基于RTK技術(shù)的黃前水庫淤積測量及成果分析

李 浩 丁若冰 孫雪琦

(山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014)

1 水庫概況

黃前水庫位于泰安市郊泰山東麓，水源由泰山、長清嶺和大青山的3條溪流匯聚而來，流域?yàn)樯刃危刂屏饔蛎娣e292 km2，多年平均來水量6 000萬m3。水庫總庫容8 248萬m3，興利庫容5 913萬m3，原設(shè)計(jì)為多年調(diào)節(jié)水庫，以灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)魚，并兼有發(fā)電綜合開發(fā)利用的一座中型水利樞紐工程。1992年，為緩解泰安市供水緊張局面，經(jīng)省計(jì)委、水利廳批準(zhǔn)，黃前水庫在原有灌溉、防洪等功能的基礎(chǔ)上，新增作為泰安市主要飲用水水源地這一功能。水庫現(xiàn)日供水能力10萬m3，占泰安市城區(qū)供水總量的70%以上。

黃前水庫流域以剝蝕構(gòu)造地貌為主，山體渾圓坡緩，河流溝谷以“U”字型結(jié)構(gòu)為主。丘陵平原區(qū)地形起伏較小，溝谷不發(fā)育，以殘坡積及沖擊堆積物為主。區(qū)域底層以太古界“泰山群”為主，分布于西部山區(qū)及東部丘陵帶。目前，仍將“泰山群”及其之間的巖脈稱為泰山雜巖，雜巖主要是由經(jīng)受了不同變質(zhì)作用，且大多又遭受混合巖化作用的正副變質(zhì)巖組成，其巖性主要為：交代式花崗片、斑紋狀混合巖、混合花崗巖、片麻巖等；此外，還有寒武系頁巖、灰?guī)r、砂巖和第三系紅色礫巖在西南部零星出露；第四系則主要分布于山前及溝谷中，其巖性為洪積碎礫巖、坡洪積碎石、殘坡積礫質(zhì)土、沖洪積沙礫石及礫質(zhì)土互層等。

庫區(qū)屬暖溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季晴和氣爽，冬季寒冷少雪，多年平均氣溫18.5 ℃，不小于0 ℃積溫3 821 ℃，年均無霜期196 d，多年平均降水量758 mm，75%的降水量集中于6月份～9月份，最大年降水量1 303 mm(1964年)，連續(xù)3 d暴雨量238.6 mm，最小年降水量334.4 mm(1989年)，多年平均徑流深254 mm。

黃前水庫于1958年動(dòng)工興建，1960年建成蓄水，1983年水利工程“三查三定”核定：黃前水庫為百年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)水位209.00 m；萬年一遇洪水校核，相應(yīng)水位212.17 m。總庫容8 248萬m3，興利庫容5 913萬m3，死庫容440萬m3。

2 RTK技術(shù)

GPS(Global Positioning System,全球定位系統(tǒng))實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(Realtime Kinematic，簡稱RTK)定位技術(shù)，是基于載波相位觀測值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，可以在指定的坐標(biāo)系下，實(shí)時(shí)提供測量點(diǎn)的三維定位結(jié)果，并實(shí)現(xiàn)厘米級精度。在RTK操作模式下，基站通過數(shù)據(jù)鏈路將其觀測值和站位坐標(biāo)信息傳輸給移動(dòng)站。移動(dòng)站接收來自基站的數(shù)據(jù)，并采集GPS觀測數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中形成觀測差值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

RTK測量系統(tǒng)由以下分系統(tǒng)組成：GPS接收設(shè)備負(fù)責(zé)接收定位信號；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)發(fā)送和移動(dòng)站的數(shù)據(jù)接收；軟件系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)求解移動(dòng)站三維坐標(biāo)的功能。

與傳統(tǒng)的手工測量方法相比，RTK具有測量精度高、作用距離遠(yuǎn)、受自然條件影響小、自動(dòng)化程度高、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)。

3 測量過程

黃前水庫是一座中型水庫，庫面面積較大，人工實(shí)施斷面測量工程量過大，因此本文采用無人遙控測量船搭載RTK測量設(shè)備的方式開展庫區(qū)淤積自動(dòng)化測量工作。

