仕陽水庫庫容曲線測量成果合理性分析

莫正濤 王德明 莫曉鈺

(1.莒縣仕陽水庫管理中心，山東 莒縣 276526；2.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100)

1 庫容曲線測量的必要性

仕陽水庫總庫容1.364億m3,興利庫容0.6987億m3，死庫容0.0245億m3，現狀庫容系數為1.05，具有較大的增容潛力，現有庫容曲線測量時間距今已40多年，由于多年來受自然與人為因素影響，庫區地形有所變化。為了更好地把握人類活動和自然因素對庫區地形變化的影響，了解庫容曲線的變化情況，充分挖掘水庫的雨洪資源利用潛力，提高興利水位，獲取精度更高、準確性更強的庫區地形資料，尤其是水下地形資料，準確計算水位與庫容的關系，莒縣仕陽水庫管理中心委托山東省水利勘測設計院組織技術人員進行了水下和陸上地形測量，通過更為先進的庫容計算方法，準確計算水位與庫容的關系，為水庫增容工程實施，提供了準確的基礎資料，同時也將提高當地雨洪資源利用水平，緩解當地水資源供需矛盾，因此進行庫容曲線測量復核是非常必要的。

2 庫容曲線測量方案

1∶2000地形圖的水面以上陸地部分測圖方式為航攝綜合法測圖。本次航攝綜合法測圖利用了無人機進行航拍，獲取外業最原始影像數據，利用后處理動態(PPK)GNSS技術建立準確的圖像位置，實現了無像控航攝。為確保成果質量，布設一個校核點，用于檢驗數據質量。具體作業模式為：首先實施外業航飛，完成測區內像控點平高校核，先后完成對數碼相片的空三加密、正射影像測圖、數字高程模型制作與編輯、數字正攝影像生產與后處理等工序，然后將正攝影像和數字線劃圖疊加，進行現場調繪補測。考慮到水利工程項目對于高程的特殊要求，圖面高程點全部以全野外數字化方式采集，最后利用實測點進行數字高程模型精化編輯，并生成等高線等地貌要素，最后提供全要素的數字化地形圖。

1∶2000地形圖水下地形測量采用測量船上架設GPS接收機掛接全數字雙頻測深儀的模式，由GPS接收機獲取水下點的平面坐標，測深儀直接獲取水下點的高程數據，完成水庫水下地形測量，最終室內生成水下等深線。本次水下測量采用的方法為斷面法，相鄰航線間距為40m，航線上每隔10m采集一次數據。

3 水庫庫容計算

本項目采用等高線容積法進行水庫庫容計算，等高線容積法計算水庫庫容是一種計算精度較高的方法，根據1∶2000地形圖準確量算出各水位高程等高線的面積，通過模型計算出不同水位的水庫庫容。該計算模型建立在把水體按不同高程面微分成n層臺體，整體庫容由n層臺體體積積分求得。考慮到形體的不規則性，等高線容積法計算水庫庫容數學模型為

(1)

式中V——庫容,m3；

Si——第i根等高線面積,m2,且S0=0；

hi——第i～i+1根等高線之間高程差,m。

本次新測量高程基準采用1985國家高程基準。1985國家高程基準于1987年5月開始啟用，1956年黃海高程系統廢止。由于搜集到的仕陽水庫的歷史資料高程系均采用1956年黃海高程系，規劃設計部門所提的參數指標也采用1956年黃海高程系，現測區內的水準標石成果高程系均為1985國家高程基準，不具備在1956年黃海高程系下進行高程測量的條件。為了與歷史資料進行對比，本項目將提供水庫庫容曲線1956年黃海高程系成果，為此搜集測區附近同時具備兩套高程系成果水文站點的水準標石成果，求取測區高程系間的換算關系,見表1。

表1 高程成果比較 單位：m

由于水準點Ⅲ魯臨水文1就在測區內，采用Ⅲ魯臨水文1的兩套高程成果差值為本項目的高程換算關系，即：1956年黃海高程系高程=1985國家高程基準高程+0.041m。

4 庫容曲線測量成果的合理性分析

仕陽水庫現采用的庫容曲線為山東省水利廳1985年刊印的《山東省水利工程三查三定資料匯編》中的成果，資料來源(79)魯水文字第5號“仕陽水庫水位、庫容、面積、泄量關系表”，高程系為1956年黃海高程系。仕陽水庫建庫已近60年，現有庫容曲線測量時間距今已40多年，這期間庫區受自然因素及采砂等人類活動影響，水位-面積-庫容關系將產生一定的變化，為明晰水位-庫容-面積關系的變化，本次重新對仕陽水庫庫區進行了測算。仕陽水庫水位-面積-庫容關系與三查三定成果對比(1956年黃海高程系)見表2。

表2 仕陽水庫水位-面積-庫容關系與三查三定成果對比(1956年黃海高程系)

