水库容量计算探讨

近年来,我国各大中城市都面临饮用水资源缺乏的问题。水库作为人类蓄水发电、灌溉和防洪调度等的重要设施,发挥着越来越大的作用,并取得了巨大的效益和经济效益。水库库容是水库调度的重要参数,其精度直接到水库的防洪安全与蓄水兴利。但由于兴建水库时的库容测量方法和计算方法都较落后,并且随着时间的推移大量的淤泥沉淀和水库本身引起的局部地形变化。老的库容数据在精度和现时性上都无法满足城市建设的需要。本文在传统水库库容测量基础上,依靠高精度GPS(GlobalPositioningSystem,简称GPS)定位和直接测深技术相结合,对七台河库区水下地形进行了测量,并提出了根据三角形构网方法,利用“三角柱”的水柱体积获得库容的新见解,经实际运用,取得了满意效果。

一、常规库容确定

1.断面法。其库区容量的计算模型为:

式中:Vi、Li为第i个断面到第i+1个断面间的库容和距离;n为分段个数;Si、m、d、hi分别为第i个断面的面积、测点个数、点间距和每个测点的深度测量值。采用断面法虽然操作简单,但受前提假设的制约,精度难以保证。

2.等高线法。先求每条等高线与坝轴线所围成的面积,然后计算每两条相邻等高线的体积,其总和即是库容。A1,A2,…,An+1依次为各条等高线所围成的面积,h为等高距;设第一条等高线与第二条等高线间的高差为h′,第n条等高线(最低一条等高线)与库底最低点间的高差为h″,则各层体积为:

这种方法只适用于水下地貌较规整的水库,或者精度不高的库容概算,对于水下微地貌较多并未经修整的大型水库,这种计算方法就不能满足要求了。

二、高精度水下地形测量技术

1.水下地形测量所谓水下地形测量,就是利用测量仪器来确定水底点的三维坐标的过程。随着GPS技术的迅速发展,水下地形测量方法取得了很大的进展。水下地形测量技术已定型于采用GPS获取平面坐标,测深仪获取深度数据的基本模式。

2.GPS载波相位差分定位技术和回声测深技术随着GPS技术的发展,GPS日益广泛应用于水利电力工程的各个方面。为了提高定位精度,一般均采用差分技术。在众多的差分技术中,伪距差分和载波相位差分是最为常用的两种测量模式,后者的定位精度较高(厘米级),通常用于高精度的测量工程和研究中。

回声测深仪是一种单波束测深设备,深度的测量是根据最小声程决定。按照使用频率个数的不同,又可分为单频和双频。双频测深仪根据两个频率测量深度较差获得淤积层厚度。

库容测量采用现代水下地形测量方法,即利用GPS载波相位差分测量技术进行平面定位,测深仪进行深度测量,GPS和测深仪保证同步作业,获取水底测点平面和深度信息的作业模式。为了保证库容的计算精度,需要对库区进行测线设计,GPS和测深采样也要按照水下地形测量规范等间隔或等时间采样。设测量比例尺为1:Scale,测量船的平均速度为,则测线间距d和时间间隔Δt为:d=Scale×10-4

为了提高测量精度,在测线布设时,还应该考虑水下地形的变化趋势,若变化相对比较平坦,则测线间距可以适当放宽,否则,需加密测线。这有利于使测点均匀分布于整个测区,同时在测区水下地形变化复杂的地区使测点深度或高程能更好地反映水下地形的真实面貌。

但由于本次作业为北方冬季作业,测深采用打孔量深的方法测量。

三、库容计算方法

1.计算原理为了提高计算精度,充分利用水下地形测量数据,本文提出了一种三角柱计算库容的方法。该法建立在实际测点的基础上,相邻三个测点可构成的三角柱体积为:

2.三角网的构建Delaunay三角网是目前公认的最优三角网,Delaunay三角网构建必须满足相互邻接且不重叠的三角型的集合,每一个三角网的外接圆内不包括其他点。Delaunay三角网的生长算法的基本步骤首先从所采集的离散点V中选任意点P1为起始点,查找离此点最近的点P2,然后连接P1P2作为基准线;在基线的右边应用Delaunay法则搜寻第三点生成Delaunay三角形,以三角形的两条新边作为新的基线;重复该过程直至所有基线处理完毕。

四、本次水下地形测量实施及库容的计算

为查清七台河桃山水库的蓄水量,国家测绘局第二大地测量队受桃山水库管理单位委托,承担桃山水库12平方公里的水下地形测量任务。本次作业正值严冬季节,测深采用打孔量深的方法测量。具体的施测方法为:

首先在水库的中心选取一条中轴线,沿中轴线采用GPS方法先测量4个已知控制点,利用全站仪沿中线方向做一条导线并没50米放一个中线点,利用全站仪沿中线方向每隔50米做一个采点间隔50米的横断,利用全站仪准确放出并测出横断点的坐标及高程,利用打孔量深的方法计算出水下地形点的三维坐标,对坐标采用Delaunay法则构Delaunay三角网,累计三角椎体积计算库容。

由于冬季冰面作业,其视线开阔且放样多为直线方向,利用全站仪给出方向,利用测绳控制距离,其放样成本低、速度快。

作业前在内业对水域进行放样点布设及编号,保证了所有放样点与量深点一一对应,水下地形点高程采取计算机查询计算,减少了人工带来的误差。

4库容测量、计算的实施及结论

本次测量由于为冬季作业,采取了传统测量方法。共投入放点组2个,量深组3个,共计15人,平均每天测量1.5平方公里(约600个水深点)水下地形。

随着市场任务的不断增多,很多新的工程测量项目由于受工作环境、作业期、量测精度、工程消耗等因数的影响,要求作业人员根据具体情况合理调配仪器采用合理的测量及计算方法完成项目获得较高的市场效益。