崔立军

(唐山市陡河水库事务中心，河北 唐山 063021)

水库库容和淤积量是水库运行管理与调度的重要基础数据，其精度直接影响到水库的防洪安全与蓄水兴利。水库经过多年运行，大坝以上流域及库区地形地貌难免发生巨大变化。如何获得具有较高精度的库容曲线用于指导水库调度是实现水库精细化运行管理的关键。多波束测深系统打破了传统单波束以点为基础的离散式的作业模式，取而代之以空间面为基础的立体式作业模式，实现了水库水下地形数据的精细化探测，为现代化水库管理、精准化防洪调度和水资源充分利用提供基础数据和技术支撑。

1 项目概况

陡河水库位于唐山市东北15km处的陡河上游，是一座防洪供水并重的大型水利枢纽。水库于1955年开始兴建，1956年建成投入运用，历经1970—1971年续建、1976—1977年震后修复、1988—1989年提高保坝标准等工程建设，到1990年全部完工。目前陡河水库防洪标准为千年一遇设计，万年一遇洪水校核，总库容5.152亿m3，其中调洪库容4.414亿m3，兴利库容0.684亿m3，最大泄洪流量1340m3·s-1，控制流域面积530km2。

为贯彻落实省政府“利用一年半时间完成全省大中型水库淤积测量和控制运用指标修正工作”的指示精神和河北省水利厅“冀水建管[2016]131号”《关于做好大中型水库库容曲线修测和水库特征值修正工作的通知》文件要求，全面摸清陡河水库现状，并对淤积趋势做出科学预测，最大限度地发挥水库效益，科学进行管理和调度，水库管理部门决定进行水库库容曲线修测和水库特征值修正工作。

2 测量内容

正常蓄水位34m(大沽)以下水域面积1∶500地形测绘，测图面积约19km2；正常蓄水位以上至43.4m(大沽)陆域面积1∶2000地形测绘，测图面积约49km2；1∶2000淤积断面测量：水库布设约35条淤积断面，断面长度约为88km；绘制陡河水库水位—库容关系曲线，编制水位—库容关系表。

3 测量方法

陆上部分采用无人机低空数字摄影测量；水域部分采用多波束测深系统和单波束测深系统完成：对于水深3m以上的区域使用多波束回声测深仪测量。水深3m以内的区域使用单波束回声测深仪测量。动力船无法驶入的区域，使用渔船配合测深杆、塔尺GPS-rtk采集水下地表高程。

4 水下地形测量

4.1 测量仪器设备

水下测量准备中海达iBeam8120多波束回声测深仪1台，中海达HD310单波束回声测深仪1台，测量船2艘，GPS 6台，测深杆、塔尺、救生应急设备等。

4.2 多波束测深设备安装和校准

姿态传感器安装在能准确反映测船或多波束换能器姿态的位置，其方向线平行于船的首尾线。作业前测定定位天线与姿态传感器的相对关系。电罗经安装在测船的首尾线上，读数零点指向船首。校准项目的顺序为时延、纵摇倾角、横摇倾角、艏偏，主要修正由于船体起伏、摆动等变化而产生的测量误差，使各测线的多波束测深数据能够正确拼接，确定测船的校准值。

4.3 多波束测深扫测作业

在计算机中根据现场情况设计测线，主测线与大坝平行或平行于等深线总方向，航线间距依据水深选择等角或等距工作模式，扫测面有15%的重叠。

图1 多波束扫描航线分布图

4.4 多波束测深扫测成果

陡河水库水下多波束测线分布于水库南侧，间隔依据水深调整，最小间距10m，最大间距25m，保证每条测扫面有15%的重叠。共完成103条测线，有效航线里程210km，测绘面积4.78km2。检测线8条，图上1mm检测高程中误差0.04cm，测量精度可靠。

4.5 浅水区数据采集

浅水区数据采集使用中海达HD310型测深仪，测深精度±1cm±0.1%H。GPS接收机经过求参校正后安装在测深设备上，保持仪器中心与测深设备在同一铅垂线上，设置GPS仪器天线高(GPS相位中心至测深仪换能器垂直距离)，天线高量至换能器底部并精确至1cm。

