漳泽水库水下地形测量以及库容曲线分析

程启亮 张 蔷

（长治市水文水资源勘测站）

随着水文信息自动化不断发展，许多新的测量仪器配备应用于基本水文站，极大缓解人力成本。传统的水库水下地形测量方法是人工测量水深，推求河底高程，从而计算库容曲线[1]。采用ADCP 采集库底高程数据，经过处理之后，使用ArcGIS 建立数字高程模型，编写脚本文件计算固定水位分级相应库容是一种新兴计算方法。这一方法可以大量的节约计算时间，提高计算结果的精度。本文采用ADCP 对漳泽库区进行水下地形测量，然后基于ArcGIS 软件构建了该库数字高程模型。

1 水库基本情况

漳泽水库枢纽位于浊漳河南源干流上，控制流域面积3 176 km2，上游年均来水量为2.25 亿m3，水库总库容为4.27 亿m3[2]，平均水深为5.49 m，为浅水水库[2]（见图1）。水库年内降水不均且变化较大，多年平均降水量为573.3 mm，多年平均气温为8.6 ℃。漳泽水库是长治市重要水源地，是一座以工业、农业灌溉、防洪为主，兼顾养殖和旅游等综合利用的大型水库。近年来，随着国家对环保、水污染治理的高度重视，漳泽水库水质污染情况得到有效缓解。依据山西省水环境监测中心长治分中心2019年、2020年对漳泽水库的长期监测资料分析，水质整体分别达到为Ⅲ、Ⅳ类水质。

图1 漳泽水库位置及上游水利工程分布图

2 水库水下地形测量

2.1 数据采集

在施测水域测量时，可先通过预测或查阅相关资料得到最大水深，然后使用ADCP 测量模式。ADCP 在测量中采用的是自动采集模式，设置单元层厚度为0.10 m。工作前，利用带有CORS 功能的GPS RTK 将测量中的某一垂线的左右控制点坐标输入到流动站手薄中，以两点建立一条直线，进行放样操作，允许设置偏离直线左右距离0.3 m～0.8 m，并将实时动态显示在手薄屏幕上，施测人员根据偏移直线距离随时校正航向，实现精准导航，确保沿垂线航行。在测量启动前，将每一条垂线用GPS RTK流动站精确定位起始水边，记录并在计算机终端输入换能器与水边之间距离，待到达对岸后，用同样方法记录并输入相应距离。整个断面的水深和垂线位置等数据，通过数传电台传输到计算机，系统软件连续实时采集、记录、储存。测量结束后，利用WinRiver2 软件以ASCII 文本格式导出需要的水深和距离数据，然后对数据进行处理，最终形成各个垂线的Excel 表。

考虑到近岸边的水浅且实际中水草、乱石等多因素的影响，ADCP 换能器测量精度很难有效保障，需采用激光测距仪，测量漳泽水库水面边界点的坐标，得到水面边界线的轮廓。

2.2 坐标转换

坐标系统转换是将PTK 实际测量的WGS84 大地坐标转换为西安80 大地坐标。转换计算需三个步骤，其数学模型是：

WGS84 大地坐标转换空间直角坐标：

式中：N—椭球面卯酉圈的曲率半径；e—椭球的第一偏心率；a、b—椭球的长短半径；B、L、H—WGS84大地坐标；X、Y、Z—WGS84 空间平面直角坐标。

WGS84 坐标系转换西安80 坐标系：

其中：

式中：R—旋转矩形；ω—旋转参数；m—尺度参数；X、Y、Z—空间平面直角坐标。

西安80 空间直角坐标转换大地坐标：

式中：N—椭球面卯酉圈的曲率半径；e—为椭球的第一偏心率；B、L、H—西安80 大地坐标；X、Y、Z—西安80 空间平面直角坐标。

本次共29 个控制点，采用RTK 进行放样测量，测量使用GPS 双频接收机，型号为莱卡GS14。然后利用MAPINFO 软件在库区内布置测深垂线，求得左右控制点坐标。将地理坐标输入到GPS RTK 中，使用GPS RTK 定位控制点，通过左右控制点，连成一条直线，确保ADCP 在该垂线上测量。每一垂线测量启动前，用GPS RTK 流动站定位起始水边，并记录水边的距离，到达对岸后，同样用GPS RTK 流动站定位结束水边，并记录到水边的距离，从而采集垂线断面的水深和位置等数据[2]。由于ADCP 测量需要一定的入水水深，近岸边的水深无法测量，需采用激光测距仪，测量漳泽水库水面边界点的坐标，得到水面边界线的轮廓。

