基于无人智能技术的水库地形测量与库容计算研究

2022-12-02唐卓君唐继利薛小松

水利科技与经济 2022年11期

唐卓君，唐继利，薛小松，邵治

(1.中国铁塔股份有限公司日照市分公司，山东日照 276800； 2.日照市水利局，山东日照 276800)

1 概述

水库库容是决定水力调节径流的主要指标之一。常用的水库库容测量方法主要是断面法[1-5]，但该种方法测量精度低、数据更新困难。许多学者对此进行了研究。苏建国[6]等基于水下地形测量技术和无人机航摄技术的水库库容测量方法对新昌长诏水库库容进行了研究，结果表明采用文中方法可以精确确定水库库容量。周长江[7]基于无人机倾斜技术对广东省山塘库容进行了测定，结果表明采用无人机技术的库容计算新方法可以大大提高计算精度，同时可以减少野外工作量。韦程文、杨啸宇[8]基于无人船技术开展了海洋水下地形测量关键技术研究，基于智能测绘手段建立了完整的技术流程，得到符合精度要求的海洋水下地形测量成果数据。张晨[9]等基于无人机和无人船智能技术展开研究，采用不规则三角网的库容计算方法，对梅州水库的库容进行了复核，结果表明无人智能技术对于提高水库地形精度及库容的计算精度具有重要意义。王合玲等[10]研究了基于水陆空三位一体测绘技术在某水库库容的测绘与计算分析，验证了三位一体测绘技术在实际工作中的实用价值。柯勰等[11]基于双频测深技术开展了某水库清淤前后RTK地形测量及水库实际清淤方量的校验研究，结果表明双频测深技术可有效提高测量成果的准确性，为快速测量水库库容和淤积量提供技术参考。

本文依托日照市陈家沟水库展开研究，采用无人智能技术，绘制陈家沟水库沿岸高程222.0 m以内库区1∶500比例尺地形图。按测量地形，分为高程216.58 m以下水下地貌测量和高程216.58～222.0 m的地形测量，然后基于等高线容积法、方格网法，分别计算水库水位-面积及水位-库容的相关关系，以期研究成果能为相关工作提供参考与借鉴。

2 研究区概况

陈家沟水库位于山东省日照市陈家沟，坝址位于黄墩河上游，属沭河水系。流域控制区域面积约为7.0 km2，其中主干流长度为2.8 km，比降0.06 m/m。流域地势西南高东北低，属于典型的丘陵地区。陈家沟水库始建于1967，枢纽工程主要组成部分为大坝、溢洪道和泄水洞，设计总库容约426×104m3，水库设计等级为Ⅳ级，坝长310 m，坝顶高程222 m，黏土心墙顶高程220.5 m。大坝迎水坡坡比、背水坡坡比分别为1∶2.75和1∶2.5。水库设计指标见表1。

表1 水库设计指标

续表1

2007年，对陈家沟水库进行修缮。为有效发挥陈家沟水库现有工程潜力和充分利用当地雨洪资源，提高日照市陈家沟水库的蓄水位，也为修缮完成后水库正常运行提供准确的运营指标，对陈家沟水库修缮竣工后的水位-库容-面积关系测定极为关键。

3 研究方法与技术指标

3.1 水上地形测量方法

水库地形测量分为水下地形测量和水上地形测量两部分。水上地形测量采用全站仪全野外数据采集法成图，测绘高程介于216.58～220.0 m，比例尺按照设计要求确定为1∶500，基本等高距为0.5 m，本次陆上测量面积0.36 km2。在进行GPS网平差时，能直接求出WGS84坐标系与国家2000 坐标系的坐标转换(平面坐标转换的残差绝对值小于2 cm)，以此参数作为整个工区的转换参数。水上地形测量技术指标见表2。

表2 水上地形测量指标

3.2 水下地形测量方法

水下地形测量是高程216.58 m以下，测量设备采用华测X6型三星GPS结合华测华微3号无人测量船进行，主测深线1∶500比例尺的间隔为20 m，测点间距10 m，测量水下面积0.36 km2。水库水上地形测量与水下地形测量关键技术路线图见图1。

本次水下地形测量的主要方法是将GPS和测深仪都固定在测量船上，本文充分利用GPS流动站天线具有的实时动态定位优势，首先获取每个监测点的平面坐标和水面高程数据，然后与测深仪获取的水深进行叠加，最后求得水下地形数据。工作原理见图2。

图1 技术路线

图2 水下地形测量原理

水下定位点的高程计算公式可表示为：

H=H0-h1-h2

(1)

式中：H、H0、h1、h2分别为水下定位点高程、GPS天线高程、天线至换能器底部高度以及换能器以下部分的水深。

数据处理阶段，水深测量误差包括测深仪测深误差、声速改正误差、动态吃水改正误差以及水位改正误差。在本次测量中，各因素的误差如下：测深仪测深误差为±Z×0.4%±0.05 m，取0.1 m；声速改正误差为±0.05 m；水深改正误差为±0.05 m；本文测量中使用RTK直接测量，不需进行吃水改正。误差规范规定，当0

4 计算结果与分析

4.1 水库库容计算模型

4.1.1 等高线容积法

等高线容积法是计算水库库容最为经典的常用方法，其原理主要是考虑按照不同高程面微分呈n层梯形体，然后通过对n层梯形体体积积分得到水库的整体库容量。该方法考虑了梯形体的不规则性，采用的计算水库库容数学模型可表示为：

(2)

式中：V为库容，m3；Si为第i根等高线面积，m2，且S0=0；△hi为第i～第i+l根等高线之间高程差，m。

4.1.2 方格网法

方格网法是利用已建立的库区数字高程模型(DEM)，基本原理为：将库区微分为许多形同的正方形方格，且每个方格是水平的，即高程均一。这样每个高程低于水库设计水位线的方格与水库设计水位线之间构成的四棱柱体积之和就是该设计水位线对应到水库库容，而所有这些方格的面积之和就是该设计水位线对应到水库水面面积。水库面积和库容计算公式如下：

(3)

式中：a为Dem方格网的边长；h0为某一设计水位高程；hi为该设计高程以下淹没的某一单元的高程，m；n为淹没方格的个数；V为该设计水位的水库库容，m3；S为该设计水位水面面积，m2。

等高线容积法为传统的水库水位-面积-库容曲线计算方法，在获得库区的1∶500地形图后，通过量取不同高程闭合等高线的面积通过计算即可获取水库不同水位的面积与库容，其特点是方法简单，计算精度高，但工作繁琐、量大且只能人工完成。DEM方格网法是利用库区数字高程模型来完成水库水位-面积-库容曲线的计算，其特点是计算简单快捷、可由计算机自动完成，但前提是库区局部数字高程模型应满足相关规范的要求。本文分别采用等高线容积法和DEM方格网法计算陈家沟水库水位-面积-库容曲线，并在此基础上对两种计算结果进行对比分析，以证明结果的合理性。

4.2 水位-面积、水位-库容计算结果

本文分别利用等高线容积法和DEM方格网法计算陈家沟水库水位-面积-库容曲线，最终结果见图3和图4。

图3 水库水位与面积的关系

图4 水库水位与库容的关系

结果表明，分别采用等高线容积法和DEM方格网法计算得到的水库水位-面积以及水位-库容结果相差较小。两种算法的水位-面积及库容-水位的关系基本符合线性变化规律，随水位增高，面积和库容基本呈线性变化。通过对得到的曲线进一步拟合分析，结果表明，采用直线关系的拟合曲线的R2均大于0.99，拟合度较高，验证了结果的准确性。