陸渾水庫淤積測量方法探討

郭朋良

摘 要：陸渾水庫自建成以來已運(yùn)行近50余年。對(duì)其進(jìn)行淤積測量能及時(shí)掌握水庫的泥沙淤積情況、分布特征，進(jìn)而確定水庫運(yùn)行期間庫容的變化情況和庫容曲線的變化規(guī)律，能為水庫運(yùn)行管理、決策提供可靠的數(shù)據(jù)支撐?；诖耍疚闹饕接戧憸喫畮煊俜e測量方法。

關(guān)鍵詞：淤積測量；水下地形；庫容曲線

中圖分類號(hào)：TV62；TV223.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）16-0079-03

Discussion on the Method of Sedimentation Surveying in Luhun Reservoir

GUO Pengliang

Abstract： The Luhun reservoir has been running for nearly 50 years since its completion. The siltation measurement of the reservoir can grasp the silt condition and distribution characteristics of the reservoir in time， and then determine the change of reservoir capacity and the change law of the reservoir capacity curve during the operation of the reservoir， so as to provide reliable data support for the management and decision of the reservoir operation. Based on this， this paper mainly discussed the sedimentation measurement method of the Luhun reservoir.

Keywords： sedimentation surveying；underwater topographic；storage capacity curve

1 陸渾水庫概述

陸渾水庫位于河南省洛陽市嵩縣田湖鎮(zhèn)陸渾村附近，黃河二級(jí)支流伊河上，距洛陽市67km，控制流域面積3 492km2，占伊河流域面積57.9%，平均水深約9.5m，最大水深約20m。水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇，設(shè)計(jì)洪水位327.50m；10 000年一遇校核，校核洪水位331.80m；設(shè)計(jì)汛限水位317.00m，興利水位319.50m，總庫容為13.2億m3。水庫位于暖溫帶，具有春季多風(fēng)干旱，夏季炎熱、雨水集中，秋季晴和，冬季干冷、雨雪稀少的顯著特點(diǎn)。全年四季分明，降水量隨時(shí)間分布，呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性特點(diǎn)，常年平均降水量600mm。水庫庫容曲線反映的是水庫水位與庫容的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也是水庫管理中需要重點(diǎn)考慮的問題之一，對(duì)水庫運(yùn)行管理、決策有著重要的價(jià)值[1]。陸渾水庫自建成以來，已運(yùn)行近50余年，進(jìn)行了多次淤積測量，多年平均淤積量為233萬m3，入庫含沙量為4.18kg/m3。截至1992年，水庫累計(jì)淤積量為0.744億m3。最近一次是2005年陸渾水庫管理局對(duì)水庫進(jìn)行的水庫水下地形圖測量，距今也已有10年[2]。因此，很有必要對(duì)水庫及上游河道進(jìn)行重新測量，構(gòu)建水庫最新的庫容曲線模型，以便為水庫管理提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2 控制網(wǎng)測量

2.1 選點(diǎn)、埋石

在庫區(qū)外埋設(shè)D級(jí)GPS標(biāo)石10座，埋石點(diǎn)要符合規(guī)范的埋石基本要求，觀測條件良好，并符合下列要求：點(diǎn)位選在堅(jiān)固穩(wěn)定的地點(diǎn)，且便于埋石和觀測，并能永久保存；交通方便，有利于擴(kuò)展和聯(lián)測；視場內(nèi)障礙物的高度角不超過15°；遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺(tái)，電臺(tái)、微波站等），遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電信號(hào)傳送通道。

2.2 平面控制網(wǎng)測量

平面控制測量等級(jí)為D級(jí)，采用南方S82儀器靜態(tài)測量。作業(yè)時(shí)，嚴(yán)格對(duì)中、整平，并記錄點(diǎn)名、儀器高和測量時(shí)段。儀器高測量是指在測前、測后各量取一次天線高，求取平均值。GPS觀測時(shí)滿足規(guī)范規(guī)定的要求：①有效衛(wèi)星總數(shù)大于等于5顆；②衛(wèi)星高度角大于等于15°；③觀測時(shí)段數(shù)為2個(gè)時(shí)段，時(shí)段長度不小于1h；④儀器采樣間隔為30s。

基線處理使用隨機(jī)配備的商用軟件，嚴(yán)格按照《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（GB/T 18314—2009）中有關(guān)技術(shù)要求執(zhí)行，基線解算采用合格的雙差固定解作為基線解的最終成果。

2.3 高程控制網(wǎng)測量

高程控制測量等級(jí)為4等，使用NA28水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測。嚴(yán)格執(zhí)行《國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范》（GB/T 12898—2009）主要技術(shù)規(guī)定：①線路長度不大于80km；②最大視距100m；③前后視距差不大于3m；④前后視距累計(jì)差不大于10m；⑤基輔分劃讀數(shù)差不大于5mm；⑥高差閉合差小于±20[L]。觀測時(shí)，以壩頭Ⅲ1點(diǎn)作為起點(diǎn)，作4等閉合水準(zhǔn)路線，并對(duì)壩頭Ⅲ1—DC234的高差進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果符合規(guī)范要求。使用公司編寫的“三、四等水準(zhǔn)平差”程序進(jìn)行平差計(jì)算，觀測高差進(jìn)行尺長改正、正常水準(zhǔn)面不平行改正和閉合差改正[3]。

