广东省潮州供水枢纽库区库容及出海口五闸河槽槽蓄量计算与成果分析

问 娟，刘良福

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510170)

1 概述

广东省潮州供水枢纽位于广东省潮州市境内，是韩江下游及其三角洲地区水资源调配控制性工程。该枢纽是以合理调配东溪、西溪、北溪水资源为主，结合发电，兼顾航运、水环境保护的综合性水利枢纽工程。水位库容曲线是枢纽工程运行调度过程中的一项非常重要的基础数据，其准确性直接影响枢纽实时入库流量计算和入库流量预报的精准度。该枢纽工程自建成运行后，于2009年对库容进行过一次率定测量，至今已有10多年时间，为了解库容的变化，确保韩江下游及三角洲地区供水和度汛安全，故需再次对库区库容进行重新率定[1]。

本次计算范围包括潮州供水枢纽库区和三角洲河网出海口五闸上游各支流至潮州供水枢纽拦河闸河槽(见图1)。其中，潮州供水枢纽库区计算范围从枢纽闸前至韩江上游赤凤镇浮石村河段，线路总长23.4 km。五闸上游河槽被蓬洞河分成了东西两个区域，“五闸上游河槽东区域”的计算范围包含东里桥闸上游部分的南溪、莲阳桥闸上游部分的莲阳河及东溪河段、北溪，合计长60.6 km；“五闸上游河槽西区域”的计算范围包含西溪、梅溪桥闸上游梅溪河段、下埔桥闸上游新津河河段、外砂桥闸上游外砂河河段，合计长45.5 km。位于东西两区域交界的蓬洞河属于人工河，中间有水闸隔开成东溪和西溪，以水闸为界两侧的槽蓄量分别纳入东溪及西溪进行计算。

图1 总计算范围示意

2 数据采集

2020年6—8月，本项目的陆地地形测量采用了无人机搭载激光雷达和数码相机等先进航空摄影测量技术手段进行数据获取，陆地地形图制作采用“激光点云辅助正射影像进行矢量化法”，先室内绘制后野外调绘，再进行修改和清绘。水下地形测量采用了“GNSS RTK+单(多)波束数字测深仪”组成无人船测深系统进行数据采集，实时高程通过水深改正后可制作水下地形图，最后把水陆地形图进行合并便可制作完整的库区及五闸河槽地形图[2]。外业数据采集示意见图2。

图2 外业数据采集示意

3 坐标及高程转换

3.1 坐标转换

由于2009年施测的地形图采用了1954年北京坐标系，与现阶段的2000国家大地坐标系不一致。为了将当前的地形图成果与2009年施测的地形图成果更好地进行对比分析，需要将2009年施测的成果转换为2000国家大地坐标系下的成果。本次坐标转换采用的是理论最成熟、使用最广泛的平面四参数转换模型，具体的转换模型为[3-5]：

(1)

式中：

Δx、Δy——2个平移参数，m；

α——旋转参数，°；

m——尺度参数。

3.2 高程转换

由于2009年施测地形图采用的是珠江基面高程基准，与现阶段的1985国家高程基准不一致，为了进行不同时期成果的比对分析，需要将2009年施测的成果转为当前采用的1985国家高程基准下的成果。根据早期我省水利系统三等水准复测的转换参数可知，珠江基面高程基准和1985国家高程基准之间存在一个常数误差，具体转换关系为[6]：

珠江基面高程基准=1985国家高程基准-0.744 m。

将经过坐标和高程转换后的2009年地形图，再与当前施测的地形图进行库容和槽蓄量计算及成果比对分析。

4 库容及槽蓄量计算

4.1 基本原理

利用地形图建立库区数字高程模型(DEM)，根据实际库底形态特征将水体微分成n个三棱柱体，通过对每个三棱柱的体积求和，便可求出整个水库的库容，其数学模型为[7-8]：

(2)

式中：

V——库容，m3；

PS——单个DEM格网的面积，m2；

H——指定水位的高程面，m；

Hi——DEM三角格网角点高程面，m。

4.2 计算过程

提取地形图成果中的数字高程模型(DEM)，绘制计算库容的边界范围，导入库容计算软件。根据DEM建立不规则三角网(TIN)，再利用边界范围裁剪三角网，得到用于计算库容的不规则三角网。软件计算三角网中每个三角形在相应水位时对应的柱体体积，再对所有三角形柱体体积求和，得到相应水位的库容和槽蓄量，同时计算出该水位的水面面积。对所有水位的库容和槽蓄量成果进行汇编，得到库容及和槽蓄量成果[9-10]。

