仕陽水庫庫容曲線測量成果合理性分析

莫正濤 王德明 莫曉鈺

(1.莒縣仕陽水庫管理中心，山東 莒縣 276526；2.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

1 庫容曲線測量的必要性

仕陽水庫總庫容1.364億m3,興利庫容0.6987億m3，死庫容0.0245億m3，現(xiàn)狀庫容系數(shù)為1.05，具有較大的增容潛力，現(xiàn)有庫容曲線測量時間距今已40多年，由于多年來受自然與人為因素影響，庫區(qū)地形有所變化。為了更好地把握人類活動和自然因素對庫區(qū)地形變化的影響，了解庫容曲線的變化情況，充分挖掘水庫的雨洪資源利用潛力，提高興利水位，獲取精度更高、準(zhǔn)確性更強的庫區(qū)地形資料，尤其是水下地形資料，準(zhǔn)確計算水位與庫容的關(guān)系，莒縣仕陽水庫管理中心委托山東省水利勘測設(shè)計院組織技術(shù)人員進行了水下和陸上地形測量，通過更為先進的庫容計算方法，準(zhǔn)確計算水位與庫容的關(guān)系，為水庫增容工程實施，提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料，同時也將提高當(dāng)?shù)赜旰橘Y源利用水平，緩解當(dāng)?shù)厮Y源供需矛盾，因此進行庫容曲線測量復(fù)核是非常必要的。

2 庫容曲線測量方案

1∶2000地形圖的水面以上陸地部分測圖方式為航攝綜合法測圖。本次航攝綜合法測圖利用了無人機進行航拍，獲取外業(yè)最原始影像數(shù)據(jù)，利用后處理動態(tài)(PPK)GNSS技術(shù)建立準(zhǔn)確的圖像位置，實現(xiàn)了無像控航攝。為確保成果質(zhì)量，布設(shè)一個校核點，用于檢驗數(shù)據(jù)質(zhì)量。具體作業(yè)模式為：首先實施外業(yè)航飛，完成測區(qū)內(nèi)像控點平高校核，先后完成對數(shù)碼相片的空三加密、正射影像測圖、數(shù)字高程模型制作與編輯、數(shù)字正攝影像生產(chǎn)與后處理等工序，然后將正攝影像和數(shù)字線劃圖疊加，進行現(xiàn)場調(diào)繪補測。考慮到水利工程項目對于高程的特殊要求，圖面高程點全部以全野外數(shù)字化方式采集，最后利用實測點進行數(shù)字高程模型精化編輯，并生成等高線等地貌要素，最后提供全要素的數(shù)字化地形圖。

1∶2000地形圖水下地形測量采用測量船上架設(shè)GPS接收機掛接全數(shù)字雙頻測深儀的模式，由GPS接收機獲取水下點的平面坐標(biāo)，測深儀直接獲取水下點的高程數(shù)據(jù)，完成水庫水下地形測量，最終室內(nèi)生成水下等深線。本次水下測量采用的方法為斷面法，相鄰航線間距為40m，航線上每隔10m采集一次數(shù)據(jù)。

3 水庫庫容計算

本項目采用等高線容積法進行水庫庫容計算，等高線容積法計算水庫庫容是一種計算精度較高的方法，根據(jù)1∶2000地形圖準(zhǔn)確量算出各水位高程等高線的面積，通過模型計算出不同水位的水庫庫容。該計算模型建立在把水體按不同高程面微分成n層臺體，整體庫容由n層臺體體積積分求得。考慮到形體的不規(guī)則性，等高線容積法計算水庫庫容數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中V——庫容,m3；