2.4 精度統(tǒng)計(jì)

2.4.1 平面控制測量精度。①重復(fù)基線差值最大值為25.5mm，最小值為3.27mm，滿足規(guī)范要求的小于±82.9mm的規(guī)定；②無約束平差的基線向量改正值最大值為26.5mm，最小值為4.5mm，滿足規(guī)范要求的小于±87.9mm的規(guī)定；③約束平差的邊長相對(duì)中誤差最大值為1/49萬，最小值為1/279萬，滿足規(guī)范要求的小于1/8萬的規(guī)定；④環(huán)閉合差限差最大值為47.5mm，最小值為2.2mm，滿足規(guī)范要求的小于±263.7mm的規(guī)定。

2.4.2高程控制測量精度。①已知點(diǎn)校測閉合差為-62.0mm，小于規(guī)范要求的±77.1mm的規(guī)定；②線路長度為32.4km，小于規(guī)范要求的80km的規(guī)定；③線路閉合差為+66.0mm，小于規(guī)范要求的±113.8mm的規(guī)定。

3 1∶5 000地形圖測量

一般來說，大型水庫測圖比例尺為1∶10 000，中型水庫測圖比例尺為1∶5 000，小型水庫測圖比例尺為1∶2 000。陸渾水庫為中型水庫，庫區(qū)地形為丘陵地帶。為了提高量算水庫庫容的精度，測圖比例尺定為1∶5 000，地形圖的基本等高距定為1m[4]。

3.1 水下地形測量

水下地形測量就是利用測量儀器來確定水底點(diǎn)的三維坐標(biāo)的過程。隨著GPS技術(shù)的迅速發(fā)展，水下地形測量方法取得了較大進(jìn)展。目前，水下地形測量技術(shù)已定型于采用GPS獲取平面坐標(biāo)，測深儀獲取深度數(shù)據(jù)的基本模式。本項(xiàng)目水下地形點(diǎn)測量采用南方SDE-28測深儀配合GPS-RTK實(shí)時(shí)測定平面位置和水深。每天施測前和測量工作結(jié)束后對(duì)測深儀的施測精度進(jìn)行檢校。本項(xiàng)目在庫區(qū)不同位置共布置15個(gè)檢校點(diǎn)來檢驗(yàn)測深儀的測深精度。經(jīng)計(jì)算，15個(gè)檢校點(diǎn)差值的算數(shù)平均值為0.05m。根據(jù)《水利水電工程測量規(guī)范》（SL 197—2013）可知，采用測深儀測量1～10m的水深時(shí)，其測深中誤差為±0.15m；測量10～20m的水深時(shí)，其測深中誤差為±0.20m。因此，采用的測深儀能滿足規(guī)范要求。在庫區(qū)測量宜選在風(fēng)浪較小的天氣進(jìn)行。當(dāng)庫區(qū)測量水域波浪高超過0.4m時(shí)，應(yīng)停止作業(yè)。在水下地形施測過程中，測深儀操作人員要密切注意測深儀的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)水深變化情況及時(shí)調(diào)整測深儀有關(guān)參數(shù)，以保證最佳測深效果。

水深測量采用布設(shè)測深線法測量。為了提高測量精度，在布設(shè)測線時(shí)，還應(yīng)考慮水下地形的變化趨勢。若地形相對(duì)平坦，則測深線間距可以適當(dāng)放寬；否則，需加密測深線。這有利于使測點(diǎn)均勻分布于整個(gè)測區(qū)，同時(shí)在測區(qū)水下地形變化較大的地區(qū)，使測點(diǎn)深度或高程能更好地反映水下地形的真實(shí)面貌。布設(shè)的測深線垂直于河道。本項(xiàng)目在壩址區(qū)測深線布設(shè)間距為100m，大壩上游約1 000m到庫尾，測深線布設(shè)間距為120～150m。水下高程注記點(diǎn)的間距不大于圖上3cm，水深為0～1m時(shí)，則直接采用GPS-RTK測定平面位置和水下高程。測深儀實(shí)時(shí)工作情況如圖1所示。

測量時(shí)，GPS接收機(jī)、數(shù)字測深儀和筆記本電腦設(shè)置在測船上，測深儀同步測量水深并將數(shù)據(jù)記錄在筆記本電腦內(nèi)。水下地形點(diǎn)間距根據(jù)船只行進(jìn)距離確定，船只每行進(jìn)10m，測深儀連接GPS-RTK自動(dòng)采集一次數(shù)據(jù)，并對(duì)所測水深進(jìn)行吃水改正。在進(jìn)行水下地形點(diǎn)測量時(shí)，作業(yè)人員將GPS-RTK的儀器桿底部固定在船上，并始終保持儀器桿底部接觸水面。測深儀將GPS-RTK所測的水面點(diǎn)的水面高程自動(dòng)減去測深與吃水改正，得到所測點(diǎn)的水下地面高程，并自動(dòng)記錄，其關(guān)系式為：水底高程=水面高程-吃水改正-測深（Z）。

