水库库容曲线的复核与成果分析

水库库容曲线的复核与成果分析
曹培国
【摘要】利用GPS-RTK和测深仪对水库水位数据进行采集,得到水库库容曲线复核测量成果,并对成果进行分析.经过分析得出,此次库容曲线的测定在技术手段、水下测量、测图精度等方面均优于2001年库容曲线的测定,提高了库容曲线成果的可信度.该成果可为水库管理部门提供详实可靠的基础数据,为水库防洪、灌溉、发电等运营工作的顺利开展提供数据保障.
【期刊名称】《地矿测绘》
【年(卷),期】2017(033)003
【总页数】3页(P18-20)
【关键词】库容曲线;测深仪;GPS-RTK;控制测量;水下地形测量;面积量算
【作者】曹培国
【作者单位】山东省地质测绘院,山东济南250002
【正文语种】中文
【中图分类】P217
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.
Key words：reservoir storage curve；sounder；GPS-RTK；contral survey；underwater topographic survey；area calculation
近年来，国家与地方政府对水利工程建设与维护工作高度重视，山东省水利管理部门加强对各级水库的库容进行重新评估与测算，以便对水库进行科学管理及有效防范灾害发生，更好造福于当地百姓。

目前，水库库容测量方法较多，但主要的有3种：
1)利用全站仪或激光扫描仪对水库地面进行数据采集，利用采集数据进行模型测算。

2)利用航空或航天遥感数据进行模型测算。

3)根据水库设计数据与实际地形状况进行对比分析方法。

由于本项目为复核性质，所以没有采用第三种方法；另外，由于航空与航天遥感数据的可靠性、现实性、数学精度等具有不确定性，所以也没有采用第二种方法。

昌崖水库是山东省某市6座大型水库之一，水库建立之初是利用“三查三定”测
定库容曲线的。

水利工程的“三查三定”(即对1981年底前已成水利工程查安全、定标准；查效益、定措施；查综合经营、定发展计划)工作，是水电部于1982年
统一布置进行的。

2001年初，昌崖水库经政府水利管理部门进行安全鉴定，被确定为病险库，属三类坝。

于是对水库实施了除险加固，并重新测定了库容曲线。

完工后又进一步实施水库清淤工程，使水库库容基本数据发生重大变化。

由于水库库区内存在挖沙等工作，2016年对水库进行了水库库容曲线复核任务。

主要完成的工作包括：沿水库周边布设一级GPS控制点；对一级GPS控制点施测四等水准测
量；进行了水下地形测量；对水库高程进行1∶1 000地形测量；绘制1∶1 000及缩编为1∶5 000的DWG格式地形图；对水库淤积量进行计算；绘制水位、库容、面积关系曲线。

利用山东省卫星定位连续运行综合应用服务系统(简称SDCORS)进行一级GPS控制测量及图根控制点测量，通过四等水准测量获得一级GPS点的高程，在此基础上利用测深仪结合GPS-RTK、全站仪及相应软件进行全野外数字化测图，然后经室内编辑、外业检查、资料整理形成最终成果。

2.1 一级GPS控制测量
在水库周边较为均匀的布设了一级GPS控制点，保证各个GPS点之间能够通视。

一级GPS点作为此次测量的首级控制网点，同时也作为库区将来施工建设各种测量的基础。

2.2 水准测量与图根测量
完成了在国家三等水准点下布设的四等水准测量。

根据《水利水电工程测量规范》规定，利用SDCORS系统布设图根控制点。

2.3 水下地形测量
水下地形测量采用GPS获取平面坐标，测深仪获取深度数据的模式[1]。

深水区和浅水区测量方式分别如下：
1)深水区：采用机动船上固定华测双频测深仪D530连接GPS-RTK的无验潮方式进行，通过测深仪携带的水上导航软件，将数字测深仪和GPS-RTK连接，由软件系统实时、准确记录测点数据，坐标，水面高程和水深等数据，并同步生成数据文件[2]。

双频测深仪的两个频率相互补充，通过分析两个频率的回波数据提高了数据准确性，利用双频测深仪能得到更准确的真实的水底地形[3]。

具体方法为：首先在岸上使用GPS-RTK通过SDCORS系统对高等级控制点或图根点进行检校，通过测深杆对测深仪测量数据进行比测，精度满足规范要求；根据库区水面情况和
测量比例尺，布设了测量航线；通过计算机控制机动船行驶路线，根据测绘数据调节航速航向，并对漏点处进行补测。

然后根据实测水深数据、同步GPS-RTK数据及GPS-RTK天线与换能器高差换算成水下测量点高程，使用水下测量软件将测量点平面坐标和高程数据转化为地形测绘软件能够读取的数据。

测深仪连接方式，见图1。

为了验证水深测量水位数据的准确性，在库区内布设了两根水尺以进行校核，校核结果满足规范要求[4]。

本项目按照每10 m布置一条测线，测深仪采点模式
为按照距离每0.5 m采集一个GPS-RTK固定解值，共完成测线288条，采集水
深点138 436个。

2)浅水区：将GPS-RTK设备固定在5 m长的测深杆上，在把杆底部绑接圆形托盘，以防止把杆在测绘水下地形时插入淤泥造成库底高程点测量误差。

测量数据直接转成南方CASS进行编图的基础数据，参与整体图形编绘。

2.4 陆地地形测量
陆地地形测量采用全野外数字化测图，测绘范围为上游至水库高程164 m处，下
游至水库大坝坡脚处，面积约24 km2，包括村庄、建筑物、大坝、溢洪道、大坝两端广场。

