大中型水庫庫容測量與庫容計算

作者簡介：汪鶴衛 男 工程師

【摘要】 水庫庫容是水庫調度的重要參數，其精度直接到水庫的防洪安全與蓄水興利。本文介紹了大中型水庫容測量與庫容計算的方法，論述了水庫庫容測量合理測圖比例尺的選取、具體作業方法；采用ArcGIS建立數字高程模型方式，利用Python腳本文件建立循環，更加快速準確地實現分層庫容自動計算和統計。文中給出了Python腳本文件建立循環的實例，對大中型水庫庫容測量及庫容計算有較好的借鑒意義。

關鍵詞 庫容測量 庫容計算 數字高程模型 ArcGIS Python

中圖分類號：TV697文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1 概述

大中型水庫在防洪、灌溉、發電和水產養殖等方面多發揮了巨大的經濟與社會效益，而且隨著社會經濟的發展，它將發揮著越來越重要的作用。水庫庫容作為當今水利工程施工建設和運行管理中不可忽略的重要參數之一，它是確定裝機容量、工程施工量、泄洪量以及水利功能的重要指導依據。在目前的工程項目中，庫容計算結果的精確度、可靠度的提高是水利工程事業發展的重要指導，更是對水利工程、水庫運行管理決策與整合的技術指導。尤其是在近年來，隨著水利事業的興起和水利功能的發揮，水庫容量的重要性日漸突出，已成為衡量大壩安全、提高水庫社會經濟效益的主要方法。水庫在長期運行過程中，受地表徑流、洪水以及自然變化和人為活動影響，庫區現狀的地形、地貌和庫容勢必發生變化，為了保證水庫的安全運行和最大程度地發揮綜合效益，定期對庫容進行測量和計算，以了解水庫淤積情況和水庫實際有效庫容，已成為當今水庫工程中最受重視和關注的問題之一。

2 庫容測量測圖比例尺選取

2.1 測圖比例尺的選取

大中型水庫一般多建設在山區，庫區的地形主要有河谷和山坡為主。庫區地形測圖比例尺的選取，不但關系著庫容測量和計算的精度，而且關系著外業工作量和直接生產成本。因此，合理的測圖比例尺的選取對庫容測量具有重要意義。根據本單位幾十年水庫測量經驗，水庫在正常蓄水運行十年后，庫區地形橫斷面近似為“U”字型，且非汛期興利庫容最高蓄水位以上部分地形較陡，平面投影面積較小，庫區地形淤積變化主要發生在死水庫容以下部分以及原河床部位。因此，庫容測量的重點在正常蓄水位以下部分，通常大中型水庫測量測圖比例尺為1：5000和1：10000，根據多年的資料進行庫容計算分析對比，1：10000測圖比例過小，1：5000測圖通過適當加密水下測點密度可以確保庫容計算精度。測圖比例尺過大對提高庫容精度沒有明顯提高，且會大大提高生產成本和外業工作量。建議選取測圖比例為1：5000為宜。

2.2 基本等高距的選擇

水庫庫區地形圖的基本等高距，應根據水庫庫區地形特征及滿足設計精度的要求來確定。一般來說，庫區底部比較平緩，兩側山坡高度變化較大，同時為了提高庫容計算精度，基本等高局應為1m，如庫區高差變化較小基本等高距可定位0.5m。

3 庫區數字地形測圖測量

3.1 控制測量

庫區水面以上地勢較陡，植被茂密，難以架設儀器，采用傳統的控制測量方法難以開展。采用GPS布設控制網不但可以提高精度，而且可以大大提高工作效率。以我單位近期施測的梅山水庫為例，我們在省測繪局購買了4個平高控制點（平面為C級以上，高程Ⅵ以上）作為起算點，在庫區布設了20個D級GPS點，采用高程擬合解算控制點平面位置和高程。

為了確保高程精度，采用四等水準聯測了5個控制點的高程，其余15個控制點采用AHCORS客戶端采集了三維坐標并送安徽CORS中心換算了高程，與擬合高程進行了對比，聯測點高程誤差均在3cm以內，CORS客戶端點誤差均小于5cm。利用D級GPS網平差前后數據解算庫區的七差數用于地形圖測繪，控制校核精度均小于7cm。

3.2 地形數據采集

要想得到比較準確的庫容數據，地形數據采集的方法是關鍵。特別是特征部位的數據采集決定了DEM模型的質量。庫區地形橫斷面圖主要為下圖形式：

水面

圖1 庫區地形橫斷面圖

庫區水面以下地形數據采集適合采用橫斷面法觀測。應在原有測圖上合理設計航線利用 GPS衛星定位系統以實時差分或CORS客戶端進行測點平面位置定位，水深采用超聲波測深儀進行測量。測量中，測深與平面定位應同時同位進行，以消除滯后誤差，在斷面形狀變換處應特別注意加密了測點，真實地反映地形變化的實際情況。

由于庫區平面形態比較復雜，水面以下地形數據采用橫斷面法還難以真實反映庫區地形平面凹凸變化情況。因此，應順施測時水位淹沒線布設2～3條縱向航線，這樣能夠比較完整地反映庫區水面以下地形情況。

