置，通过软件控制能定时完成自动清洗工作，以提高装置的稳定性和可用性，降低后期的维护工作量。

图2 现地观测装置原理设计图Figure 2 Schematic diagram of in-situ observation device

在扫描单元、和摄像机单元均配置清洁电机及清洁刷，并与控制单元连接，可以定时自启动清洁，也可以在监测软件上远程操作启动清洁。自动清洗装置原理图如图4所示。

2.4 监测软件设计

鱼道监测系统既要考虑实时数据采集的快速性，又要考虑统计数据查询的便捷性，因此软件采用C/S与B/S相结合的方式，前端软件采用C/S架构，主要实现红外计数、视频图像及水温等环境数据的实时、快速采集及基本的界面显示与查询。后端采用B/S架构，实现工程各鱼道装置数据的汇总、统计分析与综合展示查询[5]，相关管理人员通过浏览器即可查询相关统计数据。同时B/S软件还支持鱼类选择设置输入接口，便于过鱼种类的统计分析。软件逻辑框架图如图5所示。

3 现场应用

本系统选择在新疆某水利枢纽工程进行试验应用。该项目现场地处新疆荒漠地区，夏天户外最高温能达到摄氏40℃；冬天鱼道会结冰，为非过鱼期，鱼道内观测装置需拆除，因此装置应方便白拆卸和安装。为此，装置在设计时，扫描单元和摄像单元通过螺栓和螺母连接，水下部分通过膨胀螺栓固定在水泥地面上，现地观测装置与控制单元之间采用航空插头连接，方便安装拆卸。

图3 环境数据采集示意图Figure 3 Environmental data collect

图4 自动清洗装置原理图Figure 4 Schematic diagram of automatic cleaning device

图5 软件逻辑框架图Figure 5 Software logic framework diagram

根据项目现场环境及运行特点，考虑到在冬季气温极低条件下鱼道结冰分布情况，以及尽量减少鱼道沿岸垃圾造成的堵塞影响，最终选定现地观测装置安装于鱼道上游休息池、靠近鱼道出口闸门处。对应控制箱安装于鱼道出口闸门控制室内，通过光缆接入管理处信息内网，实现远程在线观测。

为了引导鱼类通过现地观测装置洄游[6]装置进行过鱼计数，在现地观测装置前端加装一套不锈钢格栅，格栅缝隙约3cm，不妨碍水流及小鱼通过。

现地监测装置安装施工实景图如图6所示。

图6 现地观测装置安装实景图Figure 6 Install pictures of in-situ observation device

4 结束语

本过鱼监测装置系统在现场安装后，实现了过鱼的计数及过鱼过程的视频记录，并根据现场安装调试及试运行过程中的运行情况，对系统进行多次改进设计，目前已完成软、硬件的优化完善，对系统的稳定性及自动清洁等提升功能进行进一步完善。该系统将能更好地满足鱼道工程现场过鱼监测与统计分析，下一步将在软件方面进行进一步的整合，实现鱼道闸门、视频系统数据的整合，实现对鱼道各类信息的融合及进行统一的展示与统计分析，为鱼道过鱼效果进行全面的评价提供技术支撑。