丰满大坝鱼道水情监测系统的应用

牛智星，姜红梅，董家贤，陈与非，夏 翔

(1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210000；2.江苏省水文水资源勘测局南京分局，江苏 南京 210000；3.云南省水文水资源局普洱分局,云南 普洱 665000)

丰满水电站建于1937年，作为松花江流域大型发电站之一，是吉林省主要的电力供应来源[1]。随着可持续发展思想不断深入，丰满水电站在老坝基础上建造新坝时，在坝体周围增加了鱼道，保证了鱼类原始生活习性，防止上下游的鱼类形成基因隔离。

水情监测系统是一种使用现代科技对水情数据进行采集与处理的技术，使用自动化手段代替人工监测，将数据实时传输到接收平台[2]。国外于20世纪60年代开始建立水情监测系统，1976年美国的SM公司与气象局合作开发研制了一套水情自动监测设备，这是当时具有代表性的水情监测设备[3]。1986年，日本建成了世界上最大的水情遥测数据采集系统，系统采用GMS卫星通信，能覆盖全国范围[4]。我国水情监测技术探索较晚，在20世纪80年代开始引进吸收国外技术，最早由水利部水利水文自动化研究所引入SM公司产品同时进行国产化改良。从90年代开始我国大力发展水情监测技术，并取得了一定进步，国内生产的产品逐步跟上国外同期水平，2002年国电自动化研究院研制出了低功耗小型ACS300数据采集器，保证了高温与低温环境下系统的正常工作[5]。

鱼道水情监测系统是将传感器技术、通信技术、计算机网络技术等结合起来，实现对鱼道中水位、温度、流速、流量等数据采集、存储、传输的一种手段[6]。国内鱼道建设已经开始多年，但鱼道内鱼类过鱼监测效果并不理想。近年来，为了规范鱼道设计，国家明确提出了一些要求并制定了相关设计导则，其中如水位、流速、流量以及上下游水位等水情要素都成为必要的监测内容[7]。为给鱼道过鱼监测提供丰富的数据支持，提高鱼道过鱼效果评估价值，研究并设计一套合适的鱼道水情监测系统十分必要[8- 9]。

1 系统设计

鱼道水情监测要求在典型断面安装设备，监测水温、流速、流量、水位信息，为鱼道中的过鱼监测提供可分析的基本数据，以便实现过鱼情况的综合分析[10- 11]。根据需求可知，整个系统包含传感器数据采集部分、数据传输部分以及上位机数据接收平台部分。

1.1 系统总体结构

鱼道水情监测系统包括硬件与软件两大部分。硬件主要是各种传感器以及数据传输模块，软件是上位机数据接收部分。硬件部分的铅鱼式超声多普勒流量计负责采集鱼道中流速、流量与水位数据，非接触式雷达流速仪负责闸口水面流速数据的采集，超弱光纤光栅温度监测仪负责实时监控坝上坝下水温分层特征，由于丰满大坝要求数据传输方式必须为有线传输，各传感器在采集存储数据后需经过光纤调制解调器把传感器中的数据通过光纤传输到上位机数据接收软件。为了方便将鱼道中的水情数据统一在上位机平台展示，本系统还包括了接收软件，系统总体结构如图1所示。

图1 水情监测系统总体结构图

1.2 上位机接收软件

鱼道水情信息是鱼道过鱼监测重要的数据基础，丰满大坝鱼道水情监测系统除了水位、流速、流量以及温度传感器外，还包括上位机软件接收平台。上位机软件接收平台主要采用多线程与异步调用思想编写，在多通道采集、报文接收、报文解析和数据存储中都采用这两种方式。用户可根据需求在应用中创建其它线程，多个线程并发地运行于同一个进程中，并行处理的思想规避了单一任务长期占用CPU资源情况，提高了资源使用率。软件系统使用C/S构架，使用.NET平台C#语言编写，交互性强且利于处理大量数据，具体功能主要分为以下几点：

(1)测站信息管理：对站点的站码、站名、测站类型、报文格式、模块卡号等进行管理。

(2)传感器参数管理：对测站所包含的传感器参数和基值、计算系数、上下限、水位获取流量等进行管理。

(3)历史数据查看：包括了历史报文查看和各传感器历史数据查看。

(4)远程数据下载：通过GPRS网络远程对设备下指令，下载设备中存储的参数历史数据。

(5)水位流量曲线：可以按格式导入或填入表格并导入数据库，供水位查找流量使用。

(6)系统管理：包括用户登录权限、数据库配置、接收信道配置。

软件系统的整体架构如图2所示。

图2 接收软件架构框图

2 现场应用

本系统在吉林省丰满大坝已经安装完毕。丰满大坝位于我国东北地区，冬季室外温度过低，鱼道结冰问题不可避免，为保护设备长期运行，在此期间需拆除与水有接触的设备。因此，设备在装置时采用螺栓与螺母连接固定方式，设计可拆卸钢架，将钢架用膨胀螺丝固定，方便安装与拆卸，电缆线接口处采用封闭连接工艺，整线都有屏蔽工艺，避免外部干扰影响数据通信。铅鱼式多普勒流量计安装效果如图3所示。

图3 铅鱼式多普勒流量计安装图

非接触式雷达流速仪由于不与水面直接接触，无需在结冰期拆卸，本处雷达流速仪是用于鱼道中闸口流速监测，在混凝土墙面采用膨胀螺丝固定支架，支架整体分为两段式旋转调节设计，主臂可在垂直方向上下调节，支臂可在水平方向左右调节，该雷达流速仪工作的垂直角范围为30°至70°，波束宽度为12°，因此现场需测量流速仪与闸口的水平距离以及离水位的垂直距离，保证其垂直角在工作范围内。非接触式雷达流速仪现场安装如图4所示。

图4 雷达流速仪安装图

在鱼道的上下游，安装了温度链测量水温分层特征。由于水的良导热性，受不同、气压以及流速影响，水温随深度变化幅度较小，十分考验传统温度传感器的精度。在实际应用中，传统水温梯度测量法需将高精度电子温度计固定在牵引绳上，通过提升牵引绳，来测量不同位置温度信息，构建深度-温度曲线，实时性差且不易操作。本处采用超弱光纤光栅温度传感器阵列技术，通过波分与时分复用提高空间分辨率，同时具备更快的响应速度。

3 数据对比分析

为了验证丰满大坝鱼道水情监测系统的运行效果，使用便携式多普勒流速仪测量数据作对比分析。以五月某天数据为例，将本系统的流速仪所测流速数据与便携式流速仪所测数据做对比，发现二者差值在一定范围内，如图5所示。同样采用人工水尺的方式测量鱼道水位，将所测水位与本系统水位数据进行对比，二者差值也在一定范围内，如图6所示。

图5 流量数据对比图

图6 水位数据对比图

4 结语

丰满大坝鱼道水情监测系统安装后，完成了对鱼道内水位、温度、流速、流量数据的实时采集、存储以及传输工作。系统由硬件与软件两部分组成，传感器所测数据通过光纤传输给软件接收平台，根据手持式传感器和人工水尺测得数据进行对比，证明了本系统得到的数据可靠性高，能够满足如《水利水电工程鱼道设计导则》中“鱼道观测内容主要包括鱼道流速、水位、流量、温度、过鱼数量、规格、种类等。”的要求，为今后鱼道水情监测系统的设计提供思路。但本系统流量计所选类型带有长封闭线缆，在冬季冰期拆卸工作复杂，后面可采用无线式时差法流量计进行升级代替。