依据水下地形成图比例尺1∶500、等高距0.5m精度要求，设计测深线间距15m，宽度大于50m的支流原则上与岸线(或主流方向)相垂直布设，宽度小于50m的支流内测深线顺河流布置，测深线间距小于10m；测深点点位间距为2～5m。

大于1m的水域，水深测量采用GPS定位配合测深仪方法，小于1m的水域或对于测量船不能到达的区域直接采用塔尺、测深杆配合GPS定位的方法，将现场的水深数据直接记录在GPS的手簿内。使用仪器杆测量水深时，在杆底部加上橡胶套管，防止杆尖插入水下地表。

4.6 水下测量数据成图

多波速测深数据处理主要内容有剔除导航、水深等数据的粗差和数据抽稀，对经过数据处理后的数据进行检核，读取适量水深点的三维坐标值，与检测线水深数据校验其正确性。统计测区水深的深、浅区间分布情况，后处理软件可以将处理好的转换成CAD.dwg格式，利用南方CASS软件进行后续编辑。将岸线测量数据与水下高程数据传入南方CASS绘图软件，生成水下地面模型(DEM)。对DEM进行修改完善，生成等深线，通过对等深线的修改、圆滑等工序完成水下地形图等深线的绘制。按照1∶500精度要求绘制水下地形图，水下高程注记点的间距为图上1～3cm，对高程点过密的进行过滤。水下地形图与陆域地形测量图通过编辑、整饰、合并相互衔接后生成数字线划图。

5 淤积断面测量

淤积断面布设延续原有布设位置，共找到9个原有淤积断面点标志，点位比较稳定，测量该点位的2000坐标成果，对原有数据进行坐标换算，使得水库原有成果得以利用并衔接，共计34条断面。断面两端均埋设永久标石作为淤积断面基点，共设淤积断面基点60个。

5.1 淤积断面基点控制测量

利用2个原有淤积断面点标志，采用HBCORS测量点位2000国家大地坐标系坐标，与小梁山点成果形成3个公共点对，进行坐标换带，求解转换参数，对原有1954北京坐标系陡河水库淤积断面端点控制成果经行转换。利用转换后2000国家大地坐标系成果，进行放样寻点找到7个原有淤积断面基点标志。利用HBCORS和网络RTK技术测量控制点坐标重新测量各淤积断面基点坐标。根据新建的D级GPS控制网和已知点成果，求定坐标转换参数，采用HBCORS和网络RTK技术测量控制点坐标。

5.2 淤积断面测量

5.2.1 测量方法

根据新布D级GPS控制网和淤积断面基点CGCS 2000坐标系成果，求解转换参数。数据采集采用网络GPS-RTK模式，将基准站安置在已知点上，流动站设置参数后，邻近测区D级GPS控制进行验证。淤积断面点数据坐标生成断面线位置文件。岸边部分使用GPS-RTK直接沿断面线采集高程数据；水下部分使用多波束回声测深仪、测量船采集数据，将预设航线生成文件导入测深仪，设置航线采集断面水下地面高程数据。采集后的水下高程数据按断面逐条整理。

5.2.2 测量精度

比例尺采用横向1∶2000，纵向1∶100。断面点的密度以能充分反映地形变化为原则，陆地部分为图上1～3cm，水下部分为图上0.5～1.5cm。河道较窄时所测水深点不少于3点。水下部分测量点高程中误差执行水深测量精度；陆地部分测量点相对于邻近控制点高程中误差±0.17m。

5.2.3 内业绘图

内业利用南方CASS软件进行断面数据提取，以水库左边断面基点为零点，注记间距，通过软件绘制断面图功能根据已知点坐标文件生成断面图。生成断面图后，核对断面图与线划图高程位置关系。

5.3 淤积量计算

利用南方CASS软件实测淤积断面数据生成与原断面线比例尺相对应的断面图。在CASS软件将2次断面依据断面基点实际位置叠加，量取水库、河道位置，比较水下部分两断面线围合面积，求得该条淤积监测断面的淤积面积，逐条断面依次求得淤积面积，统计淤积断面河道中心间距，依据公式求得淤积量：

V=S·L

(1)

