漳澤水庫水下地形測(cè)量以及庫容曲線分析

程啟亮 張 薔

（長(zhǎng)治市水文水資源勘測(cè)站）

隨著水文信息自動(dòng)化不斷發(fā)展，許多新的測(cè)量?jī)x器配備應(yīng)用于基本水文站，極大緩解人力成本。傳統(tǒng)的水庫水下地形測(cè)量方法是人工測(cè)量水深，推求河底高程，從而計(jì)算庫容曲線[1]。采用ADCP 采集庫底高程數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理之后，使用ArcGIS 建立數(shù)字高程模型，編寫腳本文件計(jì)算固定水位分級(jí)相應(yīng)庫容是一種新興計(jì)算方法。這一方法可以大量的節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算結(jié)果的精度。本文采用ADCP 對(duì)漳澤庫區(qū)進(jìn)行水下地形測(cè)量，然后基于ArcGIS 軟件構(gòu)建了該庫數(shù)字高程模型。

1 水庫基本情況

漳澤水庫樞紐位于濁漳河南源干流上，控制流域面積3 176 km2，上游年均來水量為2.25 億m3，水庫總庫容為4.27 億m3[2]，平均水深為5.49 m，為淺水水庫[2]（見圖1）。水庫年內(nèi)降水不均且變化較大，多年平均降水量為573.3 mm，多年平均氣溫為8.6 ℃。漳澤水庫是長(zhǎng)治市重要水源地，是一座以工業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉、防洪為主，兼顧養(yǎng)殖和旅游等綜合利用的大型水庫。近年來，隨著國家對(duì)環(huán)保、水污染治理的高度重視，漳澤水庫水質(zhì)污染情況得到有效緩解。依據(jù)山西省水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心長(zhǎng)治分中心2019年、2020年對(duì)漳澤水庫的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料分析，水質(zhì)整體分別達(dá)到為Ⅲ、Ⅳ類水質(zhì)。

圖1 漳澤水庫位置及上游水利工程分布圖

2 水庫水下地形測(cè)量

2.1 數(shù)據(jù)采集

在施測(cè)水域測(cè)量時(shí)，可先通過預(yù)測(cè)或查閱相關(guān)資料得到最大水深，然后使用ADCP 測(cè)量模式。ADCP 在測(cè)量中采用的是自動(dòng)采集模式，設(shè)置單元層厚度為0.10 m。工作前，利用帶有CORS 功能的GPS RTK 將測(cè)量中的某一垂線的左右控制點(diǎn)坐標(biāo)輸入到流動(dòng)站手薄中，以兩點(diǎn)建立一條直線，進(jìn)行放樣操作，允許設(shè)置偏離直線左右距離0.3 m～0.8 m，并將實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示在手薄屏幕上，施測(cè)人員根據(jù)偏移直線距離隨時(shí)校正航向，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航，確保沿垂線航行。在測(cè)量啟動(dòng)前，將每一條垂線用GPS RTK流動(dòng)站精確定位起始水邊，記錄并在計(jì)算機(jī)終端輸入換能器與水邊之間距離，待到達(dá)對(duì)岸后，用同樣方法記錄并輸入相應(yīng)距離。整個(gè)斷面的水深和垂線位置等數(shù)據(jù)，通過數(shù)傳電臺(tái)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，系統(tǒng)軟件連續(xù)實(shí)時(shí)采集、記錄、儲(chǔ)存。測(cè)量結(jié)束后，利用WinRiver2 軟件以ASCII 文本格式導(dǎo)出需要的水深和距離數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終形成各個(gè)垂線的Excel 表。

考慮到近岸邊的水淺且實(shí)際中水草、亂石等多因素的影響，ADCP 換能器測(cè)量精度很難有效保障，需采用激光測(cè)距儀，測(cè)量漳澤水庫水面邊界點(diǎn)的坐標(biāo)，得到水面邊界線的輪廓。

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換是將PTK 實(shí)際測(cè)量的WGS84 大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為西安80 大地坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換計(jì)算需三個(gè)步驟，其數(shù)學(xué)模型是：

WGS84 大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換空間直角坐標(biāo)：

式中：N—橢球面卯酉圈的曲率半徑；e—橢球的第一偏心率；a、b—橢球的長(zhǎng)短半徑；B、L、H—WGS84大地坐標(biāo)；X、Y、Z—WGS84 空間平面直角坐標(biāo)。

WGS84 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換西安80 坐標(biāo)系：

其中：

式中：R—旋轉(zhuǎn)矩形；ω—旋轉(zhuǎn)參數(shù)；m—尺度參數(shù)；X、Y、Z—空間平面直角坐標(biāo)。

西安80 空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換大地坐標(biāo)：

式中：N—橢球面卯酉圈的曲率半徑；e—為橢球的第一偏心率；B、L、H—西安80 大地坐標(biāo)；X、Y、Z—西安80 空間平面直角坐標(biāo)。

本次共29 個(gè)控制點(diǎn)，采用RTK 進(jìn)行放樣測(cè)量，測(cè)量使用GPS 雙頻接收機(jī)，型號(hào)為萊卡GS14。然后利用MAPINFO 軟件在庫區(qū)內(nèi)布置測(cè)深垂線，求得左右控制點(diǎn)坐標(biāo)。將地理坐標(biāo)輸入到GPS RTK 中，使用GPS RTK 定位控制點(diǎn)，通過左右控制點(diǎn)，連成一條直線，確保ADCP 在該垂線上測(cè)量。每一垂線測(cè)量啟動(dòng)前，用GPS RTK 流動(dòng)站定位起始水邊，并記錄水邊的距離，到達(dá)對(duì)岸后，同樣用GPS RTK 流動(dòng)站定位結(jié)束水邊，并記錄到水邊的距離，從而采集垂線斷面的水深和位置等數(shù)據(jù)[2]。由于ADCP 測(cè)量需要一定的入水水深，近岸邊的水深無法測(cè)量，需采用激光測(cè)距儀，測(cè)量漳澤水庫水面邊界點(diǎn)的坐標(biāo)，得到水面邊界線的輪廓。

