仕阳水库库容曲线测量成果合理性分析

莫正涛 王德明 莫晓钰

(1.莒县仕阳水库管理中心，山东 莒县 276526；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)

1 库容曲线测量的必要性

仕阳水库总库容1.364亿m3,兴利库容0.6987亿m3，死库容0.0245亿m3，现状库容系数为1.05，具有较大的增容潜力，现有库容曲线测量时间距今已40多年，由于多年来受自然与人为因素影响，库区地形有所变化。为了更好地把握人类活动和自然因素对库区地形变化的影响，了解库容曲线的变化情况，充分挖掘水库的雨洪资源利用潜力，提高兴利水位，获取精度更高、准确性更强的库区地形资料，尤其是水下地形资料，准确计算水位与库容的关系，莒县仕阳水库管理中心委托山东省水利勘测设计院组织技术人员进行了水下和陆上地形测量，通过更为先进的库容计算方法，准确计算水位与库容的关系，为水库增容工程实施，提供了准确的基础资料，同时也将提高当地雨洪资源利用水平，缓解当地水资源供需矛盾，因此进行库容曲线测量复核是非常必要的。

2 库容曲线测量方案

1∶2000地形图的水面以上陆地部分测图方式为航摄综合法测图。本次航摄综合法测图利用了无人机进行航拍，获取外业最原始影像数据，利用后处理动态(PPK)GNSS技术建立准确的图像位置，实现了无像控航摄。为确保成果质量，布设一个校核点，用于检验数据质量。具体作业模式为：首先实施外业航飞，完成测区内像控点平高校核，先后完成对数码相片的空三加密、正射影像测图、数字高程模型制作与编辑、数字正摄影像生产与后处理等工序，然后将正摄影像和数字线划图叠加，进行现场调绘补测。考虑到水利工程项目对于高程的特殊要求，图面高程点全部以全野外数字化方式采集，最后利用实测点进行数字高程模型精化编辑，并生成等高线等地貌要素，最后提供全要素的数字化地形图。

1∶2000地形图水下地形测量采用测量船上架设GPS接收机挂接全数字双频测深仪的模式，由GPS接收机获取水下点的平面坐标，测深仪直接获取水下点的高程数据，完成水库水下地形测量，最终室内生成水下等深线。本次水下测量采用的方法为断面法，相邻航线间距为40m，航线上每隔10m采集一次数据。

3 水库库容计算

本项目采用等高线容积法进行水库库容计算，等高线容积法计算水库库容是一种计算精度较高的方法，根据1∶2000地形图准确量算出各水位高程等高线的面积，通过模型计算出不同水位的水库库容。该计算模型建立在把水体按不同高程面微分成n层台体，整体库容由n层台体体积积分求得。考虑到形体的不规则性，等高线容积法计算水库库容数学模型为

(1)

式中V——库容,m3；

Si——第i根等高线面积,m2,且S0=0；

hi——第i～i+1根等高线之间高程差,m。

本次新测量高程基准采用1985国家高程基准。1985国家高程基准于1987年5月开始启用，1956年黄海高程系统废止。由于搜集到的仕阳水库的历史资料高程系均采用1956年黄海高程系，规划设计部门所提的参数指标也采用1956年黄海高程系，现测区内的水准标石成果高程系均为1985国家高程基准，不具备在1956年黄海高程系下进行高程测量的条件。为了与历史资料进行对比，本项目将提供水库库容曲线1956年黄海高程系成果，为此搜集测区附近同时具备两套高程系成果水文站点的水准标石成果，求取测区高程系间的换算关系,见表1。

表1 高程成果比较 单位：m

由于水准点Ⅲ鲁临水文1就在测区内，采用Ⅲ鲁临水文1的两套高程成果差值为本项目的高程换算关系，即：1956年黄海高程系高程=1985国家高程基准高程+0.041m。

4 库容曲线测量成果的合理性分析

仕阳水库现采用的库容曲线为山东省水利厅1985年刊印的《山东省水利工程三查三定资料汇编》中的成果，资料来源(79)鲁水文字第5号“仕阳水库水位、库容、面积、泄量关系表”，高程系为1956年黄海高程系。仕阳水库建库已近60年，现有库容曲线测量时间距今已40多年，这期间库区受自然因素及采砂等人类活动影响，水位-面积-库容关系将产生一定的变化，为明晰水位-库容-面积关系的变化，本次重新对仕阳水库库区进行了测算。仕阳水库水位-面积-库容关系与三查三定成果对比(1956年黄海高程系)见表2。

表2 仕阳水库水位-面积-库容关系与三查三定成果对比(1956年黄海高程系)

