多波束測深系統(tǒng)在陡河水庫庫容曲線和淤積測量中的應用

崔立軍

(唐山市陡河水庫事務中心，河北 唐山 063021)

水庫庫容和淤積量是水庫運行管理與調度的重要基礎數據，其精度直接影響到水庫的防洪安全與蓄水興利。水庫經過多年運行，大壩以上流域及庫區(qū)地形地貌難免發(fā)生巨大變化。如何獲得具有較高精度的庫容曲線用于指導水庫調度是實現水庫精細化運行管理的關鍵。多波束測深系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)單波束以點為基礎的離散式的作業(yè)模式，取而代之以空間面為基礎的立體式作業(yè)模式，實現了水庫水下地形數據的精細化探測，為現代化水庫管理、精準化防洪調度和水資源充分利用提供基礎數據和技術支撐。

1 項目概況

陡河水庫位于唐山市東北15km處的陡河上游，是一座防洪供水并重的大型水利樞紐。水庫于1955年開始興建，1956年建成投入運用，歷經1970—1971年續(xù)建、1976—1977年震后修復、1988—1989年提高保壩標準等工程建設，到1990年全部完工。目前陡河水庫防洪標準為千年一遇設計，萬年一遇洪水校核，總庫容5.152億m3，其中調洪庫容4.414億m3，興利庫容0.684億m3，最大泄洪流量1340m3·s-1，控制流域面積530km2。

為貫徹落實省政府“利用一年半時間完成全省大中型水庫淤積測量和控制運用指標修正工作”的指示精神和河北省水利廳“冀水建管[2016]131號”《關于做好大中型水庫庫容曲線修測和水庫特征值修正工作的通知》文件要求，全面摸清陡河水庫現狀，并對淤積趨勢做出科學預測，最大限度地發(fā)揮水庫效益，科學進行管理和調度，水庫管理部門決定進行水庫庫容曲線修測和水庫特征值修正工作。

2 測量內容

正常蓄水位34m(大沽)以下水域面積1∶500地形測繪，測圖面積約19km2；正常蓄水位以上至43.4m(大沽)陸域面積1∶2000地形測繪，測圖面積約49km2；1∶2000淤積斷面測量：水庫布設約35條淤積斷面，斷面長度約為88km；繪制陡河水庫水位—庫容關系曲線，編制水位—庫容關系表。

3 測量方法

陸上部分采用無人機低空數字攝影測量；水域部分采用多波束測深系統(tǒng)和單波束測深系統(tǒng)完成：對于水深3m以上的區(qū)域使用多波束回聲測深儀測量。水深3m以內的區(qū)域使用單波束回聲測深儀測量。動力船無法駛入的區(qū)域，使用漁船配合測深桿、塔尺GPS-rtk采集水下地表高程。

4 水下地形測量

4.1 測量儀器設備

水下測量準備中海達iBeam8120多波束回聲測深儀1臺，中海達HD310單波束回聲測深儀1臺，測量船2艘，GPS 6臺，測深桿、塔尺、救生應急設備等。

4.2 多波束測深設備安裝和校準

姿態(tài)傳感器安裝在能準確反映測船或多波束換能器姿態(tài)的位置，其方向線平行于船的首尾線。作業(yè)前測定定位天線與姿態(tài)傳感器的相對關系。電羅經安裝在測船的首尾線上，讀數零點指向船首。校準項目的順序為時延、縱搖傾角、橫搖傾角、艏偏，主要修正由于船體起伏、擺動等變化而產生的測量誤差，使各測線的多波束測深數據能夠正確拼接，確定測船的校準值。

4.3 多波束測深掃測作業(yè)

在計算機中根據現場情況設計測線，主測線與大壩平行或平行于等深線總方向，航線間距依據水深選擇等角或等距工作模式，掃測面有15%的重疊。

圖1 多波束掃描航線分布圖

4.4 多波束測深掃測成果

陡河水庫水下多波束測線分布于水庫南側，間隔依據水深調整，最小間距10m，最大間距25m，保證每條測掃面有15%的重疊。共完成103條測線，有效航線里程210km，測繪面積4.78km2。檢測線8條，圖上1mm檢測高程中誤差0.04cm，測量精度可靠。

4.5 淺水區(qū)數據采集

淺水區(qū)數據采集使用中海達HD310型測深儀，測深精度±1cm±0.1%H。GPS接收機經過求參校正后安裝在測深設備上，保持儀器中心與測深設備在同一鉛垂線上，設置GPS儀器天線高(GPS相位中心至測深儀換能器垂直距離)，天線高量至換能器底部并精確至1cm。

