水庫庫容曲線的復(fù)核與成果分析*

曹培國

(山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟南 250002)

水庫庫容曲線的復(fù)核與成果分析*

曹培國

(山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟南 250002)

利用GPS-RTK和測深儀對水庫水位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，得到水庫庫容曲線復(fù)核測量成果，并對成果進(jìn)行分析。經(jīng)過分析得出，此次庫容曲線的測定在技術(shù)手段、水下測量、測圖精度等方面均優(yōu)于2001年庫容曲線的測定，提高了庫容曲線成果的可信度。該成果可為水庫管理部門提供詳實可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為水庫防洪、灌溉、發(fā)電等運營工作的順利開展提供數(shù)據(jù)保障。

庫容曲線；測深儀；GPS-RTK；控制測量；水下地形測量；面積量算

Abstract：Based on the observation data of reservoir water level collected by using GPS-RTK and sounder，the reservoir storage curve were generated and its results were analyzed.After the analysis，the result is that the detemination of reservoir storage curve from the respects of technology means，underwater measurement and mapping precision is superior to that of reservoir storage curve in 2001，and improves the reliability of the storage curve results.The results can be used to provide a detailed and reliable data for reservoir administrative department，and provide the data support for the smooth operation of flood control，irrigation and power generation.

Keywords：reservoir storage curve；sounder；GPS-RTK；contral survey；underwater topographic survey；area calculation

0 引言

近年來，國家與地方政府對水利工程建設(shè)與維護(hù)工作高度重視，山東省水利管理部門加強對各級水庫的庫容進(jìn)行重新評估與測算，以便對水庫進(jìn)行科學(xué)管理及有效防范災(zāi)害發(fā)生，更好造福于當(dāng)?shù)匕傩铡?/p>

目前，水庫庫容測量方法較多，但主要的有3種：

1)利用全站儀或激光掃描儀對水庫地面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用采集數(shù)據(jù)進(jìn)行模型測算。

2)利用航空或航天遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行模型測算。

3)根據(jù)水庫設(shè)計數(shù)據(jù)與實際地形狀況進(jìn)行對比分析方法。

由于本項目為復(fù)核性質(zhì)，所以沒有采用第三種方法；另外，由于航空與航天遙感數(shù)據(jù)的可靠性、現(xiàn)實性、數(shù)學(xué)精度等具有不確定性，所以也沒有采用第二種方法。

1 項目概況

昌崖水庫是山東省某市6座大型水庫之一，水庫建立之初是利用“三查三定”測定庫容曲線的。水利工程的“三查三定”(即對1981年底前已成水利工程查安全、定標(biāo)準(zhǔn)；查效益、定措施；查綜合經(jīng)營、定發(fā)展計劃)工作，是水電部于1982年統(tǒng)一布置進(jìn)行的。2001年初，昌崖水庫經(jīng)政府水利管理部門進(jìn)行安全鑒定，被確定為病險庫，屬三類壩。于是對水庫實施了除險加固，并重新測定了庫容曲線。完工后又進(jìn)一步實施水庫清淤工程，使水庫庫容基本數(shù)據(jù)發(fā)生重大變化。由于水庫庫區(qū)內(nèi)存在挖沙等工作，2016年對水庫進(jìn)行了水庫庫容曲線復(fù)核任務(wù)。主要完成的工作包括：沿水庫周邊布設(shè)一級GPS控制點；對一級GPS控制點施測四等水準(zhǔn)測量；進(jìn)行了水下地形測量；對水庫高程進(jìn)行1∶1 000地形測量；繪制1∶1 000及縮編為1∶5 000的DWG格式地形圖；對水庫淤積量進(jìn)行計算；繪制水位、庫容、面積關(guān)系曲線。

2 項目實施

利用山東省衛(wèi)星定位連續(xù)運行綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)(簡稱SDCORS)進(jìn)行一級GPS控制測量及圖根控制點測量，通過四等水準(zhǔn)測量獲得一級GPS點的高程，在此基礎(chǔ)上利用測深儀結(jié)合GPS-RTK、全站儀及相應(yīng)軟件進(jìn)行全野外數(shù)字化測圖，然后經(jīng)室內(nèi)編輯、外業(yè)檢查、資料整理形成最終成果。

2.1 一級GPS控制測量

在水庫周邊較為均勻的布設(shè)了一級GPS控制點，保證各個GPS點之間能夠通視。一級GPS點作為此次測量的首級控制網(wǎng)點，同時也作為庫區(qū)將來施工建設(shè)各種測量的基礎(chǔ)。