Si——第i根等高線面積,m2,且S0=0；

hi——第i～i+1根等高線之間高程差,m。

本次新測量高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。1985國家高程基準(zhǔn)于1987年5月開始啟用，1956年黃海高程系統(tǒng)廢止。由于搜集到的仕陽水庫的歷史資料高程系均采用1956年黃海高程系，規(guī)劃設(shè)計部門所提的參數(shù)指標(biāo)也采用1956年黃海高程系，現(xiàn)測區(qū)內(nèi)的水準(zhǔn)標(biāo)石成果高程系均為1985國家高程基準(zhǔn)，不具備在1956年黃海高程系下進行高程測量的條件。為了與歷史資料進行對比，本項目將提供水庫庫容曲線1956年黃海高程系成果，為此搜集測區(qū)附近同時具備兩套高程系成果水文站點的水準(zhǔn)標(biāo)石成果，求取測區(qū)高程系間的換算關(guān)系,見表1。

表1 高程成果比較 單位：m

由于水準(zhǔn)點Ⅲ魯臨水文1就在測區(qū)內(nèi)，采用Ⅲ魯臨水文1的兩套高程成果差值為本項目的高程換算關(guān)系，即：1956年黃海高程系高程=1985國家高程基準(zhǔn)高程+0.041m。

4 庫容曲線測量成果的合理性分析

仕陽水庫現(xiàn)采用的庫容曲線為山東省水利廳1985年刊印的《山東省水利工程三查三定資料匯編》中的成果，資料來源(79)魯水文字第5號“仕陽水庫水位、庫容、面積、泄量關(guān)系表”，高程系為1956年黃海高程系。仕陽水庫建庫已近60年，現(xiàn)有庫容曲線測量時間距今已40多年，這期間庫區(qū)受自然因素及采砂等人類活動影響，水位-面積-庫容關(guān)系將產(chǎn)生一定的變化，為明晰水位-庫容-面積關(guān)系的變化，本次重新對仕陽水庫庫區(qū)進行了測算。仕陽水庫水位-面積-庫容關(guān)系與三查三定成果對比(1956年黃海高程系)見表2。

表2 仕陽水庫水位-面積-庫容關(guān)系與三查三定成果對比(1956年黃海高程系)

4.1 測量成果對比

“三查三定資料”與本次新測量仕陽水庫水位-面積曲線、水位-庫容曲線相比，新測量的水庫庫容在水位145m以下有所減少，在145m以上有所增加，在高程137.00～139.00m所在區(qū)域水面面積有所減少。具體情況見圖1～圖2。

圖1 新測量成果與三查三定成果水位面積差

圖2 新測量成果與三查三定成果庫容增量

4.2 測量成果分析

經(jīng)過綜合分析，在死水位141m時，庫容減少值達到最大，之后庫容開始逐步增加，減少的58.2萬m3是由于水庫的淤積，相對三查三定成果有所減少；在141m以上各水位下水庫庫容均有所增加，在160m處庫容增加193.5萬m3，是因為水庫受上游河道多年的自然沖刷、治理以及當(dāng)?shù)厝罕娮园l(fā)取土取砂影響。

高程137.00m和139.00m所在區(qū)域面積減少，與水庫淤積的實際情況相符；高程155.00m區(qū)域面積減少，與后期修建的穿越庫區(qū)的鐵路占地情況基本相符。

與三查三定成果相比較，高程137.00～139.00m區(qū)間與139.00～141.00m區(qū)間的庫容在減少，與水庫淤積情況相符合；高程150.00～150.50m、150.50～151.00m、155.00～155.35m、155.35～156.00m區(qū)間，從數(shù)據(jù)上看庫容確實發(fā)生了突變，但考慮到150.50m、155.35m的三查三定庫容是線性內(nèi)插的數(shù)據(jù)，在150.50～151.00m、155.35～156.00m區(qū)間數(shù)據(jù)上出現(xiàn)了一個突變，同時在150.00～150.50m、155.00～155.35m區(qū)間也出現(xiàn)一個符號相反的突變，該變化可以認定為內(nèi)插數(shù)據(jù)精度導(dǎo)致的。