依據水下地形成圖比例尺1∶500、等高距0.5m精度要求，設計測深線間距15m，寬度大于50m的支流原則上與岸線(或主流方向)相垂直布設，寬度小于50m的支流內測深線順河流布置，測深線間距小于10m；測深點點位間距為2～5m。

大于1m的水域，水深測量采用GPS定位配合測深儀方法，小于1m的水域或對于測量船不能到達的區(qū)域直接采用塔尺、測深桿配合GPS定位的方法，將現場的水深數據直接記錄在GPS的手簿內。使用儀器桿測量水深時，在桿底部加上橡膠套管，防止桿尖插入水下地表。

4.6 水下測量數據成圖

多波速測深數據處理主要內容有剔除導航、水深等數據的粗差和數據抽稀，對經過數據處理后的數據進行檢核，讀取適量水深點的三維坐標值，與檢測線水深數據校驗其正確性。統(tǒng)計測區(qū)水深的深、淺區(qū)間分布情況，后處理軟件可以將處理好的轉換成CAD.dwg格式，利用南方CASS軟件進行后續(xù)編輯。將岸線測量數據與水下高程數據傳入南方CASS繪圖軟件，生成水下地面模型(DEM)。對DEM進行修改完善，生成等深線，通過對等深線的修改、圓滑等工序完成水下地形圖等深線的繪制。按照1∶500精度要求繪制水下地形圖，水下高程注記點的間距為圖上1～3cm，對高程點過密的進行過濾。水下地形圖與陸域地形測量圖通過編輯、整飾、合并相互銜接后生成數字線劃圖。

5 淤積斷面測量

淤積斷面布設延續(xù)原有布設位置，共找到9個原有淤積斷面點標志，點位比較穩(wěn)定，測量該點位的2000坐標成果，對原有數據進行坐標換算，使得水庫原有成果得以利用并銜接，共計34條斷面。斷面兩端均埋設永久標石作為淤積斷面基點，共設淤積斷面基點60個。

5.1 淤積斷面基點控制測量

利用2個原有淤積斷面點標志，采用HBCORS測量點位2000國家大地坐標系坐標，與小梁山點成果形成3個公共點對，進行坐標換帶，求解轉換參數，對原有1954北京坐標系陡河水庫淤積斷面端點控制成果經行轉換。利用轉換后2000國家大地坐標系成果，進行放樣尋點找到7個原有淤積斷面基點標志。利用HBCORS和網絡RTK技術測量控制點坐標重新測量各淤積斷面基點坐標。根據新建的D級GPS控制網和已知點成果，求定坐標轉換參數，采用HBCORS和網絡RTK技術測量控制點坐標。

5.2 淤積斷面測量

5.2.1 測量方法

根據新布D級GPS控制網和淤積斷面基點CGCS 2000坐標系成果，求解轉換參數。數據采集采用網絡GPS-RTK模式，將基準站安置在已知點上，流動站設置參數后，鄰近測區(qū)D級GPS控制進行驗證。淤積斷面點數據坐標生成斷面線位置文件。岸邊部分使用GPS-RTK直接沿斷面線采集高程數據；水下部分使用多波束回聲測深儀、測量船采集數據，將預設航線生成文件導入測深儀，設置航線采集斷面水下地面高程數據。采集后的水下高程數據按斷面逐條整理。

5.2.2 測量精度

比例尺采用橫向1∶2000，縱向1∶100。斷面點的密度以能充分反映地形變化為原則，陸地部分為圖上1～3cm，水下部分為圖上0.5～1.5cm。河道較窄時所測水深點不少于3點。水下部分測量點高程中誤差執(zhí)行水深測量精度；陸地部分測量點相對于鄰近控制點高程中誤差±0.17m。

5.2.3 內業(yè)繪圖

內業(yè)利用南方CASS軟件進行斷面數據提取，以水庫左邊斷面基點為零點，注記間距，通過軟件繪制斷面圖功能根據已知點坐標文件生成斷面圖。生成斷面圖后，核對斷面圖與線劃圖高程位置關系。

5.3 淤積量計算

利用南方CASS軟件實測淤積斷面數據生成與原斷面線比例尺相對應的斷面圖。在CASS軟件將2次斷面依據斷面基點實際位置疊加，量取水庫、河道位置，比較水下部分兩斷面線圍合面積，求得該條淤積監(jiān)測斷面的淤積面積，逐條斷面依次求得淤積面積，統(tǒng)計淤積斷面河道中心間距，依據公式求得淤積量：

V=S·L

(1)