RTK測量設(shè)備結(jié)合測深儀共同作用，即可精確定位庫底某一點(diǎn)的三維坐標(biāo)。按照均勻分布的原則密集測量水底泥面點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)，可以構(gòu)建成型水下地形圖，再運(yùn)用疊加原理進(jìn)行運(yùn)算，可得到某一特定水位下的庫容和水面面積。

3.1 坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換

根據(jù)泰安市測繪局提供的控制點(diǎn)坐標(biāo)，設(shè)置好GPS固定站和移動(dòng)站的測量參數(shù)。

平面坐標(biāo)系采用1980西安坐標(biāo)系，中央子午線117°；高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)；投影方式采用高斯—克呂格投影，按3°分帶，投影面用參考橢球面；接收間隔1 s。WGS84坐標(biāo)與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換四參數(shù)精度滿足地形測量要求，轉(zhuǎn)換參數(shù)見表1。

表1 黃前水庫測量轉(zhuǎn)換參數(shù)表

3.2 測線規(guī)劃與測量實(shí)施

根據(jù)水下地形測量規(guī)范要求，測線是一系列間距15 m的平行線，測點(diǎn)密度為間隔5 m，將庫尾及近壩、近岸區(qū)域的測線和測點(diǎn)進(jìn)行加密，以減小誤差影響。

為保證測量精度，經(jīng)過多次現(xiàn)場實(shí)際校核，設(shè)定船速為3.0 m/s。由導(dǎo)航儀實(shí)時(shí)檢控測量船的航跡、航速，保證測量的平穩(wěn)進(jìn)行。

4 測量成果

本文按規(guī)范要求對黃前水庫210.00 m高程以下的水下和岸上共計(jì)11萬個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行了三維坐標(biāo)測量。使用離散點(diǎn)法生成水下地形圖，運(yùn)用疊加原理，獲得黃前水庫水位—庫容—淤積量關(guān)系表(見表2)。

表2 泰安黃前水庫水位—庫容—淤積量關(guān)系表

5 成果分析

根據(jù)1973年5月山東省水文總站施測之庫區(qū)地形圖與建庫前之地形圖對比，自1960年至1973年，興利水位以下總淤積量為389萬m3；將本次測量的成果與水庫管理局提供的1973年施測的地形資料相比較，1973年至今興利水位以下淤積量為234.47萬m3，自水庫建成運(yùn)行以來，黃前水庫209.00 m高程以下總淤積量為623.47萬m3。各特征水位庫容情況見表3。

由表3可以看出各特征水位下的庫容都有變化，這主要是由水庫淤積引起的。1973年之前測定的水庫淤積量大于1973年之后的淤積量原因可大致歸納為以下幾點(diǎn)：

表3 黃前水庫特征水位原庫容、現(xiàn)庫容、淤積量對照表

1)測量方式的差異。

1973年進(jìn)行的淤積測量采用經(jīng)緯儀與回聲測深儀相結(jié)合的方式，測量工具簡單，人為影響較大，本研究測量采用先進(jìn)的GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，測量過程大大減少了人為干擾，準(zhǔn)確度更高。

2)黃前水庫不同年份來水量具有很大變化，差距懸殊。

采用1963年—2005年來水量的統(tǒng)計(jì)資料，根據(jù)距平公式計(jì)算，生成黃前水庫來水量距平歷時(shí)曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，黃前水庫流域在1983年之前來水量變化幅度較小，在1984年之后，變化幅度逐漸加大。通過對兩個(gè)系列進(jìn)行t檢驗(yàn)，1963年—1983年系列均值5 550，方差27 760 132，1984年—2005年系列樣本均值6 902，方差70 126 026，前一個(gè)系列更為均勻。來水量分布不均勻加之黃前水庫功能的不斷強(qiáng)化，供水要求增加，一定程度上會(huì)影響水庫淤積排泄。

3)黃前水庫流域森林植被覆蓋率大大增加。

根據(jù)2006年黃前水庫流域遙感圖像解譯，黃前水庫流域植被覆蓋率達(dá)91%，大面積植被覆蓋在攔蓄洪水的同時(shí)，大大減少了水土流失，從而使得入庫泥沙量減少。