從整體來看，本次新的測圖范圍要明顯大于三查三定的庫區(qū)范圍，尤其是各支流的追溯距離，這也是158.00m高程以上無論是面積還是庫容都增大的原因，另外由于20世紀(jì)70年代所采用測量方法受當(dāng)時技術(shù)的限制，觀測精度、點位密度均不及現(xiàn)在，也造成一定的系統(tǒng)差異。經(jīng)資料收集，仕陽水庫庫區(qū)里莊村附近存在采砂行為。

經(jīng)分析認為：本次基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采用、計算方法、測量技術(shù)以及地形圖的精度都優(yōu)于以前；并且水庫庫區(qū)受自然與人為因素影響，庫區(qū)地形有所變化也是正常的。

a.測量技術(shù)手段比較：本次測量采用了先進的觀測設(shè)備GPS接收機、測深儀等，在觀測手段上和數(shù)據(jù)處理上，精度要優(yōu)于早期的方式；地形圖測量和水下測量由于采用了全野外數(shù)字化采集方式，在高程精度和平面精度方面，也大大優(yōu)于早期的數(shù)據(jù)采集方式。

b.采用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)比較：現(xiàn)在的庫容曲線是在1∶2000 地形圖數(shù)據(jù)上進行求取的，早期的測量成果成圖比例一般都小于1∶2000，其技術(shù)數(shù)據(jù)的精度較本次的成果相對要差。

c.后期修建的鐵路、挖設(shè)的魚塘、局部取砂以及河道多年的自然沖刷、治理等情況均對庫容產(chǎn)生影響。

因為兩次庫容曲線測量相隔近40年，隨著年代的變遷，在自然及人力的影響下庫區(qū)地形有所變化，導(dǎo)致庫區(qū)面積和庫容發(fā)生一定變化。

5 庫容差異說明及保護建議

與三查三定測量成果相比，本次新測量的水庫庫容曲線在死水位141m以下庫容減少58.2萬m3，死庫容由304萬m3變?yōu)?45萬m3,在興利水位153.50m以下庫容增加65.5萬m3，但在145m以下減少28.7萬m3，興利庫容由6863萬m3變?yōu)?987萬m3，由于145m以上庫容均有所增加，防洪庫容由2170m3變?yōu)?181萬m3，調(diào)洪庫容由2479m3變?yōu)?486萬m3，因仕陽水庫批復(fù)的防洪限制水位和興利水位為同一水位153.50m,所以重疊庫容為0，經(jīng)分析認為，145m以下庫容減少是由于水庫的淤積造成的，145m以上庫容增加是由于水庫受上游河道多年的自然沖刷、治理以及當(dāng)?shù)厝罕娮园l(fā)取土取砂造成的影響，因此建議：

a.加快推進水庫增容工程，通過實施增容工程，在保證防洪安全的前提下，提高水庫興利水位以增強其水資源調(diào)蓄能力，提高雨洪資源利用率。

b.積極開展“林水會戰(zhàn)”、小流域綜合治理等工程，通過生態(tài)修復(fù)，增加區(qū)域內(nèi)林草植被覆蓋率，減輕水庫上游水土流失對水庫的淤積。

c.加強水法規(guī)和河湖管理條例的宣傳，依法治理水庫管理和保護范圍內(nèi)違法建筑和亂開亂采現(xiàn)象，加強飲用水水源保護區(qū)規(guī)范化建設(shè)，建設(shè)物理防護隔離、生態(tài)防護、自動監(jiān)測站，完善應(yīng)急防控體系,全面實施飲用水水源地周邊及上游地區(qū)的污染治理，加強提升水源涵養(yǎng)能力。

6 結(jié) 語

新測量庫容曲線計算采用了更為先進的測量方法和裝備，技術(shù)數(shù)據(jù)的精度優(yōu)于早期觀測成果，與水庫庫區(qū)實際狀況更為相符，充分反映了自然因素和人為因素對水位-庫容-面積關(guān)系的影響，經(jīng)山東省水利廳組織專家評審，認定新測庫容曲線測量成果合理可行，將對今后仕陽水庫防洪和興利起到技術(shù)性指導(dǎo)作用，以便真正起到庫容測量復(fù)核的目的。