式中，S為相鄰淤積監(jiān)測斷面的平均淤積面積；L為相鄰淤積斷面間距。

根據淤積監(jiān)測斷面計算2011—2017年陡河水庫淤積量約為71.2萬m3。

6 水位—庫容關系曲線

6.1 建立DEM

利用陸域1∶2000地形圖數據采集中的地面點、線及水系數據生產DEM，在攝影測量工作站上采集特征點、線。在山頭、凹地、鞍部量測特征點。在地形變換處，如坎上、下線、山谷、山脊、河堤、水域線、道路、加固岸等量測特征線。DEM生成后，導入到立體模型中。結合水域1∶500地形圖高程成果生成DEM，DEM模型拼接，生成測區(qū)DEM數據。

圖2 陡河水庫DEM

6.2 庫容計算

為了保證陡河水庫歷史資料的延續(xù)性，庫容曲線計算的高程系統(tǒng)采用大沽高程。本次計算1985國家高程基準與大沽高程轉換參數依據1點數據：1985國家高程+1.313m=大沽高程，水位、庫容計算時取至cm。

由于陡河水庫兩側河道內有大量漁塘，計算庫容時根據水位淹沒線和線劃圖逐個判別是否進水，確定淹沒范圍再計算。圖4所示從內到外依次大沽高28m、32m、36m、40m、43.5m(1985國家高程基準：26.69m、30.69m、34.69m、38.69m、42.19m)5個水位的淹沒范圍線。

圖3 水位大沽高28m、32m、36m、40m、43.5m淹沒區(qū)范圍圖

依據數字地面高程模型(DEM)，利用Arcmap軟件計算各水位對應的庫容，通過Microsoft Office Excel表格整理匯總數據，繪制陡河水庫水位—庫容關系曲線，并制作陡河水庫水位—庫容關系表。

根據各水位淹沒區(qū)范圍面生成相對應的柵格文件。再利用Arcmap工具柵格表面計算土方量功能，輸入陡河水庫DEM柵格作為填挖前柵格面，輸入水位淹沒區(qū)柵格文件為填挖后柵格面。計算的填方量就是該水位對應的水庫庫容。

圖4 大沽高34m水位范圍與水庫DEM對照圖

6.2.1 計算方案

6.2.1.1 陡河水庫特征(大沽高程)

設計洪水位40.3m，校核洪水位43.4m，正常蓄水位34.0m，死水位28.0m。現陡河水庫運行最高庫水位控制在32.8m以下，正常運行水位30～32.8m，34.00m以上對水庫實際運行影響不大。

6.2.1.2 結合陡河水庫特征，確定計算方案

水下部分(28～32m)，水下地表模型不涉及周邊魚塘，利用Arcmap軟件，水下地表模型，計算表面體積功能計算各(0.1m間隔)水位對應水庫庫容。正常蓄水位以下(32～34m)，涉及岸邊魚塘魚塘，利用Arcmap軟件，柵格面計算兩期土方功能，先按0.2m間隔生成各水位對應的淹沒范圍(水位等高線在庫區(qū)最大的圍合范圍)，逐個核對。生成面，轉換為柵格文件，進行后續(xù)計算。正常蓄水位以上至校核洪水位(34～43.4m)，對水庫實際運行影響不大。利用Arcmap軟件，柵格面計算兩期土方功能，按0.5m間隔計算各水位對應的庫容。

6.2.2 計算結果

通過Microsoft Office Excel表格整理、匯總數據，依據相鄰水位對應庫容以算術平均法計算出0.01m的庫容，建立陡河水庫水位—庫容曲線關系關系表，見表1。

6.3 庫容變化原因分析

本次陡河水庫庫容曲線修測項目計算庫容與2011年12月《陡河水庫水位庫容關系表》庫容對比，總體呈現在34m水位以下庫容減少，以上庫容逐步增加的趨勢。分析其原因主要有以下幾方面：水庫管理區(qū)范圍(大沽高程34.3m)修建封閉工程，是庫容呈現在34m水位(正反)變化的主要原因。隨著社會發(fā)展，科技進步，測繪儀器精度越來越高，測繪手段不斷變化，測圖精度不斷提高。計算庫容方法不同，對庫容產生一定影響。以往計算庫容多采用在基本等高線內插等高線法，本次計算使用地表模型柵格數據，可以更真實地反應地表形態(tài)凹凸起伏，計算精度較高。

表1 陡河水庫新舊庫容—水位關系對比

7 結語

多波束測深系統(tǒng)在此次陡河水庫庫容曲線和淤積測量中的應用，實現了水庫水下地形數據的精細化探測，科學、高效、真實地反映了庫區(qū)水下地形，從而獲取了準確的庫容數據及庫容曲線變化趨勢，為水庫管理者實施精準的水資源調度和管理提供了技術支持。