水库库容与淤积量的精密测量及计算

水库库容与淤积量的精密测量及计算
刘国强
（广东省水利电力勘测设计研究院，广东广州510170）
摘要:针对传统的水库库容、淤积量的测量及计算方法的缺陷，采用现代高精度（GNSS）全球定位技术、回声测深技术及三角形的构网方法，对水库库容和淤积进行测量研究，经实际运用取得令人满意的效果。

关键词：水库库容；淤积监测
水库，是在山沟或河流的狭口处建造拦河坝等水利工程建筑物而形成的人工湖泊，在人类的生活中它发挥着重要的作用，如蓄水发电、航运、水产、灌溉以及防洪调度等，是人类不可或缺的一下重要措施，并且其在人类生活中的作用也越来越大，为人类带来了巨大的社会效益和经济效益。

但是我国目前有很多水库是在上世纪五、六十年代建成的，运行至今已有五、六十年，水库淤积严重及库容受损，产生的社会效益和经济效益越来越少。

水库调度的参数有很多，但其中水库库容和淤积量的精度可以对水库的防洪安全与徐水兴利产生影响，所以传统库区容量及淤积量测量精度难以保障，但随着现代测控技术的迅速成长，依靠高精度（GNSS）全球定位技术和回声测深技术，测量精度得到了很大提高和保障。

我们对高州水库、公平水库、雁田水库及长龙水库进行了水下地形测量，准确测量出了水库的库容和淤积量，其测量的方法是三角形构网，主要利用了“三角柱”的水珠体积和淤积体积进而测量出水库的库容和淤积量，在实际应用中取得了比较满意的效果。

1 常规库容及淤积量的确定
以前，人们对常规的库容和淤积量的计算方法主要是断面法。

计算库容的模型是：
式中：Vi、Li为第i个断面到第i+1个断面间的库容和距离；n为分段个数；Si、m、d、hi 分别为第i个断面的面积、测点个数、点间距和每个测点的深度测量值。

断面法的操作方式很简单，但其会受到前提假设的约束，所以很难保证测量结果的精度。

而淤积量的获得是依据前后两次库容的较差，所以导致库容的精度不准确，进而导致无法测量淤积量的精度。

2 高精度水下地形测量技术
2.1 水下地形测量：
水下地形测量是利用了测量仪器来对水底点的三维坐标确定的一个过程。

近年来GNSS 全球定位技术在不断的发展，对水下地形测量的方法的发展有很大的推进作用。

现如今，水下地形测量技术的基本模式都是利用GNSS来获得平面坐标，测深仪获取深度数据。

并专门为水下地形测量设计了具备两路数据输入（出）接口的测量软件，同时将GNSS定位数据、水深数据输入到电脑中，经软件处理后显示在屏幕上，并具备设置测量行走路线和显示测量船的移动轨迹及导航信息等功能。

作业时测量船按照设计好的路线行走，软件就会自动
记录水底下测点的三维坐标及水深，数据将按照一定的格式保存在数据库中，供成图使用。

此方法比使用全站仪在岸边等待测船定位后再测量的传统方法，精度和效率都有很大提高。

2.2 高精度库容和淤积量测量方法：
目前人们测量库容和淤积量的方法主要是现代水下地形测量方法，其作业模式主要是同时应用GNSS载波相位差分测测量技术和深测仪来分别获取平面定位和深度测量，以此来获取水下测点平面位置和深度信息。

为了使库容和淤积量的计算精度有所保证，必须是等间隔或者等时间对水下地形测量规范进行采样，同时也需要对库区进行测线设计。

设定测量比例尺为1:Scale，测量船的平均速度为，则测线间距d和时间间隔Δt为：
d=Scale×10-4
Δt=d/
在对布设进行测线时，还应该把水下地形的变化趋势考虑进去，如果变化相对比较平坦时，则可适当放宽测线间距，否则，则需要对测线间距进行加密。

这对于整个测区的水下测点的均匀分布是有利的更更好地反映水下地形的真实面貌。

2.3测量过程：
一般按照以下步骤进行测量：
（1）准备工作。

准备工作范围十分广泛，例如人员、仪器选择和校验，测量船只、水上安全救生设备等一系列的准备工作。

（2）设定测量比例尺。

根据库容和淤积量计算精度要求，一般采用1:1000或1:2000比例尺的水下地形测量。

（3）对测线进行设计。

在对测线进行布设时，应该把地形的变化趋势考虑进去，如果地形的变化趋势比较平坦，则可以放宽测线间距，否则，就需要对测线间距进行加密。

在近岸等变换地域加密测点，这样可以真实反映水下地形的真实面貌。

（4）参数间的转换。

依据事先选取得控制点坐标，将相关仪器进行调整，并设定好相关参数。

为了确保水下地形测量中水面高的准确性，每隔一段时间测一次水面高，水面高变化需要详细记录。

（5）对设备进行安装并检测其工作状况。

将GNSS 基准站和移动站以及测深仪都安装好，并连接到计算机上。

事先对仪器进行测试，以保证所有仪器都处于正常工作状态。

（6）校验仪器，设定初始值。

在每天进行水下数据采集开始前，必须对使用的测深仪进行测深检查，每次测深始、终点都要用皮尺或测深绳各检查一次，做好记录，并确认仪器工作状态运转正常，方可以开始作业。

