大中型水庫庫容測量與庫容計(jì)算

作者簡介：汪鶴衛(wèi) 男 工程師

【摘要】 水庫庫容是水庫調(diào)度的重要參數(shù)，其精度直接到水庫的防洪安全與蓄水興利。本文介紹了大中型水庫容測量與庫容計(jì)算的方法，論述了水庫庫容測量合理測圖比例尺的選取、具體作業(yè)方法；采用ArcGIS建立數(shù)字高程模型方式，利用Python腳本文件建立循環(huán)，更加快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)分層庫容自動(dòng)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。文中給出了Python腳本文件建立循環(huán)的實(shí)例，對大中型水庫庫容測量及庫容計(jì)算有較好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞 庫容測量 庫容計(jì)算 數(shù)字高程模型 ArcGIS Python

中圖分類號(hào)：TV697文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1 概述

大中型水庫在防洪、灌溉、發(fā)電和水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面多發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，而且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，它將發(fā)揮著越來越重要的作用。水庫庫容作為當(dāng)今水利工程施工建設(shè)和運(yùn)行管理中不可忽略的重要參數(shù)之一，它是確定裝機(jī)容量、工程施工量、泄洪量以及水利功能的重要指導(dǎo)依據(jù)。在目前的工程項(xiàng)目中，庫容計(jì)算結(jié)果的精確度、可靠度的提高是水利工程事業(yè)發(fā)展的重要指導(dǎo)，更是對水利工程、水庫運(yùn)行管理決策與整合的技術(shù)指導(dǎo)。尤其是在近年來，隨著水利事業(yè)的興起和水利功能的發(fā)揮，水庫容量的重要性日漸突出，已成為衡量大壩安全、提高水庫社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的主要方法。水庫在長期運(yùn)行過程中，受地表徑流、洪水以及自然變化和人為活動(dòng)影響，庫區(qū)現(xiàn)狀的地形、地貌和庫容勢必發(fā)生變化，為了保證水庫的安全運(yùn)行和最大程度地發(fā)揮綜合效益，定期對庫容進(jìn)行測量和計(jì)算，以了解水庫淤積情況和水庫實(shí)際有效庫容，已成為當(dāng)今水庫工程中最受重視和關(guān)注的問題之一。

2 庫容測量測圖比例尺選取

2.1 測圖比例尺的選取

大中型水庫一般多建設(shè)在山區(qū)，庫區(qū)的地形主要有河谷和山坡為主。庫區(qū)地形測圖比例尺的選取，不但關(guān)系著庫容測量和計(jì)算的精度，而且關(guān)系著外業(yè)工作量和直接生產(chǎn)成本。因此，合理的測圖比例尺的選取對庫容測量具有重要意義。根據(jù)本單位幾十年水庫測量經(jīng)驗(yàn)，水庫在正常蓄水運(yùn)行十年后，庫區(qū)地形橫斷面近似為“U”字型，且非汛期興利庫容最高蓄水位以上部分地形較陡，平面投影面積較小，庫區(qū)地形淤積變化主要發(fā)生在死水庫容以下部分以及原河床部位。因此，庫容測量的重點(diǎn)在正常蓄水位以下部分，通常大中型水庫測量測圖比例尺為1：5000和1：10000，根據(jù)多年的資料進(jìn)行庫容計(jì)算分析對比，1：10000測圖比例過小，1：5000測圖通過適當(dāng)加密水下測點(diǎn)密度可以確保庫容計(jì)算精度。測圖比例尺過大對提高庫容精度沒有明顯提高，且會(huì)大大提高生產(chǎn)成本和外業(yè)工作量。建議選取測圖比例為1：5000為宜。

2.2 基本等高距的選擇

水庫庫區(qū)地形圖的基本等高距，應(yīng)根據(jù)水庫庫區(qū)地形特征及滿足設(shè)計(jì)精度的要求來確定。一般來說，庫區(qū)底部比較平緩，兩側(cè)山坡高度變化較大，同時(shí)為了提高庫容計(jì)算精度，基本等高局應(yīng)為1m，如庫區(qū)高差變化較小基本等高距可定位0.5m。

