基于RTK技術的黃前水庫淤積測量及成果分析

李 浩 丁若冰 孫雪琦

(山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014)

1 水庫概況

黃前水庫位于泰安市郊泰山東麓，水源由泰山、長清嶺和大青山的3條溪流匯聚而來，流域為扇形，控制流域面積292 km2，多年平均來水量6 000萬m3。水庫總庫容8 248萬m3，興利庫容5 913萬m3，原設計為多年調節水庫，以灌溉為主，結合防洪、養魚，并兼有發電綜合開發利用的一座中型水利樞紐工程。1992年，為緩解泰安市供水緊張局面，經省計委、水利廳批準，黃前水庫在原有灌溉、防洪等功能的基礎上，新增作為泰安市主要飲用水水源地這一功能。水庫現日供水能力10萬m3，占泰安市城區供水總量的70%以上。

黃前水庫流域以剝蝕構造地貌為主，山體渾圓坡緩，河流溝谷以“U”字型結構為主。丘陵平原區地形起伏較小，溝谷不發育，以殘坡積及沖擊堆積物為主。區域底層以太古界“泰山群”為主，分布于西部山區及東部丘陵帶。目前，仍將“泰山群”及其之間的巖脈稱為泰山雜巖，雜巖主要是由經受了不同變質作用，且大多又遭受混合巖化作用的正副變質巖組成，其巖性主要為：交代式花崗片、斑紋狀混合巖、混合花崗巖、片麻巖等；此外，還有寒武系頁巖、灰巖、砂巖和第三系紅色礫巖在西南部零星出露；第四系則主要分布于山前及溝谷中，其巖性為洪積碎礫巖、坡洪積碎石、殘坡積礫質土、沖洪積沙礫石及礫質土互層等。

庫區屬暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季晴和氣爽，冬季寒冷少雪，多年平均氣溫18.5 ℃，不小于0 ℃積溫3 821 ℃，年均無霜期196 d，多年平均降水量758 mm，75%的降水量集中于6月份～9月份，最大年降水量1 303 mm(1964年)，連續3 d暴雨量238.6 mm，最小年降水量334.4 mm(1989年)，多年平均徑流深254 mm。

黃前水庫于1958年動工興建，1960年建成蓄水，1983年水利工程“三查三定”核定：黃前水庫為百年一遇洪水設計，相應水位209.00 m；萬年一遇洪水校核，相應水位212.17 m。總庫容8 248萬m3，興利庫容5 913萬m3，死庫容440萬m3。

2 RTK技術

GPS(Global Positioning System,全球定位系統)實時動態(Realtime Kinematic，簡稱RTK)定位技術，是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，可以在指定的坐標系下，實時提供測量點的三維定位結果，并實現厘米級精度。在RTK操作模式下，基站通過數據鏈路將其觀測值和站位坐標信息傳輸給移動站。移動站接收來自基站的數據，并采集GPS觀測數據，在系統中形成觀測差值進行實時處理。

RTK測量系統由以下分系統組成：GPS接收設備負責接收定位信號；數據傳輸系統用以實現基準站的數據發送和移動站的數據接收；軟件系統具有實時求解移動站三維坐標的功能。

與傳統的手工測量方法相比，RTK具有測量精度高、作用距離遠、受自然條件影響小、自動化程度高、經濟效益好等優點。

3 測量過程

黃前水庫是一座中型水庫，庫面面積較大，人工實施斷面測量工程量過大，因此本文采用無人遙控測量船搭載RTK測量設備的方式開展庫區淤積自動化測量工作。

RTK測量設備結合測深儀共同作用，即可精確定位庫底某一點的三維坐標。按照均勻分布的原則密集測量水底泥面點的坐標參數，可以構建成型水下地形圖，再運用疊加原理進行運算，可得到某一特定水位下的庫容和水面面積。

3.1 坐標參數轉換

根據泰安市測繪局提供的控制點坐標，設置好GPS固定站和移動站的測量參數。

平面坐標系采用1980西安坐標系，中央子午線117°；高程系統采用1985國家高程基準；投影方式采用高斯—克呂格投影，按3°分帶，投影面用參考橢球面；接收間隔1 s。WGS84坐標與當地坐標系的轉換四參數精度滿足地形測量要求，轉換參數見表1。

表1 黃前水庫測量轉換參數表

3.2 測線規劃與測量實施

根據水下地形測量規范要求，測線是一系列間距15 m的平行線，測點密度為間隔5 m，將庫尾及近壩、近岸區域的測線和測點進行加密，以減小誤差影響。

為保證測量精度，經過多次現場實際校核，設定船速為3.0 m/s。由導航儀實時檢控測量船的航跡、航速，保證測量的平穩進行。

4 測量成果

本文按規范要求對黃前水庫210.00 m高程以下的水下和岸上共計11萬個測量點進行了三維坐標測量。使用離散點法生成水下地形圖，運用疊加原理，獲得黃前水庫水位—庫容—淤積量關系表(見表2)。

表2 泰安黃前水庫水位—庫容—淤積量關系表

5 成果分析

根據1973年5月山東省水文總站施測之庫區地形圖與建庫前之地形圖對比，自1960年至1973年，興利水位以下總淤積量為389萬m3；將本次測量的成果與水庫管理局提供的1973年施測的地形資料相比較，1973年至今興利水位以下淤積量為234.47萬m3，自水庫建成運行以來，黃前水庫209.00 m高程以下總淤積量為623.47萬m3。各特征水位庫容情況見表3。

由表3可以看出各特征水位下的庫容都有變化，這主要是由水庫淤積引起的。1973年之前測定的水庫淤積量大于1973年之后的淤積量原因可大致歸納為以下幾點：

表3 黃前水庫特征水位原庫容、現庫容、淤積量對照表

1)測量方式的差異。

1973年進行的淤積測量采用經緯儀與回聲測深儀相結合的方式，測量工具簡單，人為影響較大，本研究測量采用先進的GPS實時動態定位技術，測量過程大大減少了人為干擾，準確度更高。

2)黃前水庫不同年份來水量具有很大變化，差距懸殊。

采用1963年—2005年來水量的統計資料，根據距平公式計算，生成黃前水庫來水量距平歷時曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，黃前水庫流域在1983年之前來水量變化幅度較小，在1984年之后，變化幅度逐漸加大。通過對兩個系列進行t檢驗，1963年—1983年系列均值5 550，方差27 760 132，1984年—2005年系列樣本均值6 902，方差70 126 026，前一個系列更為均勻。來水量分布不均勻加之黃前水庫功能的不斷強化，供水要求增加，一定程度上會影響水庫淤積排泄。

3)黃前水庫流域森林植被覆蓋率大大增加。

根據2006年黃前水庫流域遙感圖像解譯，黃前水庫流域植被覆蓋率達91%，大面積植被覆蓋在攔蓄洪水的同時，大大減少了水土流失，從而使得入庫泥沙量減少。