2009年潮州供水枢纽库区库容率定采用的是2009年施测的地形图，本次库容计算边界与2009年边界范围一致，五闸上游河槽槽蓄量计算边界按业主的要求设定。

4.3 潮州供水枢纽库区库容计算

1)库容成果

本次计算水位从0至10.7 m，其中0～8.5 m采用0.1 m水位间隔计算库容，8.5～10.7 m采用0.05 m水位间隔计算库容，不同高程面的库容见图3。

图3 本次潮州水利枢纽不同水位的库容曲线示意

2)总体库容比较

本次库容成果与往期库容对比见表1[11]。

表1 潮州供水枢纽库区两期库容数据对比

3)坝址上游1 km重要堤段库容比较

按照业主的要求，把潮州供水枢纽库区坝址上游1 km处的2009年与2020年水下范围作为重要堤段进行比较，利用水下地形高程点和等高线，通过Arcgis软件创建TIN和DEM，采用叠加分析的方法对2009年与2020年的DEM制作等值线冲淤变化图(见图4)，2020年相对于2009年的河床整体淤积大于冲刷，淤积变化在0～5.0 m之间，主要集中在0～2 m之间，淤积最大位置位于枢纽右岸上游约770 m处；冲刷下切整体变化在0～4.4 m之间，主要集中在0～1 m之间，下切最大位置位于枢纽右岸上游约900 m处[11]。

图4 坝址上游1 km重要堤段等值线冲淤变化示意

根据业主的需要，分别在淤积最大处和下切最大处垂直河床作一条断面进行对比，结果如图5和图6所示，箭头表示淤积和下切最大处的位置。

图5 淤积最大处断面对比示意

图6 下切最大处断面对比示意

4.4 五闸上游河槽槽蓄量计算

1)五闸上游西区域槽蓄量计算

本次五闸上游西区域槽蓄量计算主要包括西溪、梅溪、新津河和外砂河，计算水位从0至2.65 m，采用0.05 m水位间隔计算槽蓄量，不同高程面的槽蓄量见图7所示。

图7 五闸上游西区域不同水位的槽蓄量曲线示意

2)五闸上游东区域槽蓄量计算

本次五闸上游东区域槽蓄量计算主要包括东溪、莲阳河、南溪和北溪，计算水位从0～3.05 m，采用0.05 m水位间隔计算槽蓄量，不同高程面的槽蓄量见图8所示。

图8 五闸上游东区域不同水位的槽蓄量曲线示意

3)五闸上游总槽蓄量计算

由于五闸上游河槽西区域计算槽蓄量水位从0～2.65 m，东区域计算槽蓄量水位从0～3.05 m，汇总东西两区域槽蓄量成果，计算水位取最小值从0～2.65 m，不同高程面的槽蓄量见图9所示。

图9 五闸上游不同水位的总槽蓄量曲线示意

4.5 成果精度验证

1)转换成果验证

为了确保本次坐标和高程转换的可靠性，均匀采用能覆盖测区的已有6个高等级平高控制点进行转换参数计算，另外利用测区已有的2个高等级控制点进行转换后成果检查，转换后的成果与已知点对比均小于3 cm，说明转换方法正确，成果质量满足规范要求。

2)计算成果验证

为了保证库容及槽蓄量计算成果精度的可靠性，本次成果采用与2009年相同的ArcGIS软件进行主算，还采用了Bentley GEOPAK Site软件进行成果校核，确保主算成果与核算成果较差不超过±1%，具体的成果精度验证如下[11-12]：

① 潮州供水枢纽库区库容主算成果与核算成果较差最大为0.63%，最小为0.08%。

② 五闸上游西区域槽蓄量计算中，各河道槽蓄量的主算成果与核算成果较差最大为0.62%，最小为0.06%。

③ 五闸上游东区域槽蓄量计算中，各河道槽蓄量的主算成果与核算成果较差最大为0.66%，最小为0.07%。

通过以上主算和核算的计算成果可知，本次主算和核算的较差属于合理范围，说明计算方法正确，成果质量准确可靠。

5 潮州供水枢纽库区库容变化原因分析

由表1可知，2020年库容较2009年库容明显增加；由图4可知坝址上游1 km处的河床整体淤积大于冲刷，主要是由于枢纽东西两坝导致河水流速减小从而引起泥沙落淤等原因所致，总体的冲刷段位于坝址上游的1～23.4 km。

经分析认为，造成库区整体库容增大的原因主要分为自然因素和人为因素两个方面，自然因素为河道受汛期洪水的冲刷以及河道上游水沙自然演变等；人为因素为河道采砂、航道整治疏浚、河滩地开发利用和两岸堤防建设等，使得洪水归槽，引起河床下切，从而导致河道行洪面积增大，最终引起库容的增加[11-12]。

由于五闸上游的槽蓄量是第一次计算，故本次不作分析。

6 总结与建议

本文采用无人机搭载激光雷达、多波束无人船等先进测量设备进行数据采集，2020年与2009年两期地形图制作采用了相同的坐标系统、高程基准、比例尺和绘制软件，且采用相同的数据处理软件和计算方法进行库容和槽蓄量计算，并利用不同的软件对库容和槽蓄量进行核算，主算和核算的较差满足规范要求，成果质量可靠。

从本次潮州供水枢纽库区库容的复核可知，经过10多年的变化发展，潮州供水枢纽库区库容发生了较明显的变化，由于库容和槽蓄量是枢纽工程运行调度的重要基础数据，为确保韩江下游及三角洲地区防洪及供水安全，建议相关部门在岸线和库区管理中承担起相应职责，依法依规加强岸线保护与水资源的利用和运行管理工作，并且定期组织对库区库容和五闸上游的槽蓄量进行复测，对韩江下游及三角洲地区的水灾害预报和造福粤东人民具有非常重要的现实意义。