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(zhì)發(fā)展，后發(fā)先至”提供了有力的保障，特別是在防洪、灌溉、養(yǎng)殖、發(fā)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(fā)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(xiàn)狀原始數(shù)據(jù)，確保庫容校核真實性、準(zhǔn)確性，為進一步科學(xué)規(guī)范管理提供數(shù)據(jù)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(qū)、東?？h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(diào)南下工程的重要組成部分。水庫100年一遇設(shè)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(fā)電站一座。水庫設(shè)計以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益。水庫設(shè)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(qū)各2.67萬公頃。

二、水庫庫容校復(fù)核

1.水庫利用GIS技術(shù)采集原始數(shù)據(jù)

庫容校核采用無人機測繪與水下地形測量相結(jié)合的方法，其中無人機航測通過遙感技術(shù)對無人機進行控制操作，無人機在測區(qū)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(xiàn)狀物體的位置和高程信息；通過內(nèi)業(yè)處理軟件Pxi4d，繪制地形圖，達(dá)到測量的目的。對石梁河水庫灘地采用無人機測繪，通過規(guī)劃航線，經(jīng)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(tǒng)，在傳統(tǒng)水深測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上配備了運動傳感器、聲速剖面儀等輔助設(shè)備。采用實時動態(tài)載波相位差分（Real TimeKinematics，RTK）技術(shù)沿航線連續(xù)測量時，利用GPS-RTK技術(shù)實時確定水下地形點的平面位置和高程。對淺水區(qū)及水草茂密區(qū)等不能通行的區(qū)域采用人工方法測量，即用GPS-RTK測定水深點平面位置，布設(shè)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(yīng)不同等高線對應(yīng)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(yīng)庫容面積均為擴大趨勢，而22～28m水位對應(yīng)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(guān)系曲線?？梢灾苯佑伤畮烀娣e特征推算繪制。兩相領(lǐng)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(xiàn)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(shù)字地形模型是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時稱為數(shù)字高程模型（DEM Digital Elevation Model）。

從數(shù)學(xué)的角度，高程模型是高程Z關(guān)于平面坐標(biāo) X、Y兩個自變量的連續(xù)函數(shù)，數(shù)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(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。高程是地理空間中的第三維坐標(biāo)。由于傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是二維的，數(shù)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(yīng)水庫面積統(tǒng)計表

表2 石梁河水庫不同水位水庫庫容值對比變化統(tǒng)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(shù)字高程計算方法：通過Arcgis軟件的空間分析工具和統(tǒng)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(jié)合湖區(qū)的不同水位范圍線分別擬合生成曲面數(shù)字高程模型（TIN），根據(jù)采樣點的間距設(shè)置合理的最小柵格單元 ，并轉(zhuǎn)換生成水下地形柵格DEM。最后將不同水位線下的數(shù)字高程模型分別與石梁河水庫水下地形DEM通過地統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)計表

建庫庫容值依據(jù)《連云港市大中型水庫調(diào)度規(guī)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(yīng)庫容計算出數(shù)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(yīng)庫容變化值為2729.69萬m3；庫容變化最大值為水位22m處，對應(yīng)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(xiàn)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(yǎng)殖、發(fā)電、供水的控制依據(jù)，及時修正相應(yīng)特征值為水庫科學(xué)調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐，水庫的社會效益和經(jīng)濟效益得到最大發(fā)揮。根據(jù)石梁河水庫建壩設(shè)計文件，確定水庫特征水位。依據(jù)調(diào)度規(guī)范查明相應(yīng)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(diào)度庫容減小了0.08億m3，死庫容增加了0.82億m3。

四、結(jié)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(diào)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(jīng)濟效益影響有待進一步論證