4.1 測量成果對比

“三查三定資料”與本次新測量仕陽水庫水位-面積曲線、水位-庫容曲線相比，新測量的水庫庫容在水位145m以下有所減少，在145m以上有所增加，在高程137.00～139.00m所在區域水面面積有所減少。具體情況見圖1～圖2。

圖1 新測量成果與三查三定成果水位面積差

圖2 新測量成果與三查三定成果庫容增量

4.2 測量成果分析

經過綜合分析，在死水位141m時，庫容減少值達到最大，之后庫容開始逐步增加，減少的58.2萬m3是由于水庫的淤積，相對三查三定成果有所減少；在141m以上各水位下水庫庫容均有所增加，在160m處庫容增加193.5萬m3，是因為水庫受上游河道多年的自然沖刷、治理以及當地群眾自發取土取砂影響。

高程137.00m和139.00m所在區域面積減少，與水庫淤積的實際情況相符；高程155.00m區域面積減少，與后期修建的穿越庫區的鐵路占地情況基本相符。

與三查三定成果相比較，高程137.00～139.00m區間與139.00～141.00m區間的庫容在減少，與水庫淤積情況相符合；高程150.00～150.50m、150.50～151.00m、155.00～155.35m、155.35～156.00m區間，從數據上看庫容確實發生了突變，但考慮到150.50m、155.35m的三查三定庫容是線性內插的數據，在150.50～151.00m、155.35～156.00m區間數據上出現了一個突變，同時在150.00～150.50m、155.00～155.35m區間也出現一個符號相反的突變，該變化可以認定為內插數據精度導致的。

從整體來看，本次新的測圖范圍要明顯大于三查三定的庫區范圍，尤其是各支流的追溯距離，這也是158.00m高程以上無論是面積還是庫容都增大的原因，另外由于20世紀70年代所采用測量方法受當時技術的限制，觀測精度、點位密度均不及現在，也造成一定的系統差異。經資料收集，仕陽水庫庫區里莊村附近存在采砂行為。

經分析認為：本次基礎數據的采用、計算方法、測量技術以及地形圖的精度都優于以前；并且水庫庫區受自然與人為因素影響，庫區地形有所變化也是正常的。

a.測量技術手段比較：本次測量采用了先進的觀測設備GPS接收機、測深儀等，在觀測手段上和數據處理上，精度要優于早期的方式；地形圖測量和水下測量由于采用了全野外數字化采集方式，在高程精度和平面精度方面，也大大優于早期的數據采集方式。

b.采用基礎數據比較：現在的庫容曲線是在1∶2000 地形圖數據上進行求取的，早期的測量成果成圖比例一般都小于1∶2000，其技術數據的精度較本次的成果相對要差。

c.后期修建的鐵路、挖設的魚塘、局部取砂以及河道多年的自然沖刷、治理等情況均對庫容產生影響。

因為兩次庫容曲線測量相隔近40年，隨著年代的變遷，在自然及人力的影響下庫區地形有所變化，導致庫區面積和庫容發生一定變化。

5 庫容差異說明及保護建議

與三查三定測量成果相比，本次新測量的水庫庫容曲線在死水位141m以下庫容減少58.2萬m3，死庫容由304萬m3變為245萬m3,在興利水位153.50m以下庫容增加65.5萬m3，但在145m以下減少28.7萬m3，興利庫容由6863萬m3變為6987萬m3，由于145m以上庫容均有所增加，防洪庫容由2170m3變為2181萬m3，調洪庫容由2479m3變為2486萬m3，因仕陽水庫批復的防洪限制水位和興利水位為同一水位153.50m,所以重疊庫容為0，經分析認為，145m以下庫容減少是由于水庫的淤積造成的，145m以上庫容增加是由于水庫受上游河道多年的自然沖刷、治理以及當地群眾自發取土取砂造成的影響，因此建議：

a.加快推進水庫增容工程，通過實施增容工程，在保證防洪安全的前提下，提高水庫興利水位以增強其水資源調蓄能力，提高雨洪資源利用率。

b.積極開展“林水會戰”、小流域綜合治理等工程，通過生態修復，增加區域內林草植被覆蓋率，減輕水庫上游水土流失對水庫的淤積。

c.加強水法規和河湖管理條例的宣傳，依法治理水庫管理和保護范圍內違法建筑和亂開亂采現象，加強飲用水水源保護區規范化建設，建設物理防護隔離、生態防護、自動監測站，完善應急防控體系,全面實施飲用水水源地周邊及上游地區的污染治理，加強提升水源涵養能力。

6 結 語

新測量庫容曲線計算采用了更為先進的測量方法和裝備，技術數據的精度優于早期觀測成果，與水庫庫區實際狀況更為相符，充分反映了自然因素和人為因素對水位-庫容-面積關系的影響，經山東省水利廳組織專家評審，認定新測庫容曲線測量成果合理可行，將對今后仕陽水庫防洪和興利起到技術性指導作用，以便真正起到庫容測量復核的目的。