雪野水庫淤積測量及現(xiàn)狀分析

李 浩，丁若冰，卞俊威

（山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

雪野水庫位于大汶河支流瀛汶河上游，控制流域面積444 km2，水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位為232.0 m；萬年一遇洪水校核，校核洪水位為238.46 m；死水位為214.5 m，死庫容0.028 億m3，興利水位為231.3 m，興利庫容1.12 億 m3；總庫容 2.21 億 m3。水庫樞紐工程由主副壩、放水洞、溢洪道（閘）和發(fā)電站組成，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、工農(nóng)業(yè)供水、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游開發(fā)等綜合利用的大（Ⅱ）型水庫。

濟(jì)南市雪野水庫于1972 年進(jìn)行過2 次淤積測量，近十幾年來水庫采砂量增加很快，采砂量較大，估計(jì)水下地形及各特征水位下的庫容均有較大的變化。由于雪野水庫重要的地理位置和巨大的綜合效益，摸清其淤積形態(tài)和庫容的變化情況，對于水庫的防洪度汛和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義重大。

1 測量原理及過程

雪野水庫是一座大型水庫，庫面面積大，人工實(shí)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GPS-RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)）測量設(shè)備的方式開展庫區(qū)淤積自動(dòng)化測量工作。

1.1 無人遙控測量船

傳統(tǒng)的水庫斷面測量采用的是人工量測方式，本文設(shè)計(jì)集成了一艘無人遙控測量船開展水庫斷面測量。無人遙控測量船采用GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）導(dǎo)引系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的人工操作、現(xiàn)場量測的方式，測量過程的自動(dòng)化程度得到提高。

無人遙控測量船的導(dǎo)控原理為：水庫淤積測量中的測線(斷面線)已事先規(guī)劃，預(yù)定測點(diǎn)坐標(biāo)以及預(yù)定測線的方位角都已知，假若測量船偏航，則由GPS 可測得測量船實(shí)際坐標(biāo)與參考坐標(biāo)的偏差，經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算可求得測量船與預(yù)定測線的偏離距離，以及船首方向與預(yù)定測線的偏差角度。經(jīng)控制器解算出偏差糾正控制量后，將控制量經(jīng)由控制機(jī)構(gòu)產(chǎn)生模擬信號控制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)遙控船的舵板進(jìn)行糾偏。整個(gè)測量系統(tǒng)是由GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)、模糊控制判斷系統(tǒng)、舵角偏折驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、載具前進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、無線電信號傳輸系統(tǒng)、陸上監(jiān)控系統(tǒng)6 大單元組成。

1.2 GPS-RTK 技術(shù)

常規(guī)的GPS 測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級的精度，而GPS-RTK 是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，是GPS 應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。

GPS-RTK 測量系統(tǒng)一般由以下三部分組成：GPS 接收設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由基準(zhǔn)站的發(fā)射電臺與流動(dòng)站的接收電臺組成，它是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量的關(guān)鍵設(shè)備。軟件系統(tǒng)具有能夠?qū)崟r(shí)解算出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)的功能。

GPS-RTK 基本定位原理是：在已知點(diǎn)上設(shè)立基準(zhǔn)站，通過數(shù)據(jù)鏈將偽距和載波相位觀測值及基準(zhǔn)站坐標(biāo)信息一起發(fā)給流動(dòng)站；流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS 觀測數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)形成載波相位差分觀測方程，并實(shí)時(shí)處理，采用動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波技術(shù)，在運(yùn)動(dòng)中初始化求出整周模糊度值。這樣就可以保證測定點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)中實(shí)時(shí)定位，給出達(dá)到厘米級精度的該點(diǎn)位置。

GPS-RTK 測量設(shè)備結(jié)合測深儀共同作用，即可精確定位庫底某一點(diǎn)的三維坐標(biāo)，只要測量出足夠多的、均勻分布點(diǎn)的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)，就可以繪制出水下地形圖，利用迭加原理，就可以得到在某一特征水位下的庫容以及水面面積。

1.3 坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換

根據(jù)雪野水庫管理局所提供的控制點(diǎn)坐標(biāo)，通過GPS 固定站及移動(dòng)站，設(shè)置好參考坐標(biāo)系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、接收間隔，求得WGS84 坐標(biāo)與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換四參數(shù)。