3 庫區(qū)數(shù)字地形測圖測量

3.1 控制測量

庫區(qū)水面以上地勢較陡，植被茂密，難以架設(shè)儀器，采用傳統(tǒng)的控制測量方法難以開展。采用GPS布設(shè)控制網(wǎng)不但可以提高精度，而且可以大大提高工作效率。以我單位近期施測的梅山水庫為例，我們在省測繪局購買了4個(gè)平高控制點(diǎn)（平面為C級(jí)以上，高程Ⅵ以上）作為起算點(diǎn)，在庫區(qū)布設(shè)了20個(gè)D級(jí)GPS點(diǎn)，采用高程擬合解算控制點(diǎn)平面位置和高程。

為了確保高程精度，采用四等水準(zhǔn)聯(lián)測了5個(gè)控制點(diǎn)的高程，其余15個(gè)控制點(diǎn)采用AHCORS客戶端采集了三維坐標(biāo)并送安徽CORS中心換算了高程，與擬合高程進(jìn)行了對比，聯(lián)測點(diǎn)高程誤差均在3cm以內(nèi)，CORS客戶端點(diǎn)誤差均小于5cm。利用D級(jí)GPS網(wǎng)平差前后數(shù)據(jù)解算庫區(qū)的七差數(shù)用于地形圖測繪，控制校核精度均小于7cm。

3.2 地形數(shù)據(jù)采集

要想得到比較準(zhǔn)確的庫容數(shù)據(jù)，地形數(shù)據(jù)采集的方法是關(guān)鍵。特別是特征部位的數(shù)據(jù)采集決定了DEM模型的質(zhì)量。庫區(qū)地形橫斷面圖主要為下圖形式：

水面

圖1 庫區(qū)地形橫斷面圖

庫區(qū)水面以下地形數(shù)據(jù)采集適合采用橫斷面法觀測。應(yīng)在原有測圖上合理設(shè)計(jì)航線利用 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)以實(shí)時(shí)差分或CORS客戶端進(jìn)行測點(diǎn)平面位置定位，水深采用超聲波測深儀進(jìn)行測量。測量中，測深與平面定位應(yīng)同時(shí)同位進(jìn)行，以消除滯后誤差，在斷面形狀變換處應(yīng)特別注意加密了測點(diǎn)，真實(shí)地反映地形變化的實(shí)際情況。

由于庫區(qū)平面形態(tài)比較復(fù)雜，水面以下地形數(shù)據(jù)采用橫斷面法還難以真實(shí)反映庫區(qū)地形平面凹凸變化情況。因此，應(yīng)順施測時(shí)水位淹沒線布設(shè)2～3條縱向航線，這樣能夠比較完整地反映庫區(qū)水面以下地形情況。

水邊

庫區(qū)

圖2 庫區(qū)平面形態(tài)圖

庫區(qū)水面以上地形采用CORS客戶端或GPS RTK法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集比較方便快捷。但是，由于庫區(qū)植被比較茂密，有時(shí)GPS難以固定，應(yīng)輔以全站儀進(jìn)行局部補(bǔ)充測量。如遇斜坡、陡坎、石崖等地形，在坎上、坎下成對測點(diǎn)，以保證等高線生成的精度。

有條件的情況下，庫區(qū)水面以下采用多波速測聲系統(tǒng)進(jìn)行水下地形掃測，將獲得更加完整的面狀DEM數(shù)據(jù)，能夠大大提高庫容計(jì)算的精度。

3.3 繪制數(shù)字地形圖

將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)采用專用成圖軟件（如CASS）進(jìn)行展點(diǎn)，繪制地物、地貌，建立三角網(wǎng)DEM，由軟件自動(dòng)繪制等高線。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際地形和地貌變化情況，對自動(dòng)生成的等高線進(jìn)行合理編輯、修改。為了提高庫容計(jì)算精度，在出圖之前生成的等高線盡量不要修剪，即使遇到斜坡、陡坎、石崖、房屋、建筑物等地形、地物也要使等高線均勻穿越，這樣可以提高ArcGIS中建模的精度和合理性。

4 水庫庫容計(jì)算

4.1 傳統(tǒng)計(jì)算方法

傳統(tǒng)庫容計(jì)算主要采用等高線的臺(tái)錐體公式和斷面測量法。等高線法計(jì)算時(shí)是假定兩等高線之間體積變化是線形性，對于兩高程之間的地形起伏無法精確反映，特別對地勢較為平坦地區(qū)，計(jì)算結(jié)果誤差較大。要提高計(jì)算精確度就必須加密等高線，這將大大增加成圖的難度。

斷面法庫容計(jì)算主要是在庫區(qū)設(shè)定相互平行的斷面，要求斷面間的地形變化較為均勻，呈現(xiàn)線性，而且計(jì)算時(shí)針對不同高程的庫容計(jì)算極其繁鎖。當(dāng)庫區(qū)地形復(fù)雜，庫區(qū)支流縱多時(shí)，計(jì)算精度將難以保證。