在作业过程中，如发现仪器显示反应异常，应停止作业并进行检查，做好记录，以确保水深数据采集的准确性。

（7）测量船开始工作。

为保证测量精度，经过多次实践，将测量船的航速定为 3.0m/s 左右，
（8）数据采集。

用2台实时差分GNSS接收机，1台作为基准站（参考站），设置在岸上已知控制点上，另1台作为移动站安置测船上，测深仪与接收机连接组成一个水下定位测量系统。

基准站与移动站必须在所有测量时间内维持5颗以上公共卫星的连续锁定，当基准站接收机接收到5颗以上卫星数据后，立即通过电台（数据链）把基准站数据发送到移动站，移动站实时得到卫星载波相位差分数据后，自动解算出平面（X、Y）数据，同时，测深仪并同步记录测量的水深值，即时获得水下测点位置的坐标、高程和测量精度。

（9）地形图编辑。

将所有采集到的数据利用中海达海洋测量软件进行水深数据光滑、水位数据批量处理，并转换成南方地形图数据处理软件格式，在Cass9.1平台上进行地形图
编辑、成图。

3库容和淤积量的计算方法
3.1 库容计算方法
水库库容计算方法是首先对地形图中所有高程点进行粗差检查，剔除有问题的点，并同地形图中的等高线构建不规则三角网（Tin ），利用TIN （不规则三角网）来模拟库区三维地表。

TIN 是根据区域内有限个点将区域划分为三角形网络，可以用来表征区域的数字高程，三角形的形状和大小取决于不规则分布的测点密度和位置，其能较好地描述三维物体的表面。

构建TIN 建立的库区三维地表模型，需要进行边界裁剪，才能在后续的工作中准确计算库容。

因而，利用库区的多边形边界对TIN 进行边界裁剪，得到库区三维地表模型如图。

当库区的三维地表模型建立完成后，在对库容进行计算时就可以利用TIN 。

在计算每一个水位的库容时，在生成的不规则三角网中，应先把每一个三角形柱体的容积计算出来，最后累积得到指定水位的库容，同时将所有三角形。

每一个三角形用斜平面拟合，上表面为参考面（指定水位所在水平面），库容计算公式如下：
∑=⨯++=
p
k
k k k k i S Z Z Z V 1
321
3)( 公式-1
∑==
p
k
k i S S 1
公式-2 上式中，i V 表示i m 水位的库容；i S 表示i m 水位的水面面积；k 表示i m 水位对应
TIN 中的第k 个三角形；p 表示i m 水位对应TIN 中的三角形个数；k Z 1、k Z 2、k Z 3
分别
图1 库区三维地表模型
表示i m水位到第k个三角形三个顶点的高差；k S表示第k个三角形在水平面上的投影面
积。

为提高计算精度，高程起算面间距越小，精度越高。

3.2 淤积量计算方法
当库底的构造为基岩时，采用双频（f1、f2）测深仪测深，淤积量的计算方法和库容的计算方法类似。

4 实验及结论
在长湖水库库容及淤积测量中使该方法得到应用和验证。

长湖水库为截滃江而成的径流式日调节水库，其主要作用是发电，兼有的综合功能为防洪和灌溉等。

水库集雨面积4800平方公里，在滃江流域总面积中所占的比为97.36%，总计测量4～5万个测点。

按要求确定计算库容的水位区间以及间隔，即49.0m~63.0m，且每隔0.5m计算一次库容。

计算库容，整理成库容曲线成果表，见下表。

库容曲线成果表表1
在实际测量过程中，各项数据一般都是自处理动生成的,但在处理过程中需要注意以下几点：
（1）对于比较大型的或由江河形成的自然库区，可根据测区范围和测点数量，对整个库区区域根据坐标进行划分，然后在结合拓展三角形的范围索引各个分割区，在各小区域内实现快速搜索。

这样即节约计算机内存，又提高三角形的构网速度。

避免由于数据的过快增大，在对库区三角形进行构造时，可以有效的避免因存储和搜索范围过大，占用计算机内存过多，从而使计算速度减慢或者死机。

（2）根据水下地形测量给出的水面以下深度的测量结果，可以对水底到水面高程变化的库容曲线进行计算，但是无法计算和绘制高出当前水面的水位面库容曲线。

如国要获得一个能够库区容量变化进行全面反映的库容曲线，就必须把库区高出水面边缘陆地的数字高程信息引入库容计算中。

获得库区水面上边缘陆地的数字高程信息的途径有两种：一种是应用GNSS载波相位差分技术进行动态地形测量获得的陆地数字信息，即GNSS天线相位中心
的平面位置就是陆地测点的平面位置，在相位中心的高程的基础上减去天线高即为陆地高程；另一种是通过已有的地形图或DTM。

（3）同时将原有地形图和现有测量成果用于计算库容曲线计算时，必须确保两套资料的高程系统和坐标系统匹配。

5结语
现代水下地形测量的方法有GNSS的技术与常规方法，在这两者中，GNSS明显具有更多优势，如它的各项数据都是自动生成的，这几缩减了大部分的工作量。

而且它采集的数据是实时动态的，因此具有数据的真实性和客观可靠性，并且有很多的优点，如定位精度高、计算结果精确、速度快、数据量大等。

通过应用该先进的测控设备技术得出的库容曲线进行分析研究，可以宏观地对水库进行调整和整治，同时也为评估水库的安全性和可靠性等提供了依据，为增加水库的最大效益提供了科学依据。

参考文献
1、党安荣，贾海峰等.2005.Arcgis 8 Desktop 地理信息系统应用指南，清华大学出版社。

2、汤国安，杨昕.2006.ARCGIS地理信息系统空间分析实验教程，科学出版社。