2.2 水準(zhǔn)測量與圖根測量

完成了在國家三等水準(zhǔn)點下布設(shè)的四等水準(zhǔn)測量。根據(jù)《水利水電工程測量規(guī)范》規(guī)定，利用SDCORS系統(tǒng)布設(shè)圖根控制點。

2.3 水下地形測量

水下地形測量采用GPS獲取平面坐標(biāo)，測深儀獲取深度數(shù)據(jù)的模式[1]。深水區(qū)和淺水區(qū)測量方式分別如下：

1)深水區(qū)：采用機動船上固定華測雙頻測深儀D530連接GPS-RTK的無驗潮方式進(jìn)行，通過測深儀攜帶的水上導(dǎo)航軟件，將數(shù)字測深儀和GPS-RTK連接，由軟件系統(tǒng)實時、準(zhǔn)確記錄測點數(shù)據(jù)，坐標(biāo)，水面高程和水深等數(shù)據(jù)，并同步生成數(shù)據(jù)文件[2]。雙頻測深儀的兩個頻率相互補充，通過分析兩個頻率的回波數(shù)據(jù)提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，利用雙頻測深儀能得到更準(zhǔn)確的真實的水底地形[3]。具體方法為：首先在岸上使用GPS-RTK通過SDCORS系統(tǒng)對高等級控制點或圖根點進(jìn)行檢校，通過測深桿對測深儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比測，精度滿足規(guī)范要求；根據(jù)庫區(qū)水面情況和測量比例尺，布設(shè)了測量航線；通過計算機控制機動船行駛路線，根據(jù)測繪數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)航速航向，并對漏點處進(jìn)行補測。然后根據(jù)實測水深數(shù)據(jù)、同步GPS-RTK數(shù)據(jù)及GPS-RTK天線與換能器高差換算成水下測量點高程，使用水下測量軟件將測量點平面坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地形測繪軟件能夠讀取的數(shù)據(jù)。測深儀連接方式，見圖1。為了驗證水深測量水位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在庫區(qū)內(nèi)布設(shè)了兩根水尺以進(jìn)行校核，校核結(jié)果滿足規(guī)范要求[4]。本項目按照每10 m布置一條測線，測深儀采點模式為按照距離每0.5 m采集一個GPS-RTK固定解值，共完成測線288條，采集水深點138 436個。

圖1 GPS-RTK與測深儀連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of connection between GPS-RTK and sounder

2)淺水區(qū)：將GPS-RTK設(shè)備固定在5 m長的測深桿上，在把桿底部綁接圓形托盤，以防止把桿在測繪水下地形時插入淤泥造成庫底高程點測量誤差。測量數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)成南方CASS進(jìn)行編圖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，參與整體圖形編繪。

2.4 陸地地形測量

陸地地形測量采用全野外數(shù)字化測圖，測繪范圍為上游至水庫高程164 m處，下游至水庫大壩坡腳處，面積約24 km2，包括村莊、建筑物、大壩、溢洪道、大壩兩端廣場。等高線全部采用野外高程點繪制。采用GPS-RTK測量模式[5]。作業(yè)過程為：野外數(shù)據(jù)采集并勾繪草圖、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、用CASS軟件展點連線成圖，最后進(jìn)行地形圖編輯，整飾成圖。

3 面積量算與庫容曲線生成

對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制等高線。利用美國Golden Software公司Surfer 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該軟件具有的強大的插值功能和繪圖功能，尤其在繪制等值線方面具有很強大的功效，為處理XYZ數(shù)據(jù)的首選軟件[6]。具體處理方法為：先對繪制好的閉合等高線進(jìn)行100%校核，然后建立數(shù)字高程模型，最后采用等高線容積法計算水庫庫容。

等高線容積法是一種計算精度較高的方法，該方法在把水體按不同高程面微分成n層梯形體，整體庫容由n層梯形體體積積分求得[7]?？紤]梯形體的不規(guī)則性，等高線容積法計算水庫庫容數(shù)學(xué)模型為：

(1)

式中：V為庫容，單位為km3；Si為第i根閉合等高線所圍的面積，單位為km2，S0=0；Δhi為第i～i+1根等高線之間的高程差，單位為m。

通過水庫庫容數(shù)學(xué)模型，生成了水庫庫容曲線圖，與“三查三定”數(shù)據(jù)相比，得到“三查三定”庫容曲線與本次實測庫容曲線對比圖，見圖2。

圖2 庫容曲線對比圖Fig.2 Comparison of reservoir storage curve

4 成果分析

通過“三查三定”庫容曲線與本次實測庫容曲線對比圖比較直觀的反映了本次實測成果與“三查三定”成果的差異。具體成果分析通過水庫水位、面積、庫容數(shù)據(jù)對照表來完成，見表1。其中，水位指水位高程，用m來表示；面積指水庫相應(yīng)高程的平面面積，用km2表示；庫容指相應(yīng)水位的庫容量，用萬m3表示。