4.2編輯構(gòu)建高程模型數(shù)據(jù)

ArcMap下的3D Analyst工具能滿足地形建模的需要，數(shù)字高程模型構(gòu)建的效率很高，但構(gòu)建時(shí)為全自動(dòng)。目前的成圖軟件大多是基于AutoCAD平臺(tái)下開發(fā)的，ArcMap下能夠加載AutoCAD圖形和數(shù)據(jù)。因此，只要將編輯好的庫區(qū)數(shù)字地形圖，按圖層將等高線和高程點(diǎn)輸出，導(dǎo)入ArcMap中就能建立數(shù)字高程模型。

4.3 建立數(shù)字高程模型

將等高線和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcMap中，并導(dǎo)出生成“*.Shp”文件，利用3D Analyst工具中的創(chuàng)建TIN工具將“*.Shp”文件創(chuàng)建TIN文件。TIN文件為由三角網(wǎng)構(gòu)成的數(shù)值高程模型，根據(jù)實(shí)際情況對三角網(wǎng)進(jìn)行修改，使數(shù)字高程模型更加合理。為了進(jìn)一步精化模型，可以將TIN文件轉(zhuǎn)化成柵格高程數(shù)字模型，柵格大小可以任意設(shè)置。

4.4 庫容計(jì)算

采用3D Analyst工具中功能性表面模塊中的表面體積工具，利用TIN文件或柵格高程數(shù)字模型可以快速地計(jì)算出你所需要對應(yīng)水位或高程的水庫庫容，輸出內(nèi)容包括對應(yīng)水位或高程的水面面積、水面以下的曲面面積和水體體積。

但是庫容計(jì)算往往要求計(jì)算不同水位的庫容，防汛調(diào)度上更是要求每0.01m的分層庫容，這樣一個(gè)一個(gè)的計(jì)算很麻煩，不但時(shí)間長且容易出錯(cuò)。利用腳本文件能很容易地解決這個(gè)問題。

4.5 Python腳本文件建立循環(huán)

ArcGIS中的許多任務(wù)多可以通過腳本程序模型輔助完成。Python腳本文件的主要目的是使枯燥的數(shù)據(jù)處理工作自動(dòng)化，通過邏輯來指揮處理過程。你所能用的ArcToolbox或Model中使用的工具都能夠用在Python腳本中，這些腳本可以生成腳本工具，像其他地理處理工具一樣使用。

下面就是一個(gè)編寫腳本文件來自動(dòng)循環(huán)完成整個(gè)庫容計(jì)算的實(shí)例：

#導(dǎo)入ArcPy

import arcpy

from arcpy import env

import os

#設(shè)置輸入輸出工作空間

arcpy.CheckOutExtension（"3D"）

env.workspace = "c：/梅山水庫"

import math

#循環(huán)獲取計(jì)算庫容的水位

for i in range （76，128）：

mgs = str（i）

#設(shè)置輸出文件名稱

dl = str（i） + ".txt"

#對應(yīng)水位庫容計(jì)算

arcpy.SurfaceVolume_3d（"2013t"，dl， "below"， mgs ， "1"， "5"）

腳本文件可在記事本等文本工具中編寫，將編寫好的腳本文件另存文“*.py”，在ArcMap中你的工作目錄下新建工具箱，然后右鍵點(diǎn)取在工具箱添加文件名為“*.py”的腳本文件。添加完畢后直接雙擊腳本文件開始運(yùn)行，運(yùn)行完畢得到完整的庫容。也可在ArcToolbox中直接添加腳本文件。

5 總結(jié)

本文根據(jù)多年水庫庫容測量和庫容計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合近年安徽省梅山水庫庫容測量的具體實(shí)踐，從大中型水庫庫容測量測圖比例尺的選取、控制測量、地形數(shù)據(jù)的采集方法等方面進(jìn)行了論述。利用ArcGIS和Python腳本文件能夠快速準(zhǔn)確地計(jì)算庫區(qū)完整的庫容，可為同類型水庫的測量計(jì)算提供參考。同時(shí)，建議大中型水庫庫容測量時(shí)，盡量選在水庫蓄水水位高、庫區(qū)植被樹葉比較稀少的季節(jié)，可以大大減少外業(yè)工作量。

參考文獻(xiàn)

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