九甸峽水庫淤積體體積測量方法初探

司江民

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

0.概述

九甸峽水庫位于甘肅省甘南藏族自治州卓尼、臨潭兩縣交界處，洮河中游九甸峽峽口處。壩址區(qū)距上游古城水電站58km，距下游蓮麓水電站5.5km，距下游臨洮縣城87km，距蘭州市約190km。九甸峽水利樞紐工程是優(yōu)先解決甘肅省中部干旱地區(qū)11個國家重點扶貧縣城鎮(zhèn)和農(nóng)村人畜飲水及工業(yè)用水、生態(tài)環(huán)境用水，兼有灌溉、發(fā)電等綜合利用功能的大型水利樞紐工程，其開發(fā)任務(wù)主要是供水，其次是發(fā)電。九甸峽水庫正常蓄水位2202.0m，設(shè)計洪水位2201.3m，校核洪水位2205.1m，水庫汛限水位2199.0m，水庫死水位2166.0m。水庫水域面積23.22km2，水庫回水長度為53.86km。

九甸峽水庫自2008年7月電站首臺機組并網(wǎng)發(fā)電，其余兩臺機組分別于同年9月和12月投產(chǎn)運行。截至目前，電站已經(jīng)安全運行13年。自運行以來，一直沒有進行過相應(yīng)的淤積測量工作。因此，了解、掌握庫區(qū)淤積情況勢在必行。

1.平面控制系統(tǒng)選取與平差

水庫原有的平面坐標系統(tǒng)為1954年北京坐標系，是20世紀80年代測設(shè)的。為了適應(yīng)發(fā)展及相關(guān)規(guī)定的需要，本次測繪平面系統(tǒng)采用CGCS2000，并基于該系統(tǒng)進行了工程坐標系的建立。在整個庫區(qū)作業(yè)區(qū)域范圍，埋設(shè)22座四等GNSS平面控制點。為了施測、使用方便，JK01～JK08均埋設(shè)在水庫大壩至石門河臨水庫右岸一側(cè)的公路邊相對穩(wěn)固的地方；自石門河口向上游至庫尾，庫區(qū)兩岸都修建了公路，因此JK09～JK22成對埋設(shè)在左右岸。平面控制網(wǎng)的施測，嚴格遵照技術(shù)設(shè)計書的要求進行。CGCS2000平面控制網(wǎng)的計算，以GZ01、JK22作為已知點進行網(wǎng)平差計算。

1.1 GNSS網(wǎng)基線解算

采用南方GNSS數(shù)據(jù)處理軟件，嚴格設(shè)置采樣間隔10s，衛(wèi)星截止高度角15°，根據(jù)基線殘差分布，剔除周跳跳變影響的基線部分，使基線閉合差滿足限差要求。

1.2 GNSS網(wǎng)平差計算

利用合格的基線，輸入已知點坐標，進行WGS84系的三維網(wǎng)平差和CGCS2000系的二維約束平差。計算結(jié)果顯示，各項測量指標都符合規(guī)范要求的四等GNSS網(wǎng)限差，網(wǎng)平差成果滿足本次測量技術(shù)設(shè)計書要求。具體平差結(jié)果最弱點、最弱邊（如表1、表2所示）：

表1 最弱點

表2 最弱邊

工程坐標系的計算，以GZ01為起算基點，以GZ01～JK22的方位角為起算方位，選取壩頂高程2205m為邊長投影面進行平差。最終成果采用CosaGPS數(shù)據(jù)處理軟件進行平差，平差計算后的最弱點、最弱邊（如表3、表4所示）：

表3 最弱點

表4 最弱邊

從表中數(shù)據(jù)可以看出，控制網(wǎng)平差結(jié)果滿足設(shè)計書及相關(guān)規(guī)范要求。

2.高程控制系統(tǒng)選取與施測精度

九甸峽水庫原有的高程系統(tǒng)采用1956年黃海高程系，是20世紀80年代測設(shè)的。根據(jù)《中華人民共和國測繪法》和有關(guān)規(guī)定，高程系統(tǒng)須采用1985國家高程基準。為了滿足工程運營管理的需要，本次測繪工程施測及計算過程中，確定了測區(qū)1956年黃海高程系與1985國家高程基準間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