3.2 陸地地形測量

因?yàn)楸卷?xiàng)目測量的主要目的是測量水庫的庫容，根據(jù)庫容構(gòu)建最新的庫容曲線，因此，測量時(shí)主要著重于地形地貌的測量，對(duì)地物只進(jìn)行概略測量，高程測至333.0m。陸地地形測量采用的方法是全站儀配合GPS-RTK測量。GPS-RTK作業(yè)前，應(yīng)檢測不少于2個(gè)并不低于圖根點(diǎn)精度的已知點(diǎn)，其平面位置較差允許為圖上0.2mm，高程較差允許為1/5等高距。作業(yè)中若出現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)失鎖，應(yīng)重新初始化，且重合點(diǎn)檢查合格后方能繼續(xù)作業(yè)。在植被密集處，GPS信號(hào)差，會(huì)影響測量精度，因此采用全站儀法進(jìn)行測量。

地貌采用等高線配合地貌符號(hào)和高程注記點(diǎn)表示。繪制等高線時(shí)，若首曲線不能表示鞍部、小丘、臺(tái)階地及盆地等地貌碎步特征時(shí)，應(yīng)加繪間曲線。若首曲線、間曲線仍不能表達(dá)某些必要的地貌時(shí)，則應(yīng)加繪助曲線。在山頂、鞍部、洼地、溝底、山脊和坡度變化處等地形特征處應(yīng)均勻測量地形點(diǎn)，以提高計(jì)算庫容的精確性。

4 水庫庫容曲線計(jì)算

4.1 圍堰內(nèi)庫容分析計(jì)算

因城市建設(shè)發(fā)展用地需求，當(dāng)?shù)卣谒畮焐嫌斡野稙┑貎?nèi)修建了一條圍堰，圍堰高程為325～329m，圍堰內(nèi)最低高程為315.21m。經(jīng)測量，圍堰內(nèi)325m高程以下的面積約120萬m2，圍堰內(nèi)325m高程以下的庫容約370萬m3。

4.2 城區(qū)內(nèi)建筑物體積分析計(jì)算

水庫上游左岸為嵩縣縣城所在地，城區(qū)大部分位于333m高程以下，面積約313萬m2。城區(qū)南側(cè)與水庫交界處修建有防洪堤壩，堤壩高程為325～329m，城區(qū)內(nèi)局部高程低于323m，323m高程以下面積約20萬m2。嵩縣縣城建筑物大部分位于323m高程之上。為了精確地計(jì)算出333m高程以下的水庫庫容，需要對(duì)縣城323～333m高程的建筑物侵占的庫容進(jìn)行計(jì)算[5]。

根據(jù)最新的衛(wèi)星影像，在縣城四周影像清晰的地方布設(shè)像控點(diǎn)，對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行糾正，利用糾正過的衛(wèi)星影像內(nèi)業(yè)成圖，計(jì)算城區(qū)內(nèi)每棟建筑物的面積，利用外業(yè)采集的城區(qū)內(nèi)高程點(diǎn)，生成323～333m等高距為1m的等高線，計(jì)算出高程每變化1m的城區(qū)建筑物面積，根據(jù)面積計(jì)算出建筑物侵占庫容，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

4.3 庫區(qū)周邊村莊及違章建筑體積計(jì)算

水庫周邊存在20多處村莊及10余處違章建筑，村莊高程大部分位于323m高程之上，331.8m高程以下建筑物體積為327.9萬m3，違章建筑高程位于319m高程之上，331.8m高程以下建筑物體積為42.1萬m3。

4.4 庫容分析計(jì)算

水庫庫容計(jì)算根據(jù)高程數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)模型計(jì)算，利用南方CASS7.1數(shù)據(jù)處理軟件求出水位與庫容的關(guān)系。軟件依據(jù)三角網(wǎng)模型計(jì)算出水庫水位每變化1cm相對(duì)應(yīng)的包含建筑物體積的庫容值，根據(jù)包含建筑物體積的庫容值與建筑物的體積再計(jì)算出水庫水位每變化1cm相對(duì)應(yīng)的庫容值。根據(jù)水庫水位高程與庫容關(guān)系，形成水庫庫容曲線圖，見圖2。

5 結(jié)語

本文所述測量方法建立在現(xiàn)代高精度定位和測深技術(shù)基礎(chǔ)之上，因而測量成果在技術(shù)和精度上是有保證的。庫容和淤積量的計(jì)算方法在數(shù)學(xué)上是嚴(yán)密的，保證了計(jì)算成果的高精度。通過外業(yè)測量和內(nèi)業(yè)計(jì)算，完成了陸渾水庫庫容的計(jì)算，得到了不同水位面庫容數(shù)據(jù)和庫容曲線計(jì)算結(jié)果，與之前設(shè)計(jì)庫容和2005年所測庫容進(jìn)行了比較，算出了水庫泥沙淤積量，為水庫管理提供了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支撐。

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