固定站架設(shè)在雪野水庫管理處辦公樓天臺，固定站架設(shè)嚴(yán)格對中、整平，周圍視野開闊，截止高度角超過15°，周圍無信號反射物，并保證GPS觀測衛(wèi)星信號的質(zhì)量指標(biāo)，如衛(wèi)星數(shù)、高度角、PDOD 值等，確保流動(dòng)站在有效的信號輻射范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸鏈穩(wěn)定可靠。

平面坐標(biāo)系采用1980 西安坐標(biāo)系，中央子午線117°；高程系統(tǒng)采用1985 國家高程基準(zhǔn)；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。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換四參數(shù)精度滿足地形測量要求，轉(zhuǎn)換參數(shù)見表1。

表1 雪野水庫測量轉(zhuǎn)換參數(shù)表

1.4 設(shè)備安裝與測試

基準(zhǔn)站、測量船上的移動(dòng)站、測深儀安裝，并連接到計(jì)算機(jī)上。

GPS 設(shè)置：通訊端口、波特率、GPS 類型。

測深儀設(shè)置：通訊端口、波特率、測深儀類型、發(fā)射脈寬、抑制脈寬、回波閾值、時(shí)間門限等。

整機(jī)開機(jī)，進(jìn)行聯(lián)機(jī)運(yùn)行，確保測量設(shè)備在最佳的工作狀態(tài)。

GPS 接收機(jī)無線應(yīng)與測深儀換能器固定安裝在同一垂線上，并盡量保持垂直。GPS 天線與測深儀換能器的平面、垂直距離為一固定值，有效地解決了由于負(fù)載、航速、航向、水流、風(fēng)力等影響而造成的測量船吃水變化帶來的誤差。

每天測量作業(yè)前對儀器進(jìn)行校核，求得校正參數(shù)；將測量船導(dǎo)航至固定位置，進(jìn)行水溫測量、深度比測，將各參數(shù)初始值確定并輸入。

1.5 航跡線選擇與測量

沿庫區(qū)采用“區(qū)域布設(shè)法”布設(shè)好測線，按照水下地形測量規(guī)范，布設(shè)一系列間距為20 m 平行測線，沿測線方向的測點(diǎn)密度為5 m，庫尾及近壩、近岸區(qū)域，測線、測點(diǎn)密度加密，以真實(shí)反映水下地形變化情況。由于所選用的儀器設(shè)備可以實(shí)時(shí)顯示地形的變化，在水下地形變化劇烈的區(qū)域，加密測點(diǎn)。

由導(dǎo)航軟件檢控測量船的航跡和航速，保證測量線的間距，經(jīng)過多次、長時(shí)間的現(xiàn)場實(shí)際改正校核，將船速定為3.0 m/s 左右，可保證測量精度。

2 測量成果

對雪野水庫高程239.50 m 以下地形按規(guī)范進(jìn)行了精確的測量，包括水下測量和岸上測量，一共有測量點(diǎn)28 萬個(gè)。利用離散點(diǎn)法進(jìn)行計(jì)算，得出水庫水位～庫容～水面面積關(guān)系表，見表2。

3 成果分析

3.1 地形分析

通過此次測量的庫區(qū)地形和1972 年測量的地形相比較，發(fā)生了較大的改變，根據(jù)資料，原地形高程最低點(diǎn)高程為211.20 m，而現(xiàn)在測量的地形圖最低點(diǎn)高程為201.12 m，庫底高程降低了10.08 m。

3.2 庫容分析

將水庫管理局提供的資料與此次測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到庫容變化情況，見表3。

由表3 可知，各特征水位下的庫容增加很大，這主要是由于采砂造成的庫底高程下降引起的，由于采砂主要在水庫的中上游，造成了各特征水位下的庫容均有所增加。與現(xiàn)在使用的水位庫容關(guān)系相比，總庫容增加2 905 萬m3，其中死庫容增加了537 萬m3，興利庫容增加了1 801 萬m3，調(diào)洪庫容增加了575 萬m3。

表2 雪野水庫水位～庫容～面積關(guān)系表

表3 各特征水位原庫容、現(xiàn)庫容比較表