水庫庫容測量與計算

【摘要】水庫庫容是水庫調(diào)度的重要參數(shù)，其精度直接影響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)確地實現(xiàn)分層庫容自動計算和統(tǒng)計。文中給出了Python腳本文件建立循環(huán)的實例，對大中型水庫庫容測量及庫容計算有較好的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】庫容測量；庫容計算；數(shù)字高程模型

1、概述

水庫庫容作為當(dāng)今水利工程施工建設(shè)和運行管理中不可忽略的重要參數(shù)之一，它是確定裝機容量、工程施工量、泄洪量以及水利功能的重要指導(dǎo)依據(jù)。在目前的工程項目中，庫容計算結(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、水庫運行管理決策與整合的技術(shù)指導(dǎo)。因此定期對庫容進(jìn)行測量和計算，以了解水庫淤積情況和水庫實際有效庫容，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。根據(jù)本單位幾十年水庫測量經(jīng)驗，水庫在正常蓄水運行十年后，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)加密水下測點密度可以確保庫容計算精度。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，同時為了提高庫容計算精度，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個平高控制點（平面為C級以上，高程Ⅵ以上）作為起算點，在庫區(qū)布設(shè)了20個D級GPS點，采用高程擬合解算控制點平面位置和高程。

為了確保高程精度，采用四等水準(zhǔn)聯(lián)測了5個控制點的高程，其余15個控制點采用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)測點高程誤差均在3cm以內(nèi)，CORS客戶端點誤差均小于5cm。利用D級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：

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)計航線利用 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)以實時差分或CORS客戶端進(jìn)行測點平面位置定位，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，真實地反映地形變化的實際情況。

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反映庫區(qū)地形平面凹凸變化情況。因此，應(yīng)順施測時水位淹沒線布設(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。

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GPS難以固定，應(yīng)輔以全站儀進(jìn)行局部補充測量。如遇斜坡、陡坎、石崖等地形，在坎上、坎下成對測點，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，繪制地物、地貌，建立三角網(wǎng)DEM，由軟件自動繪制等高線。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實際地形和地貌變化情況，對自動生成的等高線進(jìn)行合理編輯、修改。為了提高庫容計算精度，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、水庫庫容計算

4.1 傳統(tǒng)計算方法

傳統(tǒng)庫容計算主要采用等高線的臺錐體公式和斷面測量法。等高線法計算時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)，計算結(jié)果誤差較大。

斷面法庫容計算主要是在庫區(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，而且計算時針對不同高程的庫容計算極其繁鎖。當(dāng)庫區(qū)地形復(fù)雜，庫區(qū)支流縱多時，計算精度將難以保證。

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)建時為全自動。目前的成圖軟件大多是基于AutoCAD平臺下開發(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。

但是庫容計算往往要求計算不同水位的庫容，防汛調(diào)度上更是要求每0.01m的分層庫容，這樣一個一個的計算很麻煩，不但時間長且容易出錯。利用腳本文件能很容易地解決這個問題。

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。

下面就是一個編寫腳本文件來自動循環(huán)完成整個庫容計算的實例：

#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行，運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算的經(jīng)驗，結(jié)合近年安徽省梅山水庫庫容測量的具體實踐，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)確地計算庫區(qū)完整的庫容。同時，建議大中型水庫庫容測量時，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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