基于航空攝影測(cè)量的新安江水庫水域面積及庫容變化分析

趙新華，王 沛，余華芬，陳連芳，姜安春

（1.國網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江杭州，311608；2.浙江省第二測(cè)繪院，浙江杭州，310012）

基于航空攝影測(cè)量的新安江水庫水域面積及庫容變化分析

趙新華1，王 沛2，余華芬2，陳連芳1，姜安春2

（1.國網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江杭州，311608；2.浙江省第二測(cè)繪院，浙江杭州，310012）

采用航空攝影測(cè)量技術(shù)獲得2001年和2011年新安江水庫攝影水位以上的地形數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建DEM計(jì)算新安江水庫水域面積和庫容。從平面和立體兩個(gè)不同的角度，分析了新安江水庫2001年和2011年水域面積的變化與相應(yīng)區(qū)域的庫容變化。從平面上分析了水域面積變化，從立體上分析了庫容變化，對(duì)水域和庫容的變化都進(jìn)行了定量分析與定位分析，校核了新安江水庫現(xiàn)有的水位-庫容曲線模型，為新安江水庫調(diào)度提供了參考。

新安江水庫；航空攝影測(cè)量；庫容；水域面積；DEM

0 引言

水庫是蓄水發(fā)電、灌溉和防洪調(diào)度等的重要設(shè)施，水庫庫容作為一個(gè)非常重要的參數(shù)，其計(jì)算結(jié)果的精度高低直接影響水庫的防洪安全及發(fā)電、灌溉等效益。水庫建成后多年運(yùn)行造成庫區(qū)的淤積、庫岸人類活動(dòng)以及水流的沖刷，改變了原有的水位－庫容關(guān)系，岸線及蓄水位也產(chǎn)生了一定的變化。因此，有必要對(duì)水庫的水域面積、水位－庫容關(guān)系進(jìn)行復(fù)核，掌握水庫準(zhǔn)確的庫容變化，在水庫、大壩安全的前提下，最大限度地發(fā)揮水庫的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與生態(tài)效益[1]。

已有研究對(duì)水庫水域面積變化的分析較多[2-7]，但數(shù)據(jù)源多為Landsat或者SPOT影像，空間分辨率不高，精度不能保證，且針對(duì)新安江水庫水域面積變化的研究目前較少。對(duì)于庫容計(jì)算，多為量算某一期的庫容曲線，而沒有對(duì)多年份的庫容變化進(jìn)行比較。

水庫庫容計(jì)算常用方法有地形圖量算法、水下地形測(cè)量法、數(shù)字高程模型（DEM）法等[8-13]。地形圖量算方法受地形圖比例尺、量測(cè)儀器及計(jì)算方法的影響，精度較低；水下地形測(cè)量法工作量大、成本投入高，數(shù)據(jù)量會(huì)隨水域面積的增加而急劇增大，并且對(duì)高于當(dāng)前水面的庫容曲線無法進(jìn)行計(jì)算和繪制[14]。數(shù)字高程模型（DEM）法計(jì)算庫容具有精度高、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，在庫容計(jì)算中更具優(yōu)勢(shì)。

本研究采用航空攝影測(cè)量技術(shù)獲得2001年和2011年新安江水庫攝影水位以上的地形數(shù)據(jù)，從平面和立體兩個(gè)不同的角度，分析了新安江水庫2001～2011年水域面積的變化與相應(yīng)區(qū)域的庫容變化。從平面上分析了水域面積變化，從立體上分析了庫容變化，對(duì)水域和庫容的變化都進(jìn)行了定量分析與定位分析，校核了新安江水庫現(xiàn)有的水位-庫容曲線模型，提高新安江水庫調(diào)度的效率。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

新安江水庫位于錢塘江上游主干流新安江的下游，水庫總庫容216.26億m3，為多年調(diào)節(jié)水庫，設(shè)計(jì)、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)分別為重現(xiàn)期1 000年和重現(xiàn)期10 000年加安全保證值。水庫正常蓄水位108.0 m，設(shè)計(jì)洪水位111.0m，校核洪水位114.0m，汛期防洪限制水位為106.5 m，死水位86.0 m。其中，安徽省境內(nèi)的新安江水庫108 m水位的水域面積為18.65 km2，占新安江水庫總體水域面積的3.29%，見圖1。

本研究所用的數(shù)據(jù)來源和資料包括：新安江水庫地區(qū)2001年和2011年的航空攝影資料（共涉及1∶10 000圖77幅）、相應(yīng)的1∶10 000數(shù)字線劃圖（DLG）產(chǎn)品、數(shù)字正射影像圖（DOM）產(chǎn)品、第一次國家地理國情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)等。