4.1 测量成果对比

“三查三定资料”与本次新测量仕阳水库水位-面积曲线、水位-库容曲线相比，新测量的水库库容在水位145m以下有所减少，在145m以上有所增加，在高程137.00～139.00m所在区域水面面积有所减少。具体情况见图1～图2。

图1 新测量成果与三查三定成果水位面积差

图2 新测量成果与三查三定成果库容增量

4.2 测量成果分析

经过综合分析，在死水位141m时，库容减少值达到最大，之后库容开始逐步增加，减少的58.2万m3是由于水库的淤积，相对三查三定成果有所减少；在141m以上各水位下水库库容均有所增加，在160m处库容增加193.5万m3，是因为水库受上游河道多年的自然冲刷、治理以及当地群众自发取土取砂影响。

高程137.00m和139.00m所在区域面积减少，与水库淤积的实际情况相符；高程155.00m区域面积减少，与后期修建的穿越库区的铁路占地情况基本相符。

与三查三定成果相比较，高程137.00～139.00m区间与139.00～141.00m区间的库容在减少，与水库淤积情况相符合；高程150.00～150.50m、150.50～151.00m、155.00～155.35m、155.35～156.00m区间，从数据上看库容确实发生了突变，但考虑到150.50m、155.35m的三查三定库容是线性内插的数据，在150.50～151.00m、155.35～156.00m区间数据上出现了一个突变，同时在150.00～150.50m、155.00～155.35m区间也出现一个符号相反的突变，该变化可以认定为内插数据精度导致的。

从整体来看，本次新的测图范围要明显大于三查三定的库区范围，尤其是各支流的追溯距离，这也是158.00m高程以上无论是面积还是库容都增大的原因，另外由于20世纪70年代所采用测量方法受当时技术的限制，观测精度、点位密度均不及现在，也造成一定的系统差异。经资料收集，仕阳水库库区里庄村附近存在采砂行为。

经分析认为：本次基础数据的采用、计算方法、测量技术以及地形图的精度都优于以前；并且水库库区受自然与人为因素影响，库区地形有所变化也是正常的。

a.测量技术手段比较：本次测量采用了先进的观测设备GPS接收机、测深仪等，在观测手段上和数据处理上，精度要优于早期的方式；地形图测量和水下测量由于采用了全野外数字化采集方式，在高程精度和平面精度方面，也大大优于早期的数据采集方式。

b.采用基础数据比较：现在的库容曲线是在1∶2000 地形图数据上进行求取的，早期的测量成果成图比例一般都小于1∶2000，其技术数据的精度较本次的成果相对要差。

c.后期修建的铁路、挖设的鱼塘、局部取砂以及河道多年的自然冲刷、治理等情况均对库容产生影响。

因为两次库容曲线测量相隔近40年，随着年代的变迁，在自然及人力的影响下库区地形有所变化，导致库区面积和库容发生一定变化。

5 库容差异说明及保护建议

与三查三定测量成果相比，本次新测量的水库库容曲线在死水位141m以下库容减少58.2万m3，死库容由304万m3变为245万m3,在兴利水位153.50m以下库容增加65.5万m3，但在145m以下减少28.7万m3，兴利库容由6863万m3变为6987万m3，由于145m以上库容均有所增加，防洪库容由2170m3变为2181万m3，调洪库容由2479m3变为2486万m3，因仕阳水库批复的防洪限制水位和兴利水位为同一水位153.50m,所以重叠库容为0，经分析认为，145m以下库容减少是由于水库的淤积造成的，145m以上库容增加是由于水库受上游河道多年的自然冲刷、治理以及当地群众自发取土取砂造成的影响，因此建议：

a.加快推进水库增容工程，通过实施增容工程，在保证防洪安全的前提下，提高水库兴利水位以增强其水资源调蓄能力，提高雨洪资源利用率。

b.积极开展“林水会战”、小流域综合治理等工程，通过生态修复，增加区域内林草植被覆盖率，减轻水库上游水土流失对水库的淤积。

c.加强水法规和河湖管理条例的宣传，依法治理水库管理和保护范围内违法建筑和乱开乱采现象，加强饮用水水源保护区规范化建设，建设物理防护隔离、生态防护、自动监测站，完善应急防控体系,全面实施饮用水水源地周边及上游地区的污染治理，加强提升水源涵养能力。

6 结 语

新测量库容曲线计算采用了更为先进的测量方法和装备，技术数据的精度优于早期观测成果，与水库库区实际状况更为相符，充分反映了自然因素和人为因素对水位-库容-面积关系的影响，经山东省水利厅组织专家评审，认定新测库容曲线测量成果合理可行，将对今后仕阳水库防洪和兴利起到技术性指导作用，以便真正起到库容测量复核的目的。