基于DEM高程模型對石梁河水庫庫容校核淺析

徐正飛 王 君 李德利 賈玉山 袁東升

石梁河水庫自建庫以來，為江蘇省連云港市的“高質發展，后發先至”提供了有力的保障，特別是在防洪、灌溉、養殖、發電、供水等方面起著越來越重要的作用。建庫以來水庫周邊及水下地形發生變化。2018年7～10月對石梁河水庫進行無人機測繪及水下地形測量，取得現狀原始數據，確保庫容校核真實性、準確性，為進一步科學規范管理提供數據支撐。

一、水庫概況

石梁河水庫位于新沭河中游，江蘇省贛榆區、東海縣交界處，上游與山東省臨沭縣接壤。水庫集水面積15365km2，是沂、沭、泗流域洪水東調南下工程的重要組成部分。水庫100年一遇設計洪水位26.81m，2000年一遇校核洪水位28.0m，總庫容5.31億m3。樞紐工程有主壩一座、副壩兩座、泄洪閘兩座、灌溉輸水涵洞四座、發電站一座。水庫設計以防洪為主，兼顧灌溉、發電、水產養殖等綜合效益。水庫設計灌溉面積6萬公頃，目前水庫實際灌溉面積5.33萬公頃，其中東海縣、贛榆區各2.67萬公頃。

二、水庫庫容校復核

1.水庫利用GIS技術采集原始數據

庫容校核采用無人機測繪與水下地形測量相結合的方法，其中無人機航測通過遙感技術對無人機進行控制操作，無人機在測區飛行時，通過地面站控制無人機的照相機進行拍照，獲取地面幾乎所有的現狀物體的位置和高程信息；通過內業處理軟件Pxi4d，繪制地形圖，達到測量的目的。對石梁河水庫灘地采用無人機測繪，通過規劃航線，經過6個架次拍攝，采用相控法全覆蓋測量。

水下地形測量使用無驗潮模式下精密單波束水下地形測量方法施測，精密無驗潮模式下的水下地形測量系統，在傳統水深測量系統的基礎上配備了運動傳感器、聲速剖面儀等輔助設備。采用實時動態載波相位差分（Real TimeKinematics，RTK）技術沿航線連續測量時，利用GPS-RTK技術實時確定水下地形點的平面位置和高程。對淺水區及水草茂密區等不能通行的區域采用人工方法測量，即用GPS-RTK測定水深點平面位置，布設測點，用人工方法測水深。

2.水庫面積特征

水庫面積特征是指水庫水位高程與壩軸線所包括的面積。通過地形測量，主要包括水下地形測量與水面灘地測量，繪制不同等高線的水庫水面面積，水庫面積特征值變化能夠間接反映庫容變化。

通過表1直接反應不同等高線對應水庫水面面積變化，庫容面積變化最小為22m，水位變化值為-0.38 km2；庫容面積變化最大為25m，水位變化值為-16.28km2。21m以下水位對應庫容面積均為擴大趨勢，而22～28m水位對應庫容面積均呈減小趨勢。

3.水庫庫容計算方法

（1）理論計算方法

水庫庫容是指水庫水位與容積的關系曲線。可以直接由水庫面積特征推算繪制。兩相領等高線間的水層容積▽V按下式計算：

式中：

▽V—兩相鄰等高線間的水層容積；

△Z—兩等高線之間的高程差；

F上，F下—相鄰兩等高線各自包含的水庫面面積；

V—庫容值。

（2）DEM模型計算方法

數字地形模型是地形表面形態屬性信息的數字表達，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數字描述。數字地形模型中地形屬性為高程時稱為數字高程模型（DEM Digital Elevation Model）。

從數學的角度，高程模型是高程Z關于平面坐標 X、Y兩個自變量的連續函數，數字高程模型只是它的一個有限的離散表示，是地形表面形態屬性信息的數字表達，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數字描述。高程是地理空間中的第三維坐標。由于傳統的地理信息系統的數據結構是二維的，數字高程模型的建立是一個必要的補充。

表1 石梁河水庫不同水位對應水庫面積統計表

表2 石梁河水庫不同水位水庫庫容值對比變化統計表

表3 石梁河水庫特征水位及特征庫容變化表

圖1 庫容變化值曲線圖

DEM數字高程計算方法：通過Arcgis軟件的空間分析工具和統計分析方法計算，利用Arcgis軟件將采集到的石梁河水庫水下地形高程點結合湖區的不同水位范圍線分別擬合生成曲面數字高程模型（TIN），根據采樣點的間距設置合理的最小柵格單元 ，并轉換生成水下地形柵格DEM。最后將不同水位線下的數字高程模型分別與石梁河水庫水下地形DEM通過地統計分析模塊下的挖填方（Cut Fill）工具進行庫容量計算，得到不同水位線下的庫容量和水域面積統計值。

DEM模型計算精度，其主要影響因素有：水下地形圖測量的精度、斷面切割的精度、水下地形圖的外延使用、計算水位的選取等。

三、水庫庫容校核分析

1.庫容值統計表

建庫庫容值依據《連云港市大中型水庫調度規程》引用，2018年庫容值通過Arcgis計算分析所得，將高程14～28m水位不同水位對應庫容計算出數值繪制為表2、圖1，由表2可以看出庫容變化值最小值為水位14m處，對應庫容變化值為2729.69萬m3；庫容變化最大值為水位22m處，對應庫容變化值為10007.03萬m3。庫容隨水位增加而增加，2018年庫容校核值均高于建庫時庫容值。由圖2可以看出14～28m水位庫容變化值呈拋物線趨勢，峰值出現22m水位處。

2.水庫庫容特征值分析

水庫特征水位和特征庫容是水庫防洪、灌溉、養殖、發電、供水的控制依據，及時修正相應特征值為水庫科學調度提供數據支撐，水庫的社會效益和經濟效益得到最大發揮。根據石梁河水庫建壩設計文件，確定水庫特征水位。依據調度規范查明相應特征庫容值。通過石梁河水庫特征水位及特征庫容值變化（表3），可以與建庫庫容值對比，總庫容增大，興利庫容擴大了1.15億m3，防洪庫容減小了1.10億m3，同時調度庫容減小了0.08億m3，死庫容增加了0.82億m3。

四、結論

綜上所述，2018年石梁河水庫庫容與建庫時庫容相比變化較大，其中總庫容增大到6.05億m3，興利庫容擴大了1.15億m3，防洪庫容減小了1.10億m3，同時調度庫容減小了0.08億m3，死庫容增加了0.82億m3；庫容變化對水庫的社會效益和經濟效益影響有待進一步論證