圖1 新安江水庫區(qū)位圖Fig.1 Location of Xin'anjiang reservoir

2 研究方法

目前數(shù)字高程模型（DEM）的兩種主要結(jié)構(gòu)有基于規(guī)則格網(wǎng)的DEM和基于不規(guī)則三角網(wǎng)的DEM，為便于存儲(chǔ)、處理和建模，文中DEM構(gòu)建采用基于矢量數(shù)據(jù)構(gòu)建規(guī)則格網(wǎng)DEM的方法。

方格網(wǎng)法是利用已建立的庫區(qū)數(shù)字高程模型（DEM），將水庫水體微分成若干個(gè)正方體，通過對(duì)每個(gè)正方體的體積空間積分求和，即可求得整個(gè)水庫的庫容。其數(shù)學(xué)模型為：

式中：V為庫容；Ps為單個(gè)格網(wǎng)的面積；H為指定水位的高程值；hi為高程小于指定水位的格網(wǎng)高程值；n為高程小于H的DEM格網(wǎng)的個(gè)數(shù)。

采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)獲取2001年、2011年攝影水位以上的地形數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建DEM，利用方格網(wǎng)法對(duì)100～115 m高程范圍之間的新安江水庫水域面積和庫容進(jìn)行計(jì)算，并分析2001～2011年的變化情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 水域變化

根據(jù)新安江水庫的設(shè)計(jì)值，正常高水位是108 m，繪制該水位線對(duì)應(yīng)的水域分布圖，如圖2所示。

新安江水庫變化區(qū)域主要分布在新登-淳安的一級(jí)公路沿線以及千島湖鎮(zhèn)的環(huán)湖北路、睦州大道、珍珠大道沿線等地。

2001年和2011年新安江水庫水位-水域面積曲線如圖3所示，并與新安江水庫的設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比。

圖2 新安江水庫108 m水位對(duì)應(yīng)的水域變化范圍Fig.2 Corresponding change scope of water area as the water level is 108 m

圖3 新安江水庫水位-水域面積曲線Fig.3 Water level-area curve of Xin'anjiang reservoir

由圖3可知，2001～2011年，新安江水庫的水域面積呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，均小于水庫設(shè)計(jì)值且不同水位對(duì)應(yīng)的水域面積減小幅度不同。以108 m正常高水位線的水域面積為例，2001年水域面積為564.85 km2，2011年下降至555.51 km2，108 m水位的水域面積值在10年間減小了約9.34 km2。

對(duì)浙江省境內(nèi)各鄉(xiāng)級(jí)行政區(qū)范圍內(nèi)的水域變化進(jìn)行分析，2001～2011年，新安江水庫水域面積變化較大的鄉(xiāng)級(jí)行政區(qū)有千島湖鎮(zhèn)、文昌鎮(zhèn)、汾口鎮(zhèn)等，其中千島湖鎮(zhèn)變化最大，在108 m水位處水域面積減小了394.58 ha。水域面積基本沒有發(fā)生變化的鄉(xiāng)級(jí)行政區(qū)有大墅鎮(zhèn)和宋村鄉(xiāng)。水域面積變化較小的鄉(xiāng)級(jí)行政區(qū)有新安江街道、安陽鄉(xiāng)、浪川鄉(xiāng)等，其中新安江街道在108 m水位處的水域面積減小了0.86 ha。

參照第一次國家地理國情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)，對(duì)2001～2011年變化區(qū)域進(jìn)行地類分析，見表1。

表1 變化區(qū)域現(xiàn)狀地類分析Table 1 Current land types in the change area

由表1可知，變化區(qū)域中現(xiàn)狀地類為建設(shè)用地447.68 ha，占變化區(qū)域總面積的52.02%，是變化區(qū)域中最多的現(xiàn)狀地類，主要分布在淳安縣千島湖鎮(zhèn)；其次是耕地，面積151.98 ha，占變化區(qū)域總面積的17.66%，主要分布在淳安縣汾口鎮(zhèn)；裸地最少，面積為3.27 ha，占變化總面積的0.38%，主要分布在千島湖鎮(zhèn)。

3.2 庫容變化

本研究中水庫庫容以100 m等高線開始計(jì)算，即水庫水位在100 m時(shí)庫容為0，計(jì)算得到的水庫庫容不是庫容的絕對(duì)值，而是相對(duì)庫容。圖4為特征水位對(duì)應(yīng)的相對(duì)庫容。

由圖4可知，2001～2011年，新安江水庫的庫容總體是減小的，與水域面積變化趨勢(shì)一致。以108 m水位為例，2001年的相對(duì)庫容為41.49億m3，到2011年，相對(duì)庫容減小為41.06億m3，10年間減小了0.43億m3。