水庫區(qū)的高程控制測量，分別布設(shè)了三等水準閉合路線和四等三角高程路線。樞紐區(qū)比較平緩，且水準路線較短，利用三等幾何水準方法聯(lián)測2個原有施工控制二等水準點高程至GZ01點，經(jīng)平差計算，施測精度滿足三等水準測量要求，從而確定了1956年黃海高程系與1985國家高程基準間的換算關(guān)系，即：H1985=H1956-0.153m。水庫區(qū)域比較陡峭，采用四等三角高程路線測量，以GZ01為起算點，在測區(qū)沿水庫兩邊道路敷設(shè)五條高程路線，經(jīng)對向三角高程測量，平差后五條四等三角高程路線精度（如表5所示）：

表5 五條三角高程路線精度

此次共完成四等三角高程測量110km，利用南方平差易軟件進行平差計算，結(jié)果為每千米高差全中誤差為±7.60mm，滿足四等水準測量要求。

3.水庫地形圖測繪

平高控制測量工作完成并經(jīng)檢校合格后，開展水庫地形圖的測繪。施測時已到水庫防汛主汛期，水庫已放水，使水位達到2175m～2177m。這樣，水庫地形圖的測繪就分為水上部分和水下部分。

3.1 水面以上地形測繪

水上部分地形圖測繪主要利用無人機航空攝影完成。對于石門河口至庫尾相對平緩且兩岸山體相對較低的區(qū)域，利用兩架大疆精靈4無人機進行航拍；靶標布設(shè)基本按照300m間距埋設(shè)。對于石門河口至大壩樞紐區(qū)兩岸山體高聳且溝壑縱橫的區(qū)域，利用飛馬V100無人機進行航拍；靶標的埋設(shè)基本按照500m間距控制。分5個區(qū)域進行航飛線路布置。航飛架次嚴格按測繪區(qū)域飛行，大疆精靈4低空無人機共進行8個區(qū)52架次航拍；飛馬V100無人機共進行5個區(qū)8架次航拍；共布設(shè)靶標236個。自水庫大壩至石門河口段的水面以上地形及石門河口至水庫庫尾的全部地形列入水面以上地形測繪范圍。洮硯大橋上游至庫尾河道水淺，機動船無法航行。該段河道利用華微3號無人船進行水下地形點的采集，急流、漩渦、深坑、陡崖、淺灘遍布，測量難度大，但為了數(shù)據(jù)的準確和可靠，困難再大也要克服。

每天對每個架次的航攝資料進行嚴格的檢查，有漏片或漏POS數(shù)據(jù)的現(xiàn)象發(fā)生必須立即進行補飛，影像資料應(yīng)與POS數(shù)據(jù)一一對應(yīng)；有差分功能的無人機POS數(shù)據(jù)，每天要進行解算，并保證其正確。在影像資料和POS數(shù)據(jù)都合格的情況下，利用飛馬快拼軟件進行影像快拼，檢查各項航攝參數(shù)是否正確。對檢查合格后的航攝資料利用PhotoScan軟件進行空三平差計算。首先根據(jù)立體影像判讀進行地物、地貌矢量要素的采集形成航測數(shù)字化原圖。數(shù)據(jù)采集按內(nèi)業(yè)立體模型定位，外業(yè)最終定性的原則進行采集。數(shù)據(jù)采集時不應(yīng)遺漏、移位，應(yīng)保證數(shù)據(jù)的完整性、正確性。數(shù)據(jù)采集過程由專人進行錯、漏檢查，對于未按模型采集或漏采的地物、地貌應(yīng)當重測或補測。五個分區(qū)依次加密像控點精度（如表6所示）：

表6 五個分區(qū)依次加密像控點精度

對于部分陡峭區(qū)域和隱蔽地方，可以采用全站儀和動態(tài)RTK進行作業(yè)，地形圖測繪所使用的測繪儀器均經(jīng)過了檢驗校正。在野外采集坐標、高程數(shù)據(jù)，利用全站儀內(nèi)存及RTK手簿內(nèi)存設(shè)備存儲數(shù)據(jù)，同時外業(yè)繪制草圖。水面以上地形圖利用布設(shè)航測靶標時施測的檢查點進行了檢查評定。因測區(qū)范圍內(nèi)地物較少，實地共檢查地物點32個，平面位置中誤差±0.19m；檢查高程點89個，高程中誤差±0.13m，精度指標均滿足相應(yīng)地形圖規(guī)范要求。