水邊

庫區

圖2 庫區平面形態圖

庫區水面以上地形采用CORS客戶端或GPS RTK法進行數據采集比較方便快捷。但是，由于庫區植被比較茂密，有時GPS難以固定，應輔以全站儀進行局部補充測量。如遇斜坡、陡坎、石崖等地形，在坎上、坎下成對測點，以保證等高線生成的精度。

有條件的情況下，庫區水面以下采用多波速測聲系統進行水下地形掃測，將獲得更加完整的面狀DEM數據，能夠大大提高庫容計算的精度。

3.3 繪制數字地形圖

將外業采集的數據采用專用成圖軟件（如CASS）進行展點，繪制地物、地貌，建立三角網DEM，由軟件自動繪制等高線。在此基礎上，根據實際地形和地貌變化情況，對自動生成的等高線進行合理編輯、修改。為了提高庫容計算精度，在出圖之前生成的等高線盡量不要修剪，即使遇到斜坡、陡坎、石崖、房屋、建筑物等地形、地物也要使等高線均勻穿越，這樣可以提高ArcGIS中建模的精度和合理性。

4 水庫庫容計算

4.1 傳統計算方法

傳統庫容計算主要采用等高線的臺錐體公式和斷面測量法。等高線法計算時是假定兩等高線之間體積變化是線形性，對于兩高程之間的地形起伏無法精確反映，特別對地勢較為平坦地區，計算結果誤差較大。要提高計算精確度就必須加密等高線，這將大大增加成圖的難度。

斷面法庫容計算主要是在庫區設定相互平行的斷面，要求斷面間的地形變化較為均勻，呈現線性，而且計算時針對不同高程的庫容計算極其繁鎖。當庫區地形復雜，庫區支流縱多時，計算精度將難以保證。

4.2編輯構建高程模型數據

ArcMap下的3D Analyst工具能滿足地形建模的需要，數字高程模型構建的效率很高，但構建時為全自動。目前的成圖軟件大多是基于AutoCAD平臺下開發的，ArcMap下能夠加載AutoCAD圖形和數據。因此，只要將編輯好的庫區數字地形圖，按圖層將等高線和高程點輸出，導入ArcMap中就能建立數字高程模型。

4.3 建立數字高程模型

將等高線和高程點數據導入ArcMap中，并導出生成“*.Shp”文件，利用3D Analyst工具中的創建TIN工具將“*.Shp”文件創建TIN文件。TIN文件為由三角網構成的數值高程模型，根據實際情況對三角網進行修改，使數字高程模型更加合理。為了進一步精化模型，可以將TIN文件轉化成柵格高程數字模型，柵格大小可以任意設置。

4.4 庫容計算

采用3D Analyst工具中功能性表面模塊中的表面體積工具，利用TIN文件或柵格高程數字模型可以快速地計算出你所需要對應水位或高程的水庫庫容，輸出內容包括對應水位或高程的水面面積、水面以下的曲面面積和水體體積。

但是庫容計算往往要求計算不同水位的庫容，防汛調度上更是要求每0.01m的分層庫容，這樣一個一個的計算很麻煩，不但時間長且容易出錯。利用腳本文件能很容易地解決這個問題。

4.5 Python腳本文件建立循環

ArcGIS中的許多任務多可以通過腳本程序模型輔助完成。Python腳本文件的主要目的是使枯燥的數據處理工作自動化，通過邏輯來指揮處理過程。你所能用的ArcToolbox或Model中使用的工具都能夠用在Python腳本中，這些腳本可以生成腳本工具，像其他地理處理工具一樣使用。

下面就是一個編寫腳本文件來自動循環完成整個庫容計算的實例：

#導入ArcPy

import arcpy

from arcpy import env

import os

#設置輸入輸出工作空間

arcpy.CheckOutExtension（"3D"）

env.workspace = "c：/梅山水庫"

import math

#循環獲取計算庫容的水位

for i in range （76，128）：

mgs = str（i）

#設置輸出文件名稱

dl = str（i） + ".txt"

#對應水位庫容計算

arcpy.SurfaceVolume_3d（"2013t"，dl， "below"， mgs ， "1"， "5"）

腳本文件可在記事本等文本工具中編寫，將編寫好的腳本文件另存文“*.py”，在ArcMap中你的工作目錄下新建工具箱，然后右鍵點取在工具箱添加文件名為“*.py”的腳本文件。添加完畢后直接雙擊腳本文件開始運行，運行完畢得到完整的庫容。也可在ArcToolbox中直接添加腳本文件。

5 總結

本文根據多年水庫庫容測量和庫容計算的經驗，結合近年安徽省梅山水庫庫容測量的具體實踐，從大中型水庫庫容測量測圖比例尺的選取、控制測量、地形數據的采集方法等方面進行了論述。利用ArcGIS和Python腳本文件能夠快速準確地計算庫區完整的庫容，可為同類型水庫的測量計算提供參考。同時，建議大中型水庫庫容測量時，盡量選在水庫蓄水水位高、庫區植被樹葉比較稀少的季節，可以大大減少外業工作量。

參考文獻

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