本次漳泽水库水下地形测量共施测59 条垂线，以及水面边界线，如图2 所示。数据成果包括垂线上各点的坐标经纬度以及高程。数据结果以Excel格式存储。

图2 漳泽水库水下地形垂线分布图

3 库容分析

3.1 降雨分析

收集研究区1956-2018年19 个雨量站的降雨资料，并计算面平均雨量。1965-1985年系列降水均值为587.1 mm，最大降水为911.2 mm，最小降水为367.1 mm；1985-2004年系列降水均值为571.0 mm，最大降水为993.1 mm，最小降水为343.9 mm；2004-2016年降水量平均值571.3 mm，其中，最大值713.5 mm，最小值446.5 mm。

3.2 径流分析

利用漳泽水库东大关、高河、西莲、湛上等进库站径流数据，分析水库入库径流，实测数据均从1992年开始收集整理。1965—1992年入库水量计算采用下式计算：

式中：W入库—入库水量；W出库—出库水量（包括灌溉、工业供水和弃水）；W蒸发—库区蒸发损失；W渗漏—库区渗漏损失；ΔV—当月库蓄变量。

库区的蒸发损失按蒸发深和水库水面面积计算，库区渗漏量按水库月蓄水量的1%计，库容曲线采用相应年份实测或内插的库容曲线。1993—2018年直接采用四个入库站资料。1965年至1985年平均径流量为18 405 万m3，1985年至2004年平均径流量10 578 万m3，2004年至2018年平均径流量12 154 万m3。

3.3 库容计算

采用以下计算库容：

式中：d—DEM 格网间距；hi第i 个格网的高程；H—水位高程；n—水位高程H 以下的格网总数；Vi—第i个格网水位为H 的水面间四棱柱的体积；V—水位H 对应的库容；S—水位H 对应的面积。

采用AICGIS-3D Analyst 工具中的功能性表面体积工具和生成的高程数字模型计算漳泽水库库容。本次计算水位分级为0.2 m，利用脚本文件计算可以得到每个水位分级对应下的库容值，库容曲线如图3。

图3 漳泽水库库容曲线

漳泽水库自建库以来，1985-2004年施测过水下地形，将2018年施测的水下地形数据与历史数据进行对比（见图4）。

图4 漳泽水库水位与库容

1965-1985年，漳泽水库总淤积量为1 693 万m3，漳泽水库平均淤积量为84.7 万m3/年。1985-2004年，漳泽总淤积量为500 万m3，漳泽水库平均淤积量为26.3 万m3/年。2004-2018年，漳泽水库总淤积量为396 万m3，漳泽水库平均淤积量为28.3 万m3/年。

从图4 中可以看出，随着水位的增加，淤积量增大，达到一定水位后淤积量减少，所以，2018年与历年曲线间距为中间胖两边瘦。从水库的淤积形态可以看出，漳泽水库属于三角洲形态[3]。

3.4 合理性分析

收集降水、径流量资料，通过水沙相关关系，分析水库淤积情况，验证库容曲线的合理性。水流中的含沙量主要是受暴雨影响，降水量越大，径流量越大，含沙量则越大。1965-1985年间，降水量比较大，径流量相应较大，径流泥沙含量多，入库的泥沙含量高。1986-2004年与2005-2018年两系列比较，2005-2018年入库径流量均值较大。因此，1965-1985年入库含沙量最大，2005-2018年入库含沙量居中，1986-2004年入库含沙量最小。经计算，1965-1985年平均水库淤积为84.7 万m3，1986-2004年平均水库淤积为26.3 万m3，2005-2018年平均水库淤积为28.3 万m3，基本符合降水-径流-产沙规律。

4 结论

本文采用ADCP 系统进行漳泽水库水下地形测量，并将测量结果导入ARCGIS 软件中进行处理，构建水库数值高程模型，计算出水位分级为0.2 m 的库容曲线，得到1965-2018年期间漳泽水库最大水位为900.86 m，相应库容8 021 万m3，2004年库容总淤积量为396 万m3，年平均水库淤积量为28.3 万m3。