3.2 水面以下地形測繪

水下部分數(shù)據(jù)采集利用南方SDE230一體化測深系統(tǒng)和華微3號無人船共同采集。南方SDE230一體化測深系統(tǒng)開始作業(yè)前，首先要將測深探頭牢固地固定在船體的一側(cè)，并且盡量保證GNSS數(shù)據(jù)采集裝置和測深探頭處于同一鉛垂線上，且測深探頭要盡量離螺旋槳遠一點，以免影響測深精度。準備工作完成后，開啟測深系統(tǒng)，在相應(yīng)界面輸入校驗參數(shù)，并輸入測深探頭的吃水深度及GNSS數(shù)據(jù)采集裝置的天線高度，隨后進行測深數(shù)據(jù)校驗。這是每天作業(yè)開始前必須要做的工作。校驗工作基本在淺水區(qū)進行，用花桿探測測深探頭處水深，與測深儀所測水深進行比對，相符即開始作業(yè)，不符應(yīng)分析原因重新校驗。為了校驗測深儀相關(guān)參數(shù)設(shè)置的正確性，利用測繩懸掛5kg的重錘在不超過20m的水域，對水深值進行多處比對。結(jié)果顯示，南方SDE230一體化測深系統(tǒng)運行平穩(wěn)，測深精度滿足工作要求。華微3號無人船在入水后同樣要進行校驗參數(shù)設(shè)置。相關(guān)設(shè)置完成后，也必須進行水深校驗，校驗方法有花桿探測法和兩船比對法，校驗合格方能開展測深作業(yè)。華微3號無人船操作員搭乘承載南方SDE230一體化測深系統(tǒng)的機動船遙控指揮，華微3號無人船一般隨行在機動船左右，便于操作。

數(shù)據(jù)采集過程中，需要刻意設(shè)計采集一定數(shù)量的檢查航線點，用于檢查測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。檢查航線多與正常航線垂直或平行或斜交，通過交點數(shù)據(jù)比對或者將檢查航線點展繪在地形圖上，檢查地形相符性。水下地形施測時的水面高程為2177m，壩前最低點高程為2087.1m。經(jīng)檢查比對，絕大部分測點都在較差容許范圍之內(nèi)；有極少數(shù)測點受船姿、風浪等因素影響，水深較差超限。經(jīng)過認真分析，對錯誤點進行了刪除，并對地形圖進行了修正。

水下地形不可見，即便是點位采集密度再大，也有很多遺漏的地形無法顯示。為了把庫區(qū)淤積體體積估算得更加準確、可靠，在水下地形圖的繪制過程中，參照了該工程前期的部分測繪資料，主要有1993年測繪的壩址區(qū)1∶500地形圖、2003年測繪的庫區(qū)1∶2000移民、征地地形圖，對于無法判定的地方，可以參照編輯。最終將庫區(qū)地形圖水上部分和水下部分合并，形成完整的庫區(qū)地形圖，進行目前庫容計算。根據(jù)庫容計算的要求，需要保證等高線（等深線）的連貫性，因此，地形圖上的坡坎、陡崖都用等高線（等深線）表示。

4.水庫淤積體體積計算

先計算水庫庫容，根據(jù)測繪儀器采集的數(shù)據(jù)編制完成的庫區(qū)地形圖，采用Civil3D三角網(wǎng)法與ArcGIS 3D Analyst體積法分別計算目前庫容。經(jīng)驗證兩個軟件計算結(jié)果基本一致，最大較差為萬分之四點三，滿足規(guī)范千分之三的限差要求。為保持計算目前庫容數(shù)據(jù)的一致性，選取ArcGIS 3D Analyst體積法計算的結(jié)果編制水位與庫容關(guān)系表，用來繪制庫容曲線圖。選取九甸峽水庫5個不同水位值時的設(shè)計庫容，通過大量水面以上地形和水下地形測繪數(shù)據(jù)進行目前庫容運算，通過不同水位庫容做差法計算，可以計算出目前5個不同水位時的九甸峽水庫淤積體體積（如表7所示）：

表7 九甸峽水庫淤積體體積

設(shè)計庫容采用早期設(shè)計報告中相關(guān)數(shù)據(jù)，目前庫容是基于歷史測繪數(shù)據(jù)和目前測繪數(shù)據(jù)聯(lián)合計算出的。從計算結(jié)果來看，九甸峽水庫運行13年來，平均淤積體體積為3.3802×107m3。

5.結(jié)束語

九甸峽水庫自2008年首臺機組發(fā)電至今，運行已滿13年。其間，上游河道、溝道降雨形成的洪水攜帶入庫泥沙是庫區(qū)淤積物的主要來源，也包括庫岸邊坡受雨水浸泡、庫區(qū)水位劇烈變化、誘發(fā)水庫岸邊邊坡垮塌滑入庫內(nèi)形成淤積體，同時沿水庫兩岸道路在修建過程中棄渣倒入庫也是形成水庫淤積不容忽視的原因。