圖4 新安江水庫2001年、2011年特征水位對(duì)應(yīng)的相對(duì)庫容Fig.4 Corresponding relative storage capacity of the character?istic water level in 2001 and 2011 of Xin'anjiang reservoir

根據(jù)庫容計(jì)算數(shù)據(jù)分別構(gòu)建新安江水庫設(shè)計(jì)值、2001年和2011年的水位-相對(duì)庫容曲線，如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)值、2001年、2011年的水位-相對(duì)庫容曲線Fig.5 Curve of water level and relative storage capacity in de?sign and in the year 2001 and 2011

依據(jù)最新的水位-庫容曲線，可以有效提高安排灌溉用水、發(fā)電用水、防洪調(diào)度等日常水庫管理工作的精度。

3.3 變化原因分析

水庫水域面積和庫容變化的原因可以是多方面的，通?？梢詺w結(jié)為兩大類：自然因素和人為因素。自然因素，通常是水庫沿岸崩塌或泥沙自然淤積造成水域面積和庫容減小，而本研究以相對(duì)庫容來對(duì)新安江水庫的庫容進(jìn)行分析，泥沙淤積對(duì)相對(duì)庫容的計(jì)算影響不大，故忽略此因素。對(duì)于人為因素，本研究將分析得到的新安江水庫水域變化區(qū)域與獲得的數(shù)字正射影像（DOM）數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而分析新安江水庫水域及庫容變化的具體原因。

圖6是新安江水庫區(qū)域中的淳安縣千島湖鎮(zhèn)珍珠半島2001～2011年的變化區(qū)域，(a)、(b)分別為2001年、2011年的數(shù)字正射影像。對(duì)比可知，變化區(qū)域由2001年的水體變?yōu)?011的陸地。相應(yīng)區(qū)域2001年和2011年的DEM如圖7所示。

圖6 淳安縣千島湖鎮(zhèn)珍珠半島2001年和2011年水域變化對(duì)比Fig.6 Comparison of water area at Pearl peninsula in the year 2001 and 2011

圖7 千島湖鎮(zhèn)珍珠半島2001～2011年水庫變化區(qū)域DEM對(duì)比Fig.7 Comparison of DEM in the reservoir change area at Pearl peninsula in the year 2001 and 2011

人工填湖造陸是新安江水庫水域面積和庫容減小的主要原因。2001～2011年填湖造陸引起的108 m水位的水域面積減少9.34 km2，庫容減少量為0.43億m3。

4 結(jié)語

新安江水庫2001～2011年正常高水位108 m的水域面積減小了9.34km2，對(duì)應(yīng)庫容減小了0.43億m3，100～115m水位范圍的庫容量減小了1.02億m3。

綜合上述分析，本研究有以下結(jié)論：

（1）本研究探索性地將航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于特大型水庫的庫容測(cè)量與分析，精確地測(cè)量出“攝影水位”以上的庫區(qū)地形，填補(bǔ)了現(xiàn)有地形圖中“水庫高水位”與“攝影水位”之間的地形。與利用現(xiàn)有地形圖、遙感等方法計(jì)算庫容相比，本方法具有更高的精度。

（2）2001～2011年，新安江水庫的水域面積和庫容均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，且基本上小于水庫原設(shè)計(jì)值。新安江水庫的水域面積和庫容不斷減小，主要是修建高級(jí)度假酒店和別墅項(xiàng)目、各種經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、修建公路等人工填湖造陸活動(dòng)引起的。 ■

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作者郵箱：zhaoxinhua1@163.com

Analysis on change of water area and storage capacity of Xin′anjiang reservoir based on aerial photogrammetry

by ZHAO Xin-hua,WANG Pei,YU Hua-fen,CHEN Lian-fang and JIANG An-chun
Xin′anjiang Hydropower Plant

In this paper,water area and storage capacity of Xin′anjiang reservoir were calculated using digital elevation model which was constructed based on terrain data of Xin′anjiang reservoir(2001 and 2011).Then,the changes of water area and corresponding storage capacity of Xin′anjiang reservoir were analyzed quantitatively in the year of 2001 and 2011.Finally,water level-capacity curve model of Xin′anjiang reservoir was checked,which could provide a new reference for the regulation of Xin′anji?ang reservoir.

Xin′anjiang reservoir;aerial photogrammetry;storage capacity;water area;DEM

P23

B

1671-1092（2016）05-0046-04

2015-10-10；

2015-11-16

趙新華（1968-），男，浙江省文成縣人，工程碩士，高級(jí)工程師，主要從事水庫調(diào)度和大壩安全管理工作。