表1 水庫水位、面積、庫容關(guān)系對照表

Tab.1 A comprison among reservoir water level，area and storage capacity

水位/m 面積/km2 庫容/萬m3 本次實測三查三定差值本次實測三查三定差值1320.010.010.140.141330.050.052.382.381340.190.1913.2913.29

續(xù)表1

水庫庫容在自然使用過程中，水源的補充絕大多數(shù)來自于地表水，在補充過程中會卷入大量的泥沙，泥沙到達(dá)水庫后不斷地沉淀，水庫輸水過程中提供水為清水。這個過程中泥沙不斷地淤積，導(dǎo)致水庫庫底不斷上升，水庫庫容緩慢減少。這是一個緩慢的、較穩(wěn)定的變化過程。從此次庫容曲線測量成果分析可以看出：

1)本次實測庫容與原始資料變化較大，水位在138 m時相差274.25萬m3，在138 m～142 m時庫容發(fā)生突變，到達(dá)興利水位153 m時庫容變化達(dá)到1 578.72萬m3，均比“三查三定”庫容量大，與自然環(huán)境下分析結(jié)果大相徑庭。

于是對測量結(jié)果進(jìn)行檢核，發(fā)現(xiàn)成果均符合精度要求。通過進(jìn)一步與水庫管理部門進(jìn)行溝通，調(diào)查得知水庫所在地政府在2007年～2015年期間對水庫進(jìn)行了清淤工作。具體情況，見表2。

2)水位在150 m～153 m時面積有所減少，經(jīng)過與“三查三定”圖形對比分析，得出主要原因有兩個：

一是，因近期雨水較少，比較干旱，庫區(qū)水位較低，測繪時庫區(qū)水位在144 m，庫區(qū)裸露地被附近村民整理加固成為耕地及林地，造成附近地形偏高，水庫面積縮??；

二是，在庫區(qū)內(nèi)局部有清淤土方棄土，導(dǎo)致面積縮?。凰辉?53 m以上時，面積變化較小，基本符合現(xiàn)狀。

表2 水庫2007年～2015年主要清淤情況表

5 結(jié)論

經(jīng)過分析得出：此次庫容曲線測量在技術(shù)手段、水下測量、測圖精度等方面均優(yōu)于2001年度庫容曲線的測定；與“三查三定”結(jié)果相比，此次庫容曲線成果精度有了較大提高，能夠滿足今后水庫調(diào)度運行的使用。具體情況如下：

1)技術(shù)手段方面。控制測量利用SDCORS技術(shù)布設(shè)，測量精度優(yōu)于原來的三角鎖布網(wǎng)、經(jīng)緯儀觀測等控制測量的模式；地形圖測量采用全野外數(shù)字化測圖方式，數(shù)據(jù)精度均高于“三查三定”時的平板測圖方式。

2)水下測量方面。利用華測雙頻測深儀D530，保證了水深測量的精度，合理布設(shè)測線保證了水深測量點的密度。

3)測圖比例尺方面。本次庫容曲線測圖比例尺為1∶1 000，其數(shù)據(jù)精度優(yōu)于以往。

4)計算方法方面。本次采用計算機成圖、測量軟件自動計算面積的方法，降低了誤差，消除了原來的求積儀法量算面積的誤差；等高線勾繪采用計算機為主人工干預(yù)為輔的交互模式，將手工勾繪等人為誤差降到最低。

該方法也可以作為中型至中大型水庫庫容曲線常規(guī)測量方法。

[1] 楊飛，馬耀昌.GPS在水下地形測量中的應(yīng)用研究[J].地理空間信息，2006，4(3)：20-22.

[2] 陳紀(jì)濤，楊鳳棟.測深儀與測深桿比測試驗與分析[J].人民黃河，2010，32(10)：57-59.

[3] 陳鈞，萬軍，施衛(wèi)星.雙頻測深儀測深研究[J].海洋測繪，2008，28(6)：70-73.

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[5] 傅文祥，詹登峰，潘寶玉.RTK像片控制測量及其精度檢驗[J].測繪工程，2004，13(1)：47-49.

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ReviewofReservirStorageCurveandItsResultsanalysis

CAO Pei-guo

(ShandongInstituteofSurveyingandMappingofGeology，Ji’nanShandong250002，China)

2017-04-11

P 217

A

1007-9394(2017)03-0018-03

曹培國(1974～)，男，山東冠縣人，碩士，高級工程師，現(xiàn)主要從事工程測量、攝影測量與遙感技術(shù)方面的應(yīng)用與研究工作。