本次漳澤水庫水下地形測(cè)量共施測(cè)59 條垂線，以及水面邊界線，如圖2 所示。數(shù)據(jù)成果包括垂線上各點(diǎn)的坐標(biāo)經(jīng)緯度以及高程。數(shù)據(jù)結(jié)果以Excel格式存儲(chǔ)。

圖2 漳澤水庫水下地形垂線分布圖

3 庫容分析

3.1 降雨分析

收集研究區(qū)1956-2018年19 個(gè)雨量站的降雨資料，并計(jì)算面平均雨量。1965-1985年系列降水均值為587.1 mm，最大降水為911.2 mm，最小降水為367.1 mm；1985-2004年系列降水均值為571.0 mm，最大降水為993.1 mm，最小降水為343.9 mm；2004-2016年降水量平均值571.3 mm，其中，最大值713.5 mm，最小值446.5 mm。

3.2 徑流分析

利用漳澤水庫東大關(guān)、高河、西蓮、湛上等進(jìn)庫站徑流數(shù)據(jù)，分析水庫入庫徑流，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均從1992年開始收集整理。1965—1992年入庫水量計(jì)算采用下式計(jì)算：

式中：W入庫—入庫水量；W出庫—出庫水量（包括灌溉、工業(yè)供水和棄水）；W蒸發(fā)—庫區(qū)蒸發(fā)損失；W滲漏—庫區(qū)滲漏損失；ΔV—當(dāng)月庫蓄變量。

庫區(qū)的蒸發(fā)損失按蒸發(fā)深和水庫水面面積計(jì)算，庫區(qū)滲漏量按水庫月蓄水量的1%計(jì)，庫容曲線采用相應(yīng)年份實(shí)測(cè)或內(nèi)插的庫容曲線。1993—2018年直接采用四個(gè)入庫站資料。1965年至1985年平均徑流量為18 405 萬m3，1985年至2004年平均徑流量10 578 萬m3，2004年至2018年平均徑流量12 154 萬m3。

3.3 庫容計(jì)算

采用以下計(jì)算庫容：

式中：d—DEM 格網(wǎng)間距；hi第i 個(gè)格網(wǎng)的高程；H—水位高程；n—水位高程H 以下的格網(wǎng)總數(shù)；Vi—第i個(gè)格網(wǎng)水位為H 的水面間四棱柱的體積；V—水位H 對(duì)應(yīng)的庫容；S—水位H 對(duì)應(yīng)的面積。

采用AICGIS-3D Analyst 工具中的功能性表面體積工具和生成的高程數(shù)字模型計(jì)算漳澤水庫庫容。本次計(jì)算水位分級(jí)為0.2 m，利用腳本文件計(jì)算可以得到每個(gè)水位分級(jí)對(duì)應(yīng)下的庫容值，庫容曲線如圖3。

圖3 漳澤水庫庫容曲線

漳澤水庫自建庫以來，1985-2004年施測(cè)過水下地形，將2018年施測(cè)的水下地形數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（見圖4）。

圖4 漳澤水庫水位與庫容

1965-1985年，漳澤水庫總淤積量為1 693 萬m3，漳澤水庫平均淤積量為84.7 萬m3/年。1985-2004年，漳澤總淤積量為500 萬m3，漳澤水庫平均淤積量為26.3 萬m3/年。2004-2018年，漳澤水庫總淤積量為396 萬m3，漳澤水庫平均淤積量為28.3 萬m3/年。

從圖4 中可以看出，隨著水位的增加，淤積量增大，達(dá)到一定水位后淤積量減少，所以，2018年與歷年曲線間距為中間胖兩邊瘦。從水庫的淤積形態(tài)可以看出，漳澤水庫屬于三角洲形態(tài)[3]。

3.4 合理性分析

收集降水、徑流量資料，通過水沙相關(guān)關(guān)系，分析水庫淤積情況，驗(yàn)證庫容曲線的合理性。水流中的含沙量主要是受暴雨影響，降水量越大，徑流量越大，含沙量則越大。1965-1985年間，降水量比較大，徑流量相應(yīng)較大，徑流泥沙含量多，入庫的泥沙含量高。1986-2004年與2005-2018年兩系列比較，2005-2018年入庫徑流量均值較大。因此，1965-1985年入庫含沙量最大，2005-2018年入庫含沙量居中，1986-2004年入庫含沙量最小。經(jīng)計(jì)算，1965-1985年平均水庫淤積為84.7 萬m3，1986-2004年平均水庫淤積為26.3 萬m3，2005-2018年平均水庫淤積為28.3 萬m3，基本符合降水-徑流-產(chǎn)沙規(guī)律。

4 結(jié)論

本文采用ADCP 系統(tǒng)進(jìn)行漳澤水庫水下地形測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果導(dǎo)入ARCGIS 軟件中進(jìn)行處理，構(gòu)建水庫數(shù)值高程模型，計(jì)算出水位分級(jí)為0.2 m 的庫容曲線，得到1965-2018年期間漳澤水庫最大水位為900.86 m，相應(yīng)庫容8 021 萬m3，2004年庫容總淤積量為396 萬m3，年平均水庫淤積量為28.3 萬m3。