式中，S为相邻淤积监测断面的平均淤积面积；L为相邻淤积断面间距。

根据淤积监测断面计算2011—2017年陡河水库淤积量约为71.2万m3。

6 水位—库容关系曲线

6.1 建立DEM

利用陆域1∶2000地形图数据采集中的地面点、线及水系数据生产DEM，在摄影测量工作站上采集特征点、线。在山头、凹地、鞍部量测特征点。在地形变换处，如坎上、下线、山谷、山脊、河堤、水域线、道路、加固岸等量测特征线。DEM生成后，导入到立体模型中。结合水域1∶500地形图高程成果生成DEM，DEM模型拼接，生成测区DEM数据。

图2 陡河水库DEM

6.2 库容计算

为了保证陡河水库历史资料的延续性，库容曲线计算的高程系统采用大沽高程。本次计算1985国家高程基准与大沽高程转换参数依据1点数据：1985国家高程+1.313m=大沽高程，水位、库容计算时取至cm。

由于陡河水库两侧河道内有大量渔塘，计算库容时根据水位淹没线和线划图逐个判别是否进水，确定淹没范围再计算。图4所示从内到外依次大沽高28m、32m、36m、40m、43.5m(1985国家高程基准：26.69m、30.69m、34.69m、38.69m、42.19m)5个水位的淹没范围线。

图3 水位大沽高28m、32m、36m、40m、43.5m淹没区范围图

依据数字地面高程模型(DEM)，利用Arcmap软件计算各水位对应的库容，通过Microsoft Office Excel表格整理汇总数据，绘制陡河水库水位—库容关系曲线，并制作陡河水库水位—库容关系表。

根据各水位淹没区范围面生成相对应的栅格文件。再利用Arcmap工具栅格表面计算土方量功能，输入陡河水库DEM栅格作为填挖前栅格面，输入水位淹没区栅格文件为填挖后栅格面。计算的填方量就是该水位对应的水库库容。

图4 大沽高34m水位范围与水库DEM对照图

6.2.1 计算方案

6.2.1.1 陡河水库特征(大沽高程)

设计洪水位40.3m，校核洪水位43.4m，正常蓄水位34.0m，死水位28.0m。现陡河水库运行最高库水位控制在32.8m以下，正常运行水位30～32.8m，34.00m以上对水库实际运行影响不大。

6.2.1.2 结合陡河水库特征，确定计算方案

水下部分(28～32m)，水下地表模型不涉及周边鱼塘，利用Arcmap软件，水下地表模型，计算表面体积功能计算各(0.1m间隔)水位对应水库库容。正常蓄水位以下(32～34m)，涉及岸边鱼塘鱼塘，利用Arcmap软件，栅格面计算两期土方功能，先按0.2m间隔生成各水位对应的淹没范围(水位等高线在库区最大的围合范围)，逐个核对。生成面，转换为栅格文件，进行后续计算。正常蓄水位以上至校核洪水位(34～43.4m)，对水库实际运行影响不大。利用Arcmap软件，栅格面计算两期土方功能，按0.5m间隔计算各水位对应的库容。

6.2.2 计算结果

通过Microsoft Office Excel表格整理、汇总数据，依据相邻水位对应库容以算术平均法计算出0.01m的库容，建立陡河水库水位—库容曲线关系关系表，见表1。

6.3 库容变化原因分析

本次陡河水库库容曲线修测项目计算库容与2011年12月《陡河水库水位库容关系表》库容对比，总体呈现在34m水位以下库容减少，以上库容逐步增加的趋势。分析其原因主要有以下几方面：水库管理区范围(大沽高程34.3m)修建封闭工程，是库容呈现在34m水位(正反)变化的主要原因。随着社会发展，科技进步，测绘仪器精度越来越高，测绘手段不断变化，测图精度不断提高。计算库容方法不同，对库容产生一定影响。以往计算库容多采用在基本等高线内插等高线法，本次计算使用地表模型栅格数据，可以更真实地反应地表形态凹凸起伏，计算精度较高。

表1 陡河水库新旧库容—水位关系对比

7 结语

多波束测深系统在此次陡河水库库容曲线和淤积测量中的应用，实现了水库水下地形数据的精细化探测，科学、高效、真实地反映了库区水下地形，从而获取了准确的库容数据及库容曲线变化趋势，为水库管理者实施精准的水资源调度和管理提供了技术支持。