等高线全部采用野外高程点绘制。

采用GPS-RTK测量模式[5]。

作业过程为：野外数据采集并勾绘草图、内业数据进行数据预处理、用CASS软件展点
连线成图，最后进行地形图编辑，整饰成图。

对测量数据进行处理，绘制等高线。

利用美国Golden Software公司Surfer 软件对数据进行处理。

该软件具有的强大的插值功能和绘图功能，尤其在绘制等值线方面具有很强大的功效，为处理XYZ数据的首选软件[6]。

具体处理方法为：先对绘制好的闭合等高线进行100%校核，然后建立数字高程模型，最后采用等高线容积法计算水库库容。

等高线容积法是一种计算精度较高的方法，该方法在把水体按不同高程面微分成n 层梯形体，整体库容由n层梯形体体积积分求得[7]。

考虑梯形体的不规则性，等
高线容积法计算水库库容数学模型为：
式中：V为库容，单位为km3；Si为第i根闭合等高线所围的面积，单位为km2，S0=0；Δhi为第i～i+1根等高线之间的高程差，单位为m。

通过水库库容数学模型，生成了水库库容曲线图，与“三查三定”数据相比，得到“三查三定”库容曲线与本次实测库容曲线对比图，见图2。

通过“三查三定”库容曲线与本次实测库容曲线对比图比较直观的反映了本次实测成果与“三查三定”成果的差异。

具体成果分析通过水库水位、面积、库容数据对照表来完成，见表1。

其中，水位指水位高程，用m来表示；面积指水库相应高
程的平面面积，用km2表示；库容指相应水位的库容量，用万m3表示。

水库库容在自然使用过程中，水源的补充绝大多数来自于地表水，在补充过程中会卷入大量的泥沙，泥沙到达水库后不断地沉淀，水库输水过程中提供水为清水。

这个过程中泥沙不断地淤积，导致水库库底不断上升，水库库容缓慢减少。

这是一个缓慢的、较稳定的变化过程。

从此次库容曲线测量成果分析可以看出：
1)本次实测库容与原始资料变化较大，水位在138 m时相差274.25万m3，在138 m～142 m时库容发生突变，到达兴利水位153 m时库容变化达到1
578.72万m3，均比“三查三定”库容量大，与自然环境下分析结果大相径庭。

于是对测量结果进行检核，发现成果均符合精度要求。

通过进一步与水库管理部门进行沟通，调查得知水库所在地政府在2007年～2015年期间对水库进行了清淤
工作。

具体情况，见表2。

2)水位在150 m～153 m时面积有所减少，经过与“三查三定”图形对比分析，
得出主要原因有两个：
一是，因近期雨水较少，比较干旱，库区水位较低，测绘时库区水位在144 m，
库区裸露地被附近村民整理加固成为耕地及林地，造成附近地形偏高，水库面积缩小；
二是，在库区内局部有清淤土方弃土，导致面积缩小；水位在153 m以上时，面
积变化较小，基本符合现状。

经过分析得出：此次库容曲线测量在技术手段、水下测量、测图精度等方面均优于2001年度库容曲线的测定；与“三查三定”结果相比，此次库容曲线成果精度有了较大提高，能够满足今后水库调度运行的使用。

具体情况如下：
1)技术手段方面。

控制测量利用SDCORS技术布设，测量精度优于原来的三角锁
布网、经纬仪观测等控制测量的模式；地形图测量采用全野外数字化测图方式，数据精度均高于“三查三定”时的平板测图方式。

2)水下测量方面。

利用华测双频测深仪D530，保证了水深测量的精度，合理布设测线保证了水深测量点的密度。

3)测图比例尺方面。

本次库容曲线测图比例尺为1∶1 000，其数据精度优于以往。

4)计算方法方面。

本次采用计算机成图、测量软件自动计算面积的方法，降低了误差，消除了原来的求积仪法量算面积的误差；等高线勾绘采用计算机为主人工干预为辅的交互模式，将手工勾绘等人为误差降到最低。

该方法也可以作为中型至中大型水库库容曲线常规测量方法。

【相关文献】
[1] 杨飞，马耀昌.GPS在水下地形测量中的应用研究[J].地理空间信息，2006，4(3)：20-22.
[2] 陈纪涛，杨凤栋.测深仪与测深杆比测试验与分析[J].人民黄河，2010，32(10)：57-59.
[3] 陈钧，万军，施卫星.双频测深仪测深研究[J].海洋测绘，2008，28(6)：70-73.
[4] 陈铁鑫，魏荣灏，张杰，等.第5代多波束测深系统在水库库容测量中的应用[J].人民长江，2016，47(9)：29-32.
[5] 傅文祥，詹登峰，潘宝玉.RTK像片控制测量及其精度检验[J].测绘工程，2004，13(1)：47-49.
[6] 吕小霞.Mapinfo与Surfer结合在雨量等值线图绘制中的应用[J].广东水利水电，2011，4(12)：57-58.
[7] 高圣益，李成国.水库库容测量技术研究[J].人民长江，2007，38(10)：98-99.。