水电站生态流量测量方式优化技术研究与应用

一、引言

1.1 研究背景

近年来，我国水电装机容量已突破 3.8 亿千瓦，占全球水电总装机的30%以上。在水电开发过程中，生态流量下泄不足导致的河道脱水问题日益凸显。根据水利部 2023 年监测数据，全国约 12%的水电站存在生态流量不达标情况，主要源于测量技术落后和监管手段不足。水电开发在推动经济发展的同时，可能引发河流脱水、减水等生态问题。根据国内外研究，生态流量不足会导致水生生物栖息地丧失及下游用水矛盾。我国《水电站生态流量监督管理办法》明确要求电站安装在线监测系统，但现有技术存在精度低、稳定性差等缺陷。本文结合松林河公司技术改造实践，探讨雷达水位计与闸位计协同的优化方案，并引入数学模型提升流量计算准确性。

传统生态流量监测主要依赖超声波液位计与流速仪组合测量，其典型误差范围为±15%。国内外最新研究显示，雷达水位计配合闸位传感器的间接测量法可将误差控制在±5%以内，但相关实证研究仍较缺乏。

1.3 研究内容

本文系统阐述了大金坪、洪一水电站的技改实践，包括：雷达水位计选型与技术参数，流量计算模型优化、双通道数据传输方案、经济效益量化分析。

二、问题诊断与分

2.1 存在问题

大金坪、洪一水电站现生态流量监测点位分 坪湾坝闸首 2#泄洪闸闸后、洪一闸首 2#泄水闸后，三个点位均安装一套由超声波液位变 大金坪两坝、洪一闸首生态流量测报系统存在如下问题：一、原有断面超声波液 流量数值精度不够；二、超声波液位变送器测量功能欠佳，在测量流速快、 不稳定的数据影响生态下泄流量在线监测系统的达标率；三、 湾坝生态流 无法精准确认水位基数导致生态下泄流量数据波动大；四、超声波液位传感器故障率较高，维修更换增加运营成本

2.2 原有系统缺陷

通过对大金坪电站水情系统的全面检测，发现主要存在以下问题。

表 1：原有生态流量系统问题统计

2.3 关键技术瓶颈 测量原理局限：超声波在湍流条件下的回波丢失率高达 37%

设备防护不足：现有传感器 IP54 防护等级无法抵御暴雨工况

系统冗余缺失：单通道数据传输故障恢复时间超过 4 小时

三、技术改造方案

3.1 整体技术路线

采用"传感层-传输层-应用层"三层架构

1.[雷达水位计+闸位计] → [无线数传电台] → [云端监测平台]

3. [有线宽带] [4G 备用链路]

3.2 核心设备选型

选用 Milltronics RW3-25 雷达水位计，其主要技术参数如下：表2：雷达水位计性能参数对

3.3 流量计算模型优化

建立闸门出流动态计算公式：

Q=μ0⋅ b⋅ e⋅ 2g⋅ hQ=μ0​ ⋅ b⋅ e⋅ 2g⋅ h​

其中：

QQ：下泄流量（m³/s）

μ0μ0​ ：流量系数（取 0.6-0.176e/h）

bb：闸门宽度（常数）

ee：闸门开度（m）

hh：闸前水头（m）

3.4 水位和生态流量的关系

图一

大金坪生态流量要求为枯水期固定 2#泄洪冲沙闸开度为 4 通过上图曲线的出，在开度为 2m 以下时，曲线为直线，所有可用等比得出，当2#泄洪冲沙闸开度同为4cm 时。当洪坝库区水 12m 时 2#泄洪冲沙闸流量约为 4.048m³/s，1202m 时 2#泄洪冲沙闸流量约为2.656m³/s。洪坝生态流量泄放不得小于 2.33 泄放条件。 但是在 1212m 通过 2#泄洪冲沙闸泄放的生态流量要比低水位时多1.392m³/s，存在生态流量泄放高 .139m³/s，对应得出 1.392m³/s 的流量产生2.267WM 的电量，每一米对应的负荷约为 0.267W 。在不相同水位的情况下，相同闸门开度对应的流量不同，技改后可以实现不同水位时，调整闸门开度，既能满足生态流量要求，又可以提高水能利用率。

3.5 双通道传输设计

采用有线无线双冗余架构：

主通道：光纤专网，传输延迟<50ms

备用通道：F 系列数传电台，支持RS485/232 接口

关键技术创新点：

自动切换机制（故障检测时间<3s）

数据包校验重传机制

太阳能供电保障

四、实施效果分析

4.1 技术性能提升

改造前后关键指标对比：

表 3：系统性能对比数据

4.2 经济效益评估以大金坪电站为例（库区水位1212m）：生态流量调节精度提升后，每年可减少弃水损失约43 万 m³相当于增加发电量 22.3 万 kWh，直接经济效益约 8.9 万元/年设备维护成本降低 60%4.3 生态效益下泄流量达标率从 76%提升至99%河道生态恢复指数（REI）提高0.35五、结论与展望本研究证实：雷达水位计在高速水流条件下的稳定性优于超声波设备闸门开度参与流量计算可使模型精度提升62%双通道传输方案有效保障数据连续性未来研究方向：人工智能在异常数据识别中的应用生态流量动态调节算法优化5G 技术在远程监控中的集成

作者简介： 刘鹏翔（1989.3-），男，汉族，甘肃会宁，本科，工程师，